[转发]单片机在瞬态诱发耳声发射检测中的应用

单片机在瞬态诱发耳声发射检测中的应用

摘要 概括总结了瞬态诱发耳声发射(TEOAE)信号提取和信息处理的几种方法，并讨论了单片机在TEOAE信号检测中的现状和可行性。
关键词 瞬态诱发耳声发射；单片机

1 概况
随着单片机技术的不断进步，它的应用范围也越来越广泛。在医疗器械顶域，美国FDA专家预测在未来的10年中，包括计算机辅助诊断、智能器械在内的计算机相关技术将有大的发展，且总趋势是向着器械智能化、简易化[1]。单片机作为计算机系统的一个分支，它以其可靠的性能，高的性能价格比广泛地应用于智能型的医疗仪器中，必将在医疗器械领域中发挥出巨大的作用。在这里主要讨论单片机在瞬态诱发耳声发射中的应用。耳声发射(Otoacoustic Emission，OAE)是1978年英国人Kemp用耳机／微音器组合探头，采用信号叠加平均的技术，在正常人封闭的外耳道记录到的人耳在受到刺激声后的声学信号[2]。它是由耳蜗外毛细胞产生，经听骨链及鼓膜传导释放人外耳道的音频能量[3，4]。耳声发射根据有无刺激信号分为自发耳声发射(Spontaneous Otoacoustic Emission，SOAE)和诱发耳声发射 (Eyoked Otoacoustie Emission EOAE)。瞬态诱发耳声发射(Transient Evoked Otoaeoustie Emission，TEOAE)是诱发耳声发射的一种，它是以短声(click)或短纯音(tone-burst)诱发的耳声发射，分为短声诱发的耳声发射(Click Evoked Otoacoustic Emission，)和短纯音诱发的耳声发射(Tone-burst Evoked O-toacoustic Emissions，TBOAEs)两种[5]。TEOAE在健康人耳的检出率可达100％，且具有长期稳定性，检测快速、简便的特点。TEOAE的阈值一般低于主观听阈5dB-lOdB，强度多不超过20dBSPL。低刺激强度时TEOAE幅度随刺激强度的增加几乎成线性增长，平均增长率为0.3dB-0.4dB／dB，当刺激强度达40dB-60dB SPL时，TEOAE强度不再随刺激强度呈线性增加，而趋于饱和，从而表现出非线性特性[6-8]。TEOAE的频率成分与刺激声的形式有很大关系[4-8]。由于短声与短纯音的频率组成不同，由两种刺激声诱发的瞬态诱发耳声发射频率也是不同的。刺激声强度对TEOAE的波形和大小也有一定影响，高刺激强度时可以得到TEOAE更宽的频率范围，随着刺激水平的降低，TEOAE的能量越来越窄地集中到几个接近SOAE的频率上[9]。

2 TEOAE信号的提取 根据TEOAE信号的特点，提取TEOAE信号常采用相干平均、设拒绝阈、数字滤波等方法，可降低噪声，提高信噪比，提取其时域波形，将TEOAE信号从较强的背景噪声中提取出来。
(1)相干平均是提取耳声发射信号的基本方法。一般为，记录的诱发信号是由实际诱发响应和噪声相加所组成，其中噪声往往比响应更强烈。通常把多次诱发记录以施加刺激的时刻为起点对其后进行累加平均，随机的噪声互相抵消，用多次记录的平均值来近似真实的诱发响应[4]。已经证明，M次相干平均后，信噪比提高M1/2倍[10]，能有效地降低随机噪声。
(2)拒绝阈的设置有利于去除干扰。有的噪声是不可预测的，例如瞬态的大声会严重干扰正在测量的数据，使噪声水平急剧增加，如果依然使它参加累加平均的话，会大大降低信噪比。因此通常预先设置一拒绝阈，并在平均之前先对每一次刺激所诱发的数据进行一次检测，若噪声水平低于阈值(rejectionthreshold)，则进行累加，若高于阈值便舍弃，如果阈值设置合适，这样便可大大的降低噪声水平[3，4，8，11]。因而阈值的设置很重要，若设得太高，就会把大噪声的数据也叠加在内，使信噪比降低；若设得太低，会使绝大多数数据都被舍弃，使测量时间大大延长。由于不同的测试环境其噪声水平是不同的，阂值的设置也随之不同[12，13]。
(3)数字滤波对于消除频带与信号频带不重合的噪声是有效的。TEOAE信号的频率一般分布在0.5kHz-5kHz,多集中在lkHz-3kHz[14，15]；而噪声则在相对广泛的频率内普遍存在。在高频段(1kHz以上)，本底噪声主要是由仪器的固有噪声引起的，比如话筒、放大器的噪声等；在低频段，背景噪声主要是由周围的环境引起，比如仪器产生的嗡嗡声、空气流动以及被测人产生的噪声如呼吸、身体移动等，因此，选择合适的数字滤波器类型和通带，可以有效地去除信号频带以外的噪声。一般选择带通滤波器，下限频率设在0.5kHz-0.6kHz，上限频率设在5kHz-6kHz[3，4，16]。对于提取TEOAE的三种方法，要求在2个刺激间隔的时间内完成，所以芯片运行的速度就尤为重要。常用的16位单片机的集成度已达200万个晶体管，总线工作速度已达微秒级，工作频率达到30MHz甚至40MHz，指令执行周期减到数十微秒，可以满足在TEOAE提取时的速度要求。在提取TEOAE的过程中，需要交换大量的信息，但单片机内部的存储器空间有限，因此在单片机系统设计中，扩展存储器的工作是必不可少的。单片机通过对外部程序存储器、外部数据存储器和输入／输出接口的扩展，完成对数据的采集和存储。

