听觉诱发电位测量系统设计

安美君，孙迎，陈兆学

（上海理工大学 a.光电信息与计算机工程学院；b.医疗器械与食品学院，上海210093）

听觉诱发电位测量系统设计

安美君a，孙迎b，陈兆学b

（上海理工大学 a.光电信息与计算机工程学院；b.医疗器械与食品学院，上海210093）

本文详细描述了听觉诱发电位测量仪的系统构成和测量原理，介绍了短声刺激发生和诱发电位数据采集及同步的方法。在信号的实时采集和处理阶段，采用不同的数据处理策略对所获取数据进行处理，通过几家医院现场使用证明该系统能够满足医院使用要求。

听觉诱发电位仪；听觉诱发电位；信号叠加平均；小波变换

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课题/研究背景：课题受上海市教育委员会自然科学基金项目(04EB25)资助，主要研制听觉诱发电位的测量和数

据处理仪器，内容包括生物电信号采集装置选择、同步声刺激信号产生电路设计、电极接触电阻测量方法设计、信号实时分析处理策略，小波基选择、小波变换和重构处理。结合医院的具体要求，开发简捷方便的控制软件。

应用要点：仪器在测试过程中，必须保证接地良好，屏蔽工频干扰。整个测试过程在静音室或比较安静的环境中完成。

听觉诱发电位(Auditory Evoked Potential,AEP)系指给予声音刺激,从耳蜗毛细胞起至各级中枢产生相应的电位活动。听觉过程包括声→电→化学→电→神经冲动→中枢信息等环节。由于听觉诱发电位的检测具有无创性、不受受试者意识影响，具有客观、准确、灵敏等特殊性，其在新生儿及婴幼儿听力筛选、器质性耳聋和功能性耳聋的测定以及听神经瘤的预测和多发性硬化等方面得到广泛的应用[1-6]。

目前国外生产的听觉诱发电位测试仪器价格非常昂贵，国内的诱发电位仪产品性能、功能均不理想。为使这项新技术在我国医疗卫生工作中得到更大程度的发展应用，缩短我国在这项技术上与发达国家的差距，我们提出了一种听觉诱发电位仪设计方案，该仪器采用微弱信号检测技术、先进的低噪声放大技术，并结合叠加平均和小波变换数字滤波原理，实现对听觉诱发电位信号的快速提取。该仪器设置方便、操作简便，通过简单培训医生就能比较准确地给出诊断结果。

1 测量原理

听觉诱发电位信号很微弱，强度大约在几微伏范围内，而背景噪声干扰和自发脑电活动干扰比听觉诱发电位信号远远大得多，因此通常采用叠加平均的方法提取听觉诱发电位信号[1]。这是因为听觉诱发电位一般在刺激后的固定时间内（潜伏期）出现，表现出确定性信号特征，背景噪声则通常具有随机特征，每次测量其频谱、波幅、极性和波形每次表现都不相同。通过对包含背景噪声和听觉诱发电位的信号多次叠加，有确定性规律的听觉诱发电位得到加强，而随机无规律的背景噪声信号则逐渐被抑制，我们就可以将微弱信号从背景噪声中检测出来，叠加次数越多，信号的信噪比就越高。由于多次刺激下容易引起神经系统习惯性及疲劳性反应，在一定程度上会影响诱发响应信号的波形，所以叠加次数也并非越多越好。

信号叠加平均处理方法，没有考虑不同频率信号的不同作用，该处理方法存在一定的缺陷。本仪器采用小波变换方法对听觉诱发电位信号进行滤波，保持脑干听觉诱发电位持续期的高频小波系数，而将晚期低频成分期间的高频小波系数置零以消除这里的高频噪声，再经过逆小波变换重构听觉诱发电位信号，即可得到时频滤波后的信号，不仅保留了早期波峰，而且还得到光滑的晚期成分，同时可大大减少刺激次数，提高波形的可辨识性[2]。

信号叠加平均处理方法原理相对简单,但检测精度有局限,可对听觉诱发电位进行粗检测。小波变换方法可以通过子带信号处理较精确地保持听觉诱发电位原始波形，一般可用在听觉诱发电位信号的精确分析和检测。在我们的设计方案中，信号叠加平均处理方法用于实时监测采集的听觉诱发信号，采集数据以数据文件方式保存，再用小波变换的方法基于叠加平均所得信息对听觉诱发信号进行精确分析。

2 系统硬件组成

听觉诱发电位测量系统由短声刺激发生器、信号放大器、诱发电位仪电极接触电阻检测模块、信号采集和同步模块、控制计算机等几部分构成，如图1所示。

图1 系统硬件组成

2.1 短声刺激发生器

听觉神经功能测试和脑干神经学及临床听力学研究的刺激声是短声。短声刺激发生器的主要技术指标包括：频率、强度、波形、刺激次数等。为保证短声刺激信号和诱发电位信号采集动作同步进行，本方案使用外同步信号控制短声刺激发生器的动作，短声刺激频率从1Hz～1kHz之间可调，短声刺激强度在0～110dB之间可调。通过构造不同形状的同步控制信号，可输出短声或白噪声，同步信号的数量决定信号的总持续时间。

2.2 信号放大器

信号放大器将人体的微弱信号放大，同时抑制噪声干扰，要有较高的输入阻抗，合理地采用隔离、屏蔽、接地等技术，会使其信噪比高、失真度小、抗干扰能力强。为了确保人体的安全，与人体接触的部分检测电路，应采用光电耦合技术将人体与整个测量仪器隔离开来。本系统采用AEP-20听觉诱发电位放大通道，采用了双层屏蔽驱动与浮地跟踪技术，分辩力0.35μV,噪声≤0.75μV，带通100Hz～3kHz，增益50000，共模抑制比CMRR达到126dB，通道输入阻抗1000MΩ，较好地满足了测试要求。

