基于Labview平台的耳声发射综合检测系统的研制

彭诚，李俊奎，杭圣超

（清华大学深圳研究生院生物医学工程系，深圳 518055）

引言

耳声发射（otoacoustic emissions，OAE）是一种产生于内耳耳蜗，经中耳传导释放到外耳道的能被检测到的微弱音频能量[1]。早在1948年，Gold[2]就预言了OAE的存在；到1978年，由Kemp[3]首次明确地检测出了OAE并将其应用于临床。耳声发射的发现，证实了耳蜗不仅能被动地接收外界声信号，同时能够主动释放能量，成为近年研究耳蜗功能的主要因素[4]，从而确立了耳蜗是一双向换能器的学说。

据外界刺激声的有无，耳声发射可分为自发耳声发射（spontaneous OAE，SOAE）和诱发耳声发射（Evoked OAE，EOAE）两大类。SOAE是指在安静的环境下，不存在外界刺激声时，耳蜗自发释放的一种OAE信号。而EOAE根据外界刺激声的不同又可以分为：由刺激声很短的Click声（短声）或短纯音诱发的瞬态诱发耳声发射（Transient Evoked OAE，TEOAE）；由两个不同频率的叠加在一起的纯音诱发，从而产生其他频率信号的畸变产物耳声发射（Distortion Product OAE，DPOAE）。关于耳声发射，还有两种常见的研究。一者是同步自发耳声发射（Synchronized SOAE，SSOAE），它的诱发方法与TEOAE一样，但检测的时间窗不同。TEOAE一般使用20ms的时间窗，而SSOAE则通常使用80ms的时间窗并取后60ms的OAE信号作为SSOAE[5]。另一者是施加对侧声刺激（Contralateral Acoustic Stimulation，CAS），指的是在双耳的一侧（称为对侧）施加白噪声或纯音的情况下，在另一侧检测耳声发射（称为同侧）。CAS可以对同侧(检查测)的OAE起抑制作用。

OAE的发现目为外周听觉系统，特别是耳蜗功能的检查，提供了一种新的无损检测方法，在临床上得到了越来越广泛的使用。自1988年英国Otodynamic公司推出第一款商用的ILO88耳声检测设备以来，丹麦的Madsen公司、美国的Biologic公司和德国的MAICO公司相继推出自己的OAE检测设备。这些进口产品功能全面，性能可靠，但是普遍价格昂贵。为了更加深入耳声发射检测系统的自主开发，本研究重新开发一款基于NI USB6211数据采集卡和Labview平台的耳声检测系统。这款系统不仅能检测并分析SOAE、TEOAE、DPOAE信号，并且实现了SSOAE检测与分析以及施加CAS的耳声发射检测。

1 耳声发射检测系统的设计需求与系统结构

1.1 系统设计需求

如图1-1所示，本系统的设计需求主要包括两个方面：一个是综合多功能，系统能够检测无CAS或存在CAS的SOAE、TEOAE、SSOAE和DPOAE这四种耳声发射信号，并能够根据OAE的类型进行相应的信号处理求出其特征参数，而且系统设计了数据接口，可以导入其他平台检测到的OAE信号进行处理；另一个是要求满足商用与科研双重标准，系统实现友善的操作界面以提高用户体验，同时提供多样的、灵活的参数控制用于更全面地研究耳声发射信号的信息。

图1-1 系统设计需求示意图

1.2 系统结构

本系统的结构示意图如图1-2所示，主要由PC机、数据采集卡、预处理电路以及内嵌扬声器和传声器的声学传感器的组成。如图1-3所示，本系统可划分为三个核心模块，分别是：软硬件协调工作的刺激声发射与OAE数据采集模块；信号采集完成后，运行于后台软件的信号处理模块；贯穿全系统的、实现人机交互的UI界面模块。

2 耳声发射检测系统的软件设计

本系统SOAE、SSOAE、TEOAE和DPOAE这四种耳声信号的检测，并且可以选择无CAS模式或存在CAS（白噪声或纯音）模式。

图1-2 耳声发射检测系统结构示意图

图1-3 耳声检测系统模块框图

2.1 SOAE检测的软件设计

SOAE检测不需要外界刺激，只需要设置输入通道测量耳声信号。为突出频谱中的SOAE频点，采用频域叠加平均的方法求SOAE的频谱：测量一段连续的SOAE信号（1~2s），将信号分为若干段等长的子信号，然后求各子信号的幅度谱并进行叠加平均求得SOAE的幅度谱，并在幅度谱上自动检测并标注SOAE频点（设阈值为T dB，某频率极值点若比附近频带的本底噪声高T dB，则自动标注为SOAE频率点）。如上所述，频域叠加的方法将丢失信号的相位信息，但考虑到SOAE是持续信号，其相位信息并没有明确的物理意义。

