0 引言

    聽覺誘發(fā)電位(Auditory Evoked Potential,，AEP)是聽覺系統(tǒng)收到特定的聲音后,，中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的與外界刺激相關(guān)的生物電變化^[1]，按潛伏期分為聽性腦干反應(yīng)(Auditory Brainstem Response，ABR),、中潛伏期反應(yīng)(Middle Latency Response,，MLR)和晚潛伏期反應(yīng)(Late Latency Response，LLR),。聽覺誘發(fā)電位是研究聽覺疾病的重要手段,，在臨床有廣泛應(yīng)用，采用常規(guī)刺激率誘發(fā)的聽性腦干反應(yīng)可用于聽力篩查,、聽閾評估,、聽神經(jīng)和腦干病變及神經(jīng)性耳聾診斷等方面^[2]。目前,，AEP的臨床應(yīng)用還處于研究階段,，有些新的AEP檢測和分析方法對常規(guī)設(shè)備的刺激方案和數(shù)據(jù)提取處理算法提出了更高和更多的要求^[2-3]，因此,，方便可靠的檢測設(shè)備是必須的,。傳統(tǒng)聽覺誘發(fā)電位儀，采用封閉式設(shè)計的專門電路,，價格昂貴且體積龐大,、新技術(shù)應(yīng)用落后。目前高性能的計算機(jī)聲卡是一種聲學(xué)指標(biāo)優(yōu)異的模擬輸入輸出接口,，其各項指標(biāo)完全可以滿足AEP檢測中刺激聲音的輸出功能,。而聲卡的輸入端口的帶寬可達(dá)240 MHz，滿足常規(guī)AEP的帶寬要求^[1],。

    利用高性能聲卡的上述特性,，本文設(shè)計一種基于USB聲卡的便攜式聽覺誘發(fā)電位檢測系統(tǒng)，以計算機(jī)作為主要工作平臺,，利用USB多媒體聲卡來完成聲音發(fā)放和數(shù)據(jù)采集的功能,，同時利用多余的輸入輸出通道實現(xiàn)刺激和采集同步信息的獲取,；并配合輸入端口的技術(shù)指標(biāo),，設(shè)計了一個信號預(yù)處理模塊實現(xiàn)和腦電電極的阻抗匹配和模擬放大。上位機(jī)程序設(shè)計可實現(xiàn)USB聲卡的控制,，完成不同刺激模式下AEP的采集,。本系統(tǒng)具有操作方便、刺激模式靈活,、便攜性,、低功耗及低成本的優(yōu)點。

1 系統(tǒng)設(shè)計

    本檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,，主要由USB聲卡,、預(yù)處理電路,、耳機(jī)和電極、電源電路及便攜式計算機(jī)等部分構(gòu)成,。本系統(tǒng)以便攜式計算機(jī)作為主要工作平臺,，以外置USB聲卡作為數(shù)據(jù)采集工具；以耳機(jī)及電極作為傳感器,，通過Windows操作系統(tǒng)下編程實現(xiàn)對USB聲卡的控制,，實現(xiàn)同步的刺激聲發(fā)放和AEP數(shù)據(jù)采集，配合上位機(jī)程序完成AEP的處理分析,、結(jié)果顯示及數(shù)據(jù)管理,。

2 硬件平臺設(shè)計

2.1 USB聲卡

    本系統(tǒng)采用創(chuàng)新Sound Blaster的USB多媒體聲卡替代傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的功能，實現(xiàn)信號的D/A及A/D轉(zhuǎn)換,，充分提高便攜性,。本聲卡具有24 bit高采樣精度、96 kHz高采樣率及高共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio,，CMRR）等特點,，利用聲卡LineOut端口完成對音頻數(shù)字信號的D/A轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)刺激聲發(fā)放,；利用聲卡LineIn端口完成對AEP信號的A/D轉(zhuǎn)換,，實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)采集。聲卡具有體積小巧,、低功耗,、噪聲低、可移植性強(qiáng)等性能,。此外,，該聲卡基于USB傳輸協(xié)議與便攜式計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，全雙工工作方式滿足了實際AEP檢測中刺激聲發(fā)放和AEP數(shù)據(jù)采集同步進(jìn)行要求,。

    聽覺誘發(fā)電位是幅度為μV級的微弱信號,，而幅度一般為幾十至幾百mV的背景噪聲干擾遠(yuǎn)比AEP要大，AEP則易被這些噪聲所淹沒^[4],，因此需要用鎖相疊加平均算法處理AEP,，提高其信噪比并提取出有效的AEP成分,。因為AEP在聲音刺激后的固定時間內(nèi),，具有鎖相保持和極性不變的特性，噪聲干擾信號則無此特性^[5],。因此,，AEP檢測要求刺激聲發(fā)放和信號采集的同步進(jìn)行，并記錄同步標(biāo)記位,，即刺激聲的起始位置,，用于信號鎖相分段的疊加平均算法,。如圖2所示，本聲卡具有雙LineIn和LineOut端口的特點,，利用高性能屏蔽線把USB聲卡的LineOut1和LineIn2連接,，通過回采的形式把所發(fā)放的刺激聲記錄下來，作為同步標(biāo)記信號,，用于疊加平均算法時AEP數(shù)據(jù)的鎖相分段,。