2.3 诱发电位仪电极接触电阻检测电路

前置放大器中对测量电极阻抗的测量功能可以保证电极与皮肤之间的良好接触，从而保证信号的可靠性和可信度。在开始测量听觉诱发电位之前，本系统通过DAQ-2214卡的一路A/D轮流测量接触电阻检测电路的输入电压值，就能有效检测各电极包括头皮电极和耳电极是否已经固定，并且检测出各电极之间的电阻值是否在标准范围内以便及时更换不合要求的电极；在测量诱发电位的过程中，该电路不会对诱发电位采集系统产生干扰。

2.4 信号采集

数据采集与控制是本系统的核心部分，我们选择使用DAQ-2214信号采集卡来实现整个系统的数据采集。在DAQ-2214中有2个可用的12位D/A输出通道，其中一路输出本系统用来控制声刺激发生器的强度。

DAQ-2214有16路AI，为获得最大噪声抑制，本系统采用双端模式。为保证刺激声和信号采集同步，采用外触发方式进行信号采集。采集到的信号采用多缓冲队列存储方式，交替使用、读取缓冲队列，保证采样速度要求。

我们将采样值从缓冲区取出放入图形区域，可实时显示动态测量结果。同时，这些数据经过叠加平均与小波变换处理后，作为耳听觉诱发电位辅助诊断结果。

2.5 波形发生部分

DAQ-2214信号采集卡带有40MHz的内部时钟，通过设置时间计数器参数，可以输出不同周期、不同占空比、不同形状的波形，当使用此信号控制短声刺激发生器时，可以精确控制刺激生频率、波形；同时以该信号作为采集卡外触发信号时，能保证采集动作精确同步。

3 系统软件

图2 软件控制流程

系统软件控制流程如图2所示。首先初始化系统，设置采集频率、声刺激强度等参数，然后检查电极接触状况。数据处理过程分成两个阶段。第一阶段接收实时采集信号，信号保存在内存中，采集到10个刺激信号数据后就进行信号叠加平均处理，并在屏幕上显示波形；第二阶段基于信号叠加平均处理所得信息对保存为数据文件的信号进行小波变换，提取相应频段的信息后进行小波重构,得到听觉诱发电位信号的去除噪声后的波形。

图3 小波分解

本系统在上海市新华医院进行测试。诱发ABR刺激声为波宽0.1ms的交替短声，刺激强度为75dB,刺激率为11次/s。电极设置：前额—同侧乳突，眉间接地，分析时间10.24 ms ,采样点256(25点/ms)，采用DB5小波进行离散小波变换,信号分解如图3所示。

图4 系统软件界面

由图3可见，为了减少计算时间，我们选择了5层分解；通过设置域值的方法，去除投影值小的系数，保留超出域值的部分，重构时对去除系数设置零进行强制消噪处理。

重构后的波形及人机界面如图4所示。

4 结论

本文介绍的听觉诱发电位测量系统采用DAQ-2214采集卡实现信号实时采集，通过外同步信号实现采集与短声刺激信号同步。此外，我们还通过设计特殊的波形控制刺激声音的形状。采用叠加平均方法监测实时波形，利用小波变换更加精确的测量听觉诱发电位信号。通过几家医院的实际应用证明，系统能检查出听觉系统的功能异常，可用于听觉生理及听觉病理生理的研究、耳科听觉疾患的诊断、婴幼儿及聋哑儿的听力鉴定、神经科听神经及脑干部位实质性或功能性病变的早期诊断。

[1]吕建忠,彭世春,等．相位谱分析在听觉脑干反应阈值自动测试的应用[J]．耳鼻咽喉头颈外科,1996,3(6):323．

[2]孙迎,叶英．听觉诱发电位提取方法的研究与分析[J]．中国生物医学工程学报,2006,25(1):117-120．

[3]赵仕波,罗耀华,赵文华．听觉诱发电位仪的设计与实现方案[J]．仪器仪表学报,2008,29(3):594．

[4] 徐瑶瑞,等．基于PDA平台的诱发电位测试系统的设计[J]．中国医疗设备,2008(2):17-19．

[5]曾利浪,张伟成．脑电图机电极与头皮接触阻抗的检测[J]．上海生物医学工程杂志,2003,24(3):57．

[6]田源,张忠仁,周曙．诱发电位仪电极接触电阻检测系统的研制方法[J]．中国医学物理学杂志,2003,20(2):115．

Development of Auditory Evoked Potential Measuring System

AN Mei-juna,SUN Yingb, CHEN Zhao-xueb

(a.School of Optical-Electrical and Computer Engineering; b.School of Medical Equipment and Food,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 210093,China)

This paper detailedly describes the structure and measuring principle of auditory evoked potential measuring system, also introduces the method about generation of short sound stimulation and auditory evoked potential data capture as well as their synchronization. The system adopts different strategies to process the data during steps of real time capturing and processing.Experimental results shows the system could satisfy application requirements in performance.

auditory evoked potential system; auditory evoked potential; signal overlap average; wavelet transform

TH772+.2

A

1674-1633(2010)01-0012-03

2009-07-06

2009-09-19

上海市教育委员会自然科学基金(04EB25)资助项目。

本文作者：安美君，高级工程师，硕士研究生。

作者邮箱：hngdamj@163．com