2.2 TEOAE检测的软件设计

以刺激声为开始标志，TEOAE的潜伏期为3~5ms，持续时间为15ms左右[6]，检测TEOAE通常选择20ms的数据窗长度。

Click刺激声输出与OAE数据采集的流程图如图2-1所示。系统采用多次测量并进行相干平均的方法，降低背景噪声的影响，提高信噪比；系统同时实现了传统的线性平均方式和导出的非线性响应（derived nonlinear response, DNLR）[7]的平均方式，在检测时可选择其中一种。为了实现有效的相干平均，需要对齐各段测量数据。以Click声的开始端作为对齐标志是理想的选择，这时候就需要OAE信号采集与Click声输出同步（同步开始或OAE信号开始采集时刻始终滞后Click声一个固定的时间段）。本系统采用Click声输出与OAE信号采集同步开始的方法。USB6211采集卡与Labview平台搭配使用，可以简便地实现输入输出同步。采用TEOAE信号减去其均值后得到的信号的均方根（RMS）值作为背景噪声的幅度，用于系统拒噪阈值的实时设置。

图2-1 Click刺激声输出与OAE数据采集的流程图

2.3 SSOAE检测的软件设计

如前文所述，SSOAE的检测方法与TEOAE十分类似，只是所取的记录时间窗不一样，TEOAE的记录时间窗为20ms，SSOAE的记录时间窗为80ms，并取后60ms的数据，所以SSOAE可认为不存在刺激伪迹。与SOAE一样，本系统也将自动标注SSOAE频率点。SSOAE的噪声估计方法与TEOAE一样，都是使用去直流后的信号的RMS值作为背景噪声强度。

2.4 DPOAE检测的软件设计

特定频率的DPOAE的检测与TEOAE/SSOAE类似，主要区别是刺激声不同和噪声估计方法不同。

DPOAE的刺激声是两个频率不同的纯音信号的叠加[8]。的比率一般取为1.2~1.5，文献[9]的实验得到的最佳比率为1.22。两纯音的幅度相等或比大5dB左右。同时需要考虑两个纯音信号是在电信号端叠加（即叠加两纯音信号的缓存数据，实际只输出一路信号），还是在声信号端叠加（即真实地输出两个纯音信号，两路声信号在传播过程中叠加，这意味着需要有两个扬声传感器），文献[10]表明这两种叠加方法的实验结果是有差异的。软件设计时同时实现这两种叠加方法，添加按钮供检测时选择叠加的方法。

因为检测DPOAE时刺激声是同时存在的，所以不能像TEOAE和SSOAE那样直接使用信号的RMS值估计噪声。本系统使用文献[10]的噪声估计方法。先将测量得到的DPOAE数据按整周期分段，即每一段数据的长度都是两种纯音信号周期的整数倍，同时也是第三音周期的整数倍。相邻两段信号相减，其结果将不含刺激声；而且DPOAE信号与刺激声有明确的相位关系，相减后的信号也将不含第三音；也就可以认为相关后的信号只含有噪声。使用这种相邻段信号相减得到的信号的RMS值估计背景噪声。

一般地是DPOAE中最显著的畸变产物，文献[4]也指出现有研究多数也只检测处的谱线状况。本系统检测不同刺激频率下的强度，并绘制DPOAE听力图。

2.5 对侧刺激

本系统可实现无CAS、存在白噪声CAS和存在纯音CAS的OAE信号检测。输出CAS刺激信号时，将输出端设置为多通道输出使耳声发射刺激信号和CAS信号同时输出即可。

2.6 系统定标

系统定标是实现声学参量和电参量的相互转换。

2.6.1 输入定标

输入定标是将采集到的电参量数据转换为声参量数据。对于本系统，输入定标涉及传声器的声电转换函数（当输入的声压为P时，传声器输出的电压为Ui，设为其逆函数）和预处理电路的增益A。设数据电压值V对应的标准声压为SPL，则V=A·Ui(P)，即P=Pi(V/A)。

2.6.2 输出定标

输出定标是将刺激声的声参量转换为电参量。对于本系统，输出定标涉及到扬声器的声电转换函数 （当输出的声压为P时，传声器输入的电压为U0）。当要求输出强度为SPL的刺激声时，其对应的电压U（对于纯音信号，指的是其峰值）：

