听神经复合动作电位教学实验平台的研制

宫 琴，黎婷婷，刘 帅

（1.清华大学生物医学工程系，北京 100084；2.清华大学深圳研究生院生物医学研究中心，广东深圳 518055）

听神经复合动作电位教学实验平台的研制

宫 琴1，2，黎婷婷1，刘 帅2

（1.清华大学生物医学工程系，北京 100084；2.清华大学深圳研究生院生物医学研究中心，广东深圳 518055）

为了加深学生对听神经复合动作电位的原理、检测方法和分析处理方法的理解和掌握，开发了一套听神经复合动作电位阈值和调谐曲线的教学实验平台。该平台采用外置声卡作为信号采集系统，基于C＃语言编写配套程序完成对声卡的控制，实时检测听神经复合动作电位的阈值和调谐曲线的信号，进行结果显示，并可保存实验结果以备后续分析研究。该教学平台不仅为学生提供了掌握基础知识的必要实验条件，而且为学生设计、验证开放性实验，激发创新性思维创造了机会。

教学实验平台；听神经复合动作电位；调谐曲线

“生物医学声学的工程分析和处理”课程是清华大学对本校研究生开设的一门专业基础课，听神经复合动作电位（compound action potential，CAP）的相关内容是该课程的基础知识。在实际教学中，学生对听神经CAP的阈值和CAP调谐曲线（compound action potential tuning curve，CAP TC）［1－3］的理解、掌握将有助于对听神经频率选择特性（frequency selectivity，FS）［4－5］的掌握和提高。由于听神经的FS反映了耳蜗听神经对某一刺激频率成分的滤波和分辨能力，反映了听觉系统的重要功能，因此，它在听觉基础研究和临床中有着重要的作用。本文基于外置声卡和采用C＃编程［6－7］研制了一套听神经复合动作电位教学实验平台［8］。该教学平台不仅为学生提供了必要的基础实验条件，提高了课堂教学效率［9－10］，而且为学生设计、验证开放性实验，激发创新性思维创造了机会。

1 实验平台硬件系统

听神经复合动作电位教学实验平台的硬件系统框图如图1所示。它包括计算机、高精度外置声卡Fireface 800、一对微型耳机ER－2、微型麦克风ER－10B＋及配套的前置放大器、耳蜗电极、生物电放大器和配套的高阻抗输入级。整个实验平台以计算机为控制中心，主要包括刺激声信号通路、采集声信号通路和采集电信号通路。

（1）刺激声信号通路：计算机将数字信号传送到外置声卡Fireface 800，该声卡的2个线性模拟输出通道LineOut1和LineOut2对数字信号进行D/A转换后得到的模拟电压驱动一对微型扬声器ER－2工作，ER－2的电－声转换后的声信号由声管传送到测试动物耳道进行刺激。

（2）采集声信号通路：播放刺激声的同时，耳道内的微型麦克风ER10B＋接收耳道刺激声伪迹，由配套的麦克风前置放大器进行放大后输入声卡Fireface 800线性模拟输入通道LineIn2，模数转换得到的数字信号传送到计算机软件进行观察。

（3）采集电信号通路：播放刺激声的同时，放置于耳蜗圆窗膜上的耳蜗电极引导诱发产生的生物电信号和噪声，然后通过高阻抗输入级输入到生物电放大器Grass CP511进行滤波和放大，最后由声卡Fireface 800线性模拟输入通道LineIn1进行模数转换得到的数字信号传送到计算机软件进行CAP信号检测和CAP TC提取。

3个通路协同工作，完成刺激诱发CAP信号的采集，同时监测耳道声音是否正常。

图1 听神经CAP教学实验平台硬件系统框图

硬件系统的实物连接图如图2所示。外置声卡Fireface 800通过IEEE 1394接口与计算机连接，输出刺激声和输入采集的电信号和声信号。

2 实验平台软件系统

听神经CAP教学实验平台的软件系统的设计基于VS 2010平台的C＃语言，主要功能分为以下几个模块。

2.1 实验信息管理数据库

运行实验平台软件时，首先将实验信息录入界面，填写实验信息后单击“保存”按钮，弹出操作提示窗口询问用户是否确定保存当前实验信息，如图3所示。如果选择“确定”则软件保存当前信息于一个新建Ex－cel表中；若选择“取消”或关闭操作提示窗口，则提示用户可重新填写实验信息。