3 TEOAE信息的处理 TEOAE的初始部分通常混杂有刺激伪迹成分，使得TEOAE的测量在临床使用中受到了很多的限制。为了消除TEOAE测量中的刺激伪迹，通常采用窗函数、非线性差分平均、小波变换、二次信号处理的方法。
(1)在时域加窗函数利用了TEAOA信号的特性。由于刺激伪迹在0ms-2.5ms相对较强，常常把这段信号去掉，仅截取2.5ms-20ms之间的信号，即在2.5ms-20ms施加余弦上升／下降的矩形窗，余弦上升／下降时间一般为2.5ms或2.6ms[4，13]。
(2)导出的非线性响应方法(Derived NonlinearResponse，DNLR))可有效地去除伪迹的影响。在这种方法中，假设几乎所有的声伪迹是线性的(即当刺激增大n倍时，它也增大n倍)，而TEOAE在一定刺激范围为饱和非线性，它的变化很小，可以认为基本保持不变。假设取4个刺激声为一组，其中3个刺激声强度均为Ⅰ(Ⅰ必须是使TEOAE饱和的刺激强度)，相位一致，第4个刺激强度为31(31使耳机转化特性依然处于线性范围)，但刺激时刻的相位与另外3个正好相反，则如果把这4个刺激声诱发的TEOAE信号相加求平均，可以把具有线性特点的刺激声伪迹大大地抵消，而具有非线性特点的TEOAE只有部分被抵消[17，18]。
(3)二进小波变换预处理也可去除刺激伪迹。所谓小波就是满足可容许性条件的具有特殊性质的函数，而小波变换就是选择适当的基本小波或称母波，然后将欲分析的信号投影到由平移、伸缩小波构成的信号空间中。这种平移、缩放是小波变换的一个特点，因而可以在不同的频率范围、不同的时间位置对信号进行分析。当小波变换的尺度因子和平移因子为离散的情况时，便形成了离散小波变换。对离散小波变换而言，其小的尺度对应于信号的高频细节，而大的尺度对应于信号的低频部分。当尺度为二时，变成了常用的二进小波变换[19]。TEOAE的时频分布确定了刺激伪迹在时频域出现的区域，然后只对TEOAE中刺激伪迹存在的区域对伪迹进行了有效的去除，完全保留了刺激伪迹区域以外TEOAE的全部信息，且保证了TEOAE响应高的信噪比[5，20]。
(4)去除伪迹的方法还有二次信号处理法。把原始记录TEOAE信号作为匹配模板，把经过数字滤波的信号与原始信号进行相关函数分析，得到相关后的波形与原汜录信号比较无显著性差异，相关振幅显著提高，比原始TEOAE信号波形更加清楚，易于辨认，包络波形明显成形，有效提高了TEOAE的信噪比，对鉴别噪声伪迹及TEOAE信号提供了新方法。

4 单片机在TEOAE信号处理中的应用 在去除伪迹的四种方法中，虽然都能起到一定的作用，但它们都不同程度对TEOAE信号造成了损失。如果可以将这几种方法结合起来，利用单片机丰富的指令系统，发挥软件程序的优势进行信号采集的控制和对数据的处理，将单片机的软硬件技术结合起来，提取TEOAE信号，将TEOAE信号的失真度减少到最低，提高筛查的可靠性。 随着现代计算机技术的飞速发展，早期的商业化产品，如Otodynamics公司、Virtual公司和Etymotic Research公司的产品，以及在实验室自行开发使用的耳声发射检测装置中，多采用计算机控制数字信号处理板(DSP)的方法，提取TEOAE信号并进行分析。计算机运算速度的不断提高将耳声发射系统与计算机更紧密地结合起来，李丽明利用一块数据采集卡在计算机上建立了瞬态诱发耳声发射数据的采集[16]；随后，刘学民又建立了一套以声卡为基础的瞬态诱发耳声发射采集设备[21]。对于近年来的国外的新产品，如Otodynamics公司的L096和Echoeheck，Madsen公司的Capella和HIS公司的Smart OAE，充分发挥了计算机的优势，在计算机的控制技术上更加完善。但对于我国每年1000万新生儿的听力普查来说，国外的仪器设备过于昂贵，国内的研究和开发起步比较晚，目前只有清华大学研制的耳声发射听力检测仪。单片机在不断提高其运算速度的基础上，嵌入到仪器仪表中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。在TEOAE最有价值的应用-婴幼儿的听力筛查中，我们希望可以携带仪器到婴儿集中的地方，进行快速而大量的筛查工作。而在单片机小小一块芯片上就可完成计算机的全部基本功能，将单片机嵌入到耳声发射检测系统中，开发出手持便携式设备。运用单片机开发检测TEOAE信号的听力筛查仪，把单片机融于仪器测试系统中，使自动测试系统从原来的仪器附属于计算机及系统，过渡到计算机附属于仪器及系统，即从以计算机为核心过渡到以仪器为核心，从而达到我们希望的目的一一可以快速、准确的进行婴幼儿的听力筛查。

信息来源： 郭莉 张正国