这里需要注意的是，click刺激声和纯音信号的声电转换函数是不一样的，而对于不同频率的纯音信号，其声电转换函数也是不一样的。

2.6.3 传感器定标实现

本系统传声器定标数据参考其使用手册上的数据。扬声器的定标方案如图2-2所示，定标方案符合国家标准GB12060-1989，仿真耳符合国际标准711(1981)，短声的定标符合国家标准GB/T 7341.3-1998《听力计 第三部分：用于测听与神经耳科的短持续听觉测试信号》。定标设备包括Brüel & Kjaer（B&K）公司3560B型采集前端及配套软件PULSE，以及B&K公司4157型仿真耳（Ear Simulator）。B&K采集前端配合软件PULSE可测得输入仿真耳的声音强度（Pa），再将其转换为标准声压级（SPL dB）。

图2-2 扬声器定标方案

2.6.4 传感器管理模块

不同传感器的灵敏度参数不一样，更换传感器需要更新系统中使用的传感器灵敏度参数。本系统设计了传感器管理模块，并规定了传感器灵敏度参数的二进制文件的存储格式，当更换传感器时，只需要导入新传感器对应的灵敏度参数文件即可使系统工作在标准声压级环境，而不需要修改源程序。这使得系统可兼容多种传感器。

3 实验结果

本系统的软件操作界面如图3-1所示。受试对象为一例健康耳，各频段纯音听阈均小于20dB。

图3-1 软件操作界面

3.1 SOAE的检测结果

SOAE的检测结果如图3-2(a)所示。在0.5~8kHz的频带内自动检测SOAE频率点（因为预处理电路的滤波带宽为0.5~8kHz），结果如表3-1所示。

表3-1 SOAE频率点

3.2 TEOAE及CAS-TEOAE的检测结果

检测TEOAE时，使用时长为80，幅度为80dB SPL的click声作为刺激声，检测结果如图3-2(b)所示（白色曲线为A组序列，红色曲线为B组序列，下同）。总体参数如表3-2所示，三项指标的结果都比较显著地表明了总体上TEOAE存在。分频段相关率和分频段信噪比如表3-3所示，各频段的相关率和信噪比都比较高，表明各频段的TEOAE都可检出。

表3-2 TEOAE的总体参数

表3-3 TEOAE的分频段参数

施加1.5kHz的纯音CAS后，TEOAE的波形如图3-2(c)所示，其参数如表3-4所示。不存在CAS时，TEOAE的强度为20.26dB（总体噪声与总体信噪比之和）；而当施加CAS后，TEOAE的强度变为19.78dB，也即TEOAE的强度减弱。从A、B两组信号的相关度和信号的总体信噪比对比单侧刺激TEOAE和CAS刺激TEOAE，也可反映出CAS对耳声发射信号的抑制作用。

表3-4 TEOAE-CAS的总体参数

3.3 SSOAE的检测结果

检测SSOAE时，使用与TEOAE相同的刺激声，检测结果如图3-2（d）和图3-2（e）所示，前者是相干平均后的时域波形，后者是对应的幅度谱。总体相关率，总体噪声，总体信噪比如表3-5所示，三项总体参数也表明了可检出SSOAE。SSOAE频率点如表3-6所示，对比表3-1 SOAE频率点，发现SSOAE的频率点与SOAE的频率点确实高度相关，但SSOAE多检出了频率点2.86kHz，再观察图3-1，发现在频率2.86kHz处，SOAE也有疑似频率点。之所以在SSOAE检测出了该频率点，是因SSOAE检测使用了相干平均的方法抑制了噪声，从而突出了低幅度的OAE信号。

表3-5 SSOAE的总体参数

3.4 DPOAE的检测结果

设定频率比例为f2/f1=1.22，DPOAE曲线图如图3-2(f)所示，各频率数值和第三音强度如表3-7所示。

表3-6 SSOAE频率点

表3-7 DPOAE频率和第三音强度

图3-2 OAE检测结果

4 结论

本研究开发了一款基于数据采集卡和Labview平台的综合耳声发射检测系统。这套系统能够实现对SOAE、TEOAE、SSOAE和DPOAE等四种耳声发射信号的检测和分析，并且可以选择无CAS模式或存在CAS（白噪声或纯音）模式，对比两种模式下的OAE可以区分蜗性或者蜗后上橄榄复核的听力正常与否。完成声学感器定标并将其灵敏度参数导入到本系统，使得系统能在标准的定量条件下工作。最后通过初步实验证明了系统的有效性，为接下来要开展更广泛的实验和开展深入的OAE分析奠定了基础。

[1]Wable J J, Collet L L. Can synchronized otoacoustic emissions really be attributed to SOAEs. Hearing Research, 1994, 80(2): 141-145.

[2]Gold T. Hearing II: The physical basis of the action of the cochlea.Proc. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 1948, 135: 492-498.

[3]Kemp D T D. Stimulated acoustic emissions from within the human auditory system. The Journal of the Acoustical Society of America,1978, 64(5): 1386-1391.

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[10]周靖杰. DPOAE的检测及耳声发射检测系统的研制. 北京：清华大学, 2002.