2.2 預(yù)處理電路

    為了更好地提取出聽覺誘發(fā)電位信號，從電極引出的AEP先經(jīng)過預(yù)處理電路調(diào)理后,，再傳入USB聲卡的LineIn1端口中,，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，完成AEP的數(shù)據(jù)采集,。本系統(tǒng)的預(yù)處理電路如圖3所示,，由初級放大部分、右腿驅(qū)動部分,、帶通濾波部分及后級放大部分構(gòu)成,。預(yù)處理電路提供高輸入阻抗和高共模抑制比，實現(xiàn)了32 500倍的放大,、100 Hz～3 500 Hz的帶通濾波,，從而提高AEP的信噪比。

    (1)初級放大部分

    鑒于AEP強(qiáng)度十分微弱,，常淹沒在強(qiáng)共模噪聲干擾中,，因此初級放大電路需要有高輸入阻抗、高CMRR及低噪聲的性能,。本部分采用TI的低功耗儀表放大器INA129作為初級放大主芯片A1,，其具有10 GΩ高輸入阻抗，130 dB高共模抑制比及低噪聲等優(yōu)點,，有利于消除共模干擾,。如圖3左上部分所示，INA129差分輸入的正負(fù)端分別作為記錄電極ACT和參考電極REF的輸入通道,，腦電信號首先經(jīng)過鉗位保護(hù)電路和低通濾波電路,，保護(hù)電路利用二極管單向?qū)ㄌ匦裕瑢崿F(xiàn)限幅效果,，防止過高的輸入電壓,。低通濾波電路用于實現(xiàn)信號采集的抗混疊，并消除電路的高頻噪聲,。經(jīng)過限幅和濾波處理的信號就送至INA129進(jìn)行差分放大,，根據(jù)芯片增益公式G=1+49.4 kΩ/RG，RG為2個1 kΩ高精度電阻串聯(lián)組成,，初級放大增益約為26倍,。

   (2)右腿驅(qū)動部分

    在強(qiáng)背景噪聲干擾下,，微弱AEP極難被提取出來，此時需要電生理信號采集常用右腿驅(qū)動技術(shù),。右腿驅(qū)動技術(shù)可以減弱人體的共模信號,，提高系統(tǒng)的共模抑制比，從而提高AEP的信噪比,。如圖3左下部分所示,，利用2個高精度2 kΩ電阻組成的平均網(wǎng)絡(luò)把記錄電極和參考電極上的共模電壓檢出，疊加后經(jīng)過由運放OPA227組成的反向跟隨器A2和GND電極反饋到人體頭部,，跟人體中原來的共模電壓相抵消,，形成共模電壓負(fù)反饋電路，從而減少記錄電極及參考電極上共模信號的輸入^[6],，提高系統(tǒng)的共模抑制比和利于提取AEP成分,。

    (3)帶通濾波部分

    經(jīng)過初級放大后，腦電信號除了含有AEP外,，還包括有低頻人體運動噪聲,、工頻噪聲及高頻電路噪聲，因此需要采用濾波抑制這些噪聲成分,。根據(jù)AEP有效成分頻帶為100 Hz～3 500 Hz^[1],，本部分采用一塊雙運放芯片OPA2227(，130 dB CMRR)構(gòu)建二階Sallen-

Key帶通濾波,。通過設(shè)置運放OPA2227外圍電阻電容值(如圖3中間所示),，使帶通濾波范圍約為100 Hz～3 500 Hz，有效地濾除噪聲,。

    (4)后級放大部分

    后級放大部分采用一塊OPA2227芯片構(gòu)成兩級放大,，放大倍數(shù)分別為25倍和50倍。結(jié)合初級部分的26倍增益,，讓預(yù)處理電路的增益約為32 500倍,，幅度為微伏級的AEP經(jīng)過預(yù)處理電路放大后變?yōu)榉丶壓筝斎肼暱↙ineIn1端口。調(diào)理后的腦電信號達(dá)到聲卡LineIn輸入端口的技術(shù)指標(biāo),，讓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后AEP的數(shù)字量可進(jìn)行更優(yōu)的數(shù)字信號處理,。

2.3 筆記本計算機(jī)

    筆記本計算機(jī)是整個AEP檢測系統(tǒng)的控制終端，通過運行內(nèi)設(shè)的上位機(jī)程序,，可實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能,。上位機(jī)程序以Visual C#平臺編寫，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各個部分的工作,，包括USB聲卡通信,、刺激聲發(fā)放及AEP數(shù)據(jù)采集,、信號處理分析及結(jié)果顯示,、相關(guān)的數(shù)據(jù)管理等功能,。