图2 听神经CAP教学实验平台硬件实物连接图

图3 实验信息录入与提示

为方便用户管理实验数据，软件设计了实验信息数据库，如图4所示。每当用户保存新的实验信息，软件将最新的动物信息添加到数据库最后一项。

图4 实验信息数据库

2.2 传感器探头和耳蜗电极位置校准

软件设计了传感器探头校准功能，以保证向测试动物耳道提供准确的刺激声；另外设计了耳蜗电极位置校准功能，以保证能正确检测到CAP波形。由于这2个功能的执行过程相似，所以集合到一个页面上，如图5所示。用户将参数中的叠加次数设置为1次，然后单击“开始校准”，页面左下位置实时显示当前回采的声道声音波形，用户根据声音波形和幅度大小判断传感器探头在测试动物耳道中的位置是否正确，若不正确则对其进行调整；同时，页面左上位置实时显示当前由耳蜗电极引导并经过软件信号处理得到的CAP和耳蜗微音器电位（cochlear micro－phonics，CM）波形结果（图5中红色曲线表示CAP波形，黑色曲线表示CM波形［11］，蓝色脉冲下降沿表示刺激声起点）；用户根据有无CAP、CM波形判断耳蜗电极是否在圆窗膜上，若不在则对其进行调整；在完成传感器探头和耳蜗电极位置调整后，单击“终止校准/测量”结束校准。

在完成校准后，选择较大的叠加次数，单击“测量CAP”，页面将叠加平均［12－13］后的CAP/CM波形、耳道声音波形分别显示于页面的左上图和左下图，同时将波形图片和波形数据分别保存到计算机路径“D：＼CAPTCPF＼”下的“pic”和“txt”文件夹中，文件的命名基于页面右上的实验数据库列表的当前选项，其他页面的数据保存情况类似。

图5 传感器探头和耳蜗电极位置校准界面

2.3 听神经CAP的阈值和CAP TC检测

在检测某个刺激频率的CAP TC前，首先要确定该频率下能诱发CAP响应的最小刺激声强度，即CAP阈值。软件设计了相应的CAP阈值检测页面，如图6所示，能测试一定频率范围的CAP阈值。用户完成参数设置后，单击“开始测试”，软件自动完成设置频率范围的所有频率点的阈值测试，并将所有阈值连接成阈值曲线显示于页面左上位置，而图片文件保存于计算机中。在测试过程中，页面实时显示当前的CAP/CM波形于左下位置，并自动保存图片文件和波形数据，同时显示当前的过程结果于“当前测试点”、“上一测试点”和“测试与数据存储进度提示”中。

用户根据阈值检测结果，在CAP TC检测页面（如图7所示）中设置某一频率刺激声的阈值以上的强度，并设置抑制声的测试频率范围和步长等，然后单击“开始测试”，软件自动完成抑制频率范围的CAP TC检测，并将结果显示于页面左上位置，而图片文件保存在计算机中。在测试过程中的波形显示、保存和过程量显示与CAP阈值检测页面的相似。

图6 CAP阈值检测界面

图7 CAP TC检测界面

3 结论

本文设计搭建了听神经复合动作电位的教学实验平台，实现了对听神经复合动作（CAP）的实验信息数据库的管理、传感器探头和耳蜗电极位置的校准、CAP阈值检测和CAP TC的检测等功能，并能进行实时显示和结果存储。

（References）

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［5］张家騄.听觉部位学说与频率差阈［J］.声学学报，2006，31（2）：97－100.

［6］甘群文.C＃ 多线程同步与异步的实现［J］.电脑开发与应用，2009，22（9）：35－40.

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［9］何鹏，侯艳阳，房汉雄.生物医学实验教学装置研制与应用［J］.实验技术与管理，2013，30（2）：70－73.

［10］游金辉，祝元仲，张小明.医学影像数字化实验教学平台在核医学实验教学中的应用［J］.实验技术与管理，2011，28（4）：25－26.

［11］Jones H G，Koka K，Tollin D J.Postnatal development of cochlear microphonic and compound action potentials in a precocious species，Chinchilla lanigera［J］.Journal of the Acoustical of Society of America，2011，130（1）：38－43.

［12］张金凤，邱天爽.诱发电位波形提取方法及进展［J］.北京生物医学工程，2003，22（4）：303－307.

［13］杨军，吴宝明，彭承琳.听觉诱发电位信号分析技术进展［J］.生物医学工程杂志，2003，20（3）：563－566.

Development of teaching experimental platform for auditory nerve compound action potential

Gong Qin1，2，Li Tingting1，Liu Shuai2
（1.Department of Biomedical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Research Center of Biomedical Engineering，Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China）

In order to help students to enhance the understanding of the principle，detection and analysis method of auditory nerve compound action potential（CAP），the teaching experimental platform of auditory nerve compound action potential is developed based on external sound card which is controlled by C＃language programming.Real time processing is performed in the experimental platform to detect the threshold and tuning curves（TC）of auditory nerve CAP，which shows the results，and saves the data for future analysis.This teaching experimental system supplies not only the necessary experimental platform for students to understand the basic knowledge，but also the chance for students to explore their innovative thinking to design and test innovative open experiments.

teaching experimental platform；auditory nerve compound action potential；tuningcurves

TP302；G434

A

1002－4956（2014）1－0114－03

2013－06－15

清华大学“985工程”教材建设项目；国家自然科学基金项目（61271133）；教育部博导基金项目（20120002110054）

宫琴（1968—），女，山东文登，博士，副教授，博士生导师，长期从事生物医学工程教学与科研工作.

E－mail：gongqin＠mail.tsinghua.edu.cn