瞬态诱发耳声发射信号特性的研究

瞬态诱发耳声发射信号特性的研究 上海交通大学 博士后士学位论文 瞬态诱发耳声发射信号特性的研究 姓名:柴新禹 申请学位级别:博士后士 专业:生物医学工程 指导教师:庄天戈 2001.1.1瞬态诱发耳声发射信号特性的研究 摘要 本课题为国家自然科学基金资助项目和中国博士后基金项目。 耳声发射是人体重要的生理声信号之一,也是目前耳科学及现代听生理声学领域 研究的热点课题。深入认识耳声发射的产生机制和传播机理、研究耳声发射与内耳的 生理、病理之间的关系,一直是现代听生理学研究领域中的热点和难点本文中,通 过应用时频分析、小波变换、分形等理论与方法,对耳声发射进行了深入系统的研究, 旨在探索列耳声发射信号新的处理方法,提取新的特征与信息,探讨耳声发 射与内耳 的生理、病理之间的定量关系。 论文的主要工作在于: 第一章综述了耳声发射的研究与临床应用的进展,并提出了在临床应用中存在的 。 问题。 第二章建立了瞬态诱发耳声发射测量系统,并详细地介绍了试验原理及试验方法。 第三章综述了广义时频分析方法,详细分析了各类方法的特点。 第四章分别计算了仿真的瞬态诱发耳声发射信号的分布及其改进型分布, 通过对计算结果的分析,得到锥型核分布与复合核分布比较适合计算瞬态诱发耳声发 射的时频分布。/计算了来自正常人耳的短声诱发和短纯音诱发耳声发射锥型核分布, 描述了它们各自时频分布的特点和规律,分析了两者之间的相互关系,并得到了一些 重要的结论。、 第五章以短声诱发耳声发射为研究对象,分别计算了不同个体之间、同一个体左、 右耳之间以及同一耳在不同刺激强度下所诱发耳声发射之间的相关系数,三种情况下 、 的相关系数平均值分别为 和 。/利用计算机和相应计算软件计算了来自 具有正常听力左右耳短声诱发耳声发射的锥型核分布,讨论和分析了它们的时频分布 特点及相互关系,得出了具有正常听力人左右耳短声诱发耳声发射的波形、主要频率 成分和持续时间具有相似性等结论。 第六章小波变换具有“电子显微镜”的特性,与人类对听觉信息的加工特点相一 致。通过对仿真的瞬态诱发耳声发射信号进行小波变换,比较了两类不同基本小波的 时间尺度分辨率,出了适合于分析瞬态诱发耳声发射信号的最优小波基,进而采 用该小波基得出了在不同尺度下耳声发射潜伏期与小波变换尺度之间基本呈线性关系 这一结论。耳声发射是耳蜗非线性动力学机制作用的结果,利用分形理论,通过基于 数学形态学的分形维数计算方法对瞬态诱发耳声发射信号进行了分析,结果表明该信 号具有分形特性。 本研究有如下创新之处: .首次全面系统地计算了仿真的及其改进型分布,得出了比 较适合计算时频分布的结论。进而计算了两类的时频分布,描述了 它们时频分布的特点和规律,得到了一些重要结论。 .首次通过计算短声诱发耳声发射的锥型核分布,讨论和分析了同一个体左 右耳的耳 声发射的特点及相互关系,得出了波形、主要频率成分具有相似性结论。 ?首次采用分形理论并基于数学形态学的分形维数计算方法对耳声发射信号 进行了分 析,结果表明瞬态诱发耳声发射信号具有较好的分形特性。 关键词:耳声发射,信号处理,小波变换,分形,时频分析??????】』? ?,, , , . . . , , ,?、. .? ? ? ? 厅 】, ,币.. 、 . . ,. ? , 】“ , ”、 ,, 、 唱 : . , .. ?, 、,. . ,,? :, , 上海交通大学博士后研究工作 黪瓣鬻 蕊溅瑟? 糕 麟 .引言 现代医学很早就认识到人体感受器可将各种外界刺激如冷、热、触压、声、 光、 电、化学等转化为电生理现象一神经冲动,神经冲动经特定通路传至大脑皮 层响应区 域即引起各种感觉痛、温、触、压、视、听、味、嗅等。耳科学一直认为耳 蜗是机 械/生物电换能器,“被动”地对外界声刺激发生反应,将经过外耳、中耳滤波处理过 的声刺激振动能量转换为生物电能,形成神经冲动沿听觉传导径路向中枢传导,投射到 颞叶听皮层,引起听觉。这里的“被动”是指耳蜗仅负责将振动机械过程转化为有一定 对应关系的神经放电现象,而未通过耗能的生理活动作用于转化前的机械过程,使之发 生变化。然而,耳科学也同时注意到了人类听觉的惊人效率。在频率,人耳可 以听到引起鼓膜振动幅度仅相当质子直径大小的声音,可分辨出相差不到的两个音 调,可接受相差/万倍的声音。听觉这样高的灵敏度,这样精细的分辨率和 如此之大动态范围,一直是听生理学的研究对象。该领域的注意力曾主要集中在中枢听 觉生理上,希望从神经活动中找到听觉高效率的机理。然而,听觉神经活动主要是听觉 信息的二次加工过程,其最终结果无疑要受到初始信号机械振动的过程的影响。