2.4 電源電路

    本系統(tǒng)采用浮置電源形式設(shè)計供電電源，直接采用便攜式計算機(jī)USB接口供電,。計算機(jī)USB接口提供5 V,、500 mA電能輸出，滿足預(yù)處理電路的功耗≤1 W的低功耗要求,。利用DC-DC升壓電源電路將USB接口+5 V轉(zhuǎn)換成預(yù)處理電路所需的±9 V電壓,，避免了使用電池供電時間短、電壓轉(zhuǎn)換電路龐大等問題,，并可減少整個系統(tǒng)中工頻噪聲干擾,，從而提高系統(tǒng)的共模抑制比。

3 軟件平臺設(shè)計

    為了增加系統(tǒng)軟件的可移植性和可靠性,，本系統(tǒng)軟件選用Window 7操作系統(tǒng)和Visual C#作為編程開發(fā)平臺,，采用多線程控制技術(shù)實現(xiàn)對USB聲卡的控制，達(dá)到AEP檢測分析及結(jié)果顯示的效果,。從功能上看：系統(tǒng)軟件分為檔案建立,、聲音刺激產(chǎn)生、AEP數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)存儲,、數(shù)據(jù)處理及界面顯示6個部分。上位機(jī)界面圖如圖4所示,，主要包含聲卡通信模塊,、信號檢測模塊及數(shù)據(jù)管理模塊。

3.1 聲卡通信模塊

    聲卡通信模塊,，負(fù)責(zé)完成上位機(jī)與聲卡間通信,。利用微軟公司提供的Windows Media Player和DirectSound多媒體組件，結(jié)合USB全雙工工作模式,，實現(xiàn)同步刺激聲發(fā)放和腦電信號信號采集,。

3.2 信號檢測模塊

    信號檢測模塊，其中含有ABR檢測模塊,、MLR檢測模塊和LLR檢測模塊,。三個模塊能完成不同刺激模式設(shè)置，包括聲強(qiáng),、刺激聲頻率,、數(shù)字濾波范圍、偽跡上限,、刺激次數(shù)等參數(shù),，并能進(jìn)行疊加平均算法，實現(xiàn)AEP成分提取和AEP的檢測結(jié)果顯示,。

3.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

    數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)建立受試者信息檔案,，可保存受試者信息,、刺激模式、原始聽覺誘發(fā)電位信號數(shù)據(jù)和檢測結(jié)果,，并可實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的打印,。

4 ABR檢測實驗

    對本檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果進(jìn)行了準(zhǔn)確性、穩(wěn)定可重復(fù)性及相關(guān)性的驗證,。ABR作為AEP中最弱成分,，幅度約為0.5～1 μV，并且其采樣率是AEP檢測中要求最高的,，因此ABR是AEP中較難檢測的成分^[1],。本文設(shè)計了一個常規(guī)ABR檢測實驗，在本系統(tǒng)下對同一受試者重復(fù)進(jìn)行兩次常規(guī)ABR記錄,。本ABR檢測中使用長度為51.2 ms的Click刺激聲,，采樣率為20 kHz及刺激次數(shù)為1 200，另外,，電極安置及實驗操作等要求均按照常規(guī)ABR檢測實驗的要求^[1],。ABR是發(fā)生在刺激開始后10 ms潛伏期內(nèi)的反應(yīng)，包括3-7個反應(yīng)波,，依次標(biāo)記為Ⅰ,、Ⅱ、Ⅲ,、Ⅳ,、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ波,，其中,，Ⅰ、Ⅲ及Ⅴ波出現(xiàn)率較高^[7],。上位機(jī)保存的ABR原始數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB 2013b軟件重新畫圖,，圖5為兩次記錄的ABR波形。由圖5可看出,，兩次ABR的結(jié)果相似性非常好,，并成功引出Ⅰ、Ⅲ及Ⅴ波,，這證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。表1為同一受試者在美國NeuroScan公司的SynAmps2儀器和本系統(tǒng)記錄ABR的結(jié)果對比。受試者用本檢測系統(tǒng)測得的結(jié)果和SynAmps2儀器得到的結(jié)果非常一致,，而且這一正常受試者的數(shù)據(jù)與臨床所給出的正常人的數(shù)據(jù)完全吻合^[8],。因此證明了本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定可重復(fù)性。

5 結(jié)論

    本文所提出的基于USB多媒體聲卡的便攜式聽覺誘發(fā)電位檢測系統(tǒng)，在基于Windows 7操作系統(tǒng)和Visual C#軟件平臺上,，編程控制USB聲卡同步完成刺激聲發(fā)放和AEP數(shù)據(jù)采集的同步進(jìn)行,，實現(xiàn)AEP的可靠性檢測。經(jīng)ABR檢測結(jié)果證明,，本系統(tǒng)不但滿足AEP信號檢測的要求,，并且具有便攜性高,、低功耗,、低成本、低噪聲及抗干擾強(qiáng)的特點,，為促進(jìn)AEP臨床上基礎(chǔ)科研提供一種操作方便,、刺激模式靈活、可靠的便攜式多功能檢測途徑,。

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