因 此,有些学者联想到听觉的高效性仅靠一个“被动”工作的转换器一耳蜗提供初始信号 似乎是无法完成的,于是一些耳科学工作者把注意力又转向曾被认为已经研究很透彻的 耳蜗。 早在年前,首次从理论上提出耳蜗内可能存在一个耗能的主动生理 机械过程,这~过程有助于使耳蜗调谐变得更加精细?。年通过实验提出 了耳蜗基底膜振动的行波学说。该学说指出了不同频率的振动在基底膜上有各自相应的 调谐点,即耳蜗内存在着机械调谐过程。尽管这一机制十分粗糙,但它毕竟使人们认识 到耳蜗内的活动不仅仅是一个简单的换能过程,在机械运动的水平上己开始了对听觉信 号的加工。年报告了基底膜运动的非线性特点。由于理论上实验中 使用的声刺激强度不会引起一个被动系统产生非线性反应,故其观察到的耳蜗的非线性 反应意味着其活动中有被动机制以外的其他机制的参与,较清楚地提示其运动并非一简 单的被动过程。这些发现使对耳蜗的研究逐步深入,但由于当时科技水平及实验手段所 限,未能为耳蜗内存在主动活动提供直接的证据。 年,基于在基底膜机械阻抗“不均匀”时行波能量会折返,经中耳回到外耳的 设想,英国学者用耳机/微音器组合探头,人外耳道声场在受到刺激后的变 化情况”’。使用短声作为瞬态声刺激信号,所记录到的耳道声场信号中除迅速衰 减的刺激信号外,还有一延迟数毫秒才出现,持续十余毫秒以上的音频信号,在排除了 其他可能之后,认为这一信号是由耳蜗耗能的主动活动所产生,早期称之为第一章绪论 ,。由于耳声发射是一种机 回声,现在一般称为耳声发射 械能量的发射或称‘‘世露”,而从其强度和潜伏期来看,这一机械能量显然不是来 源于刺激信号,因而它一定是来自耳蜗内部的一个耗能过程。耳声发射的发现为耳蜗内 的主动机制的存在提供了直接证据,从而促使刘耳蜗功能的认识发生了根本性变化,为 听生理研究提供了全新的概念和研究方向。它的发现是现代昕生理学的重要突破之一, 已引起众多耳科学者的重视。 世界声学界的权威刊物“美国声学学报” 年把耳声发射列为声学研究中最值得报道的新进展之一”。一般认为耳声发射和听 觉诱发响应将成为临床上测试听力的两项最基本的、无损且客观的手段,前者用于评价 外周听觉系统,后者主要用于评价听觉神经通路。 .. 声发射的产生机制 自从被首次发现以来,它的产生机理一致是人们研究的重点。各国学者对此 观点并不?致,大致有以下几种: 早期研究认为,耳蜗内的基底膜可由于很多原因而导致其机械阻抗在某些部位 “不均匀”,当行波通过时,部分能量可由该处发生折返,逆向传向镫骨底板,经听骨 链、鼓膜传入外耳道。形成耳声发射。造成基底膜机械阻抗“不均匀”的原因很多,可 以是解剖上的,也可以是功能上的,这种观点有一定的相位上或潜伏期上的证据”‘“。 后来研究认为,在耳蜗的柯替氏器 内,更确切说是外毛细胞 . ,,存在一种主动机械活动,能够利用新陈代谢产生的能量产生微小 振动,增强了声刺激引起的耳蜗相应结构的振动,从而提高了听觉灵敏度和频率分辨 率;同时,还有一部分能量逆向传向镫骨底板,经听骨链、鼓膜传入外耳道,形成耳声 发剿?。 :还有的究认为,是外毛细胞的非线性生物机构放大过程的一种能量泄 漏。在耳蜗的柯替氏器内有听觉感音细胞:内毛细胞和外毛细胞。内毛细胞有大量的传 入神经支配,因而主观感受;外毛细胞有很少的传入神经,但有大量的传出神 经支配, 因而提示了外毛细胞更具有运动的功能,即电动性。离体实验表明,对外 毛细胞施加一个音频的刺激电位,会引起其长度的变化,因而认为虽然细节还不十分 清除,外毛细胞的主要功能是感受生物电位并引起长度的变化,增强了声刺激引发的 基底膜运动,因而也增强了声音对内毛细胞的刺激。外毛细胞的这种活动似乎对低刺激 声有更大的影响。因此,外毛细胞可认为是一种生物力学的放大器,极大地提高了听觉 的动态范围。若外毛细胞电动性降低,将导致听力的损失,同时也将导致幅度的 降低或消失”’?。 . 前,对耳声发射产生机理的研究还处于探索阶段,上述观点分别从不同的角度对 其进行’探讨。虽然还未最后定论,但基本上一致认为,是由耳蜗外毛细胞产生 的,赢接反映了耳蜗外毛细胞的功能状态,外毛细胞的损伤会导致幅度的下降或 上海交通大学博士后研究工作报告 消失。至于耳声发射的内耳的产生过程以及受神经支配的情况,尚不明确。 随着对 产生机理的进一步揭示,也必然会推动临床应用的发展。 ..耳声发射的临床应用 耳声发射的发现,对基础医学和临床医学都具有重要意义。在听觉生理研究、听觉 疾病诊断以及新生儿听力筛选等方面具有广阔的应用前景。 一、听觉生理研究 耳声发射使人们认识到耳蜗不仅具有被动地感受声刺激产生听觉功能,同时还存在 着主动释能过程,从而对听觉产生的生理过程提出了新的观点,并尝试把它同听觉的高 度灵敏性、良好的频率分辨力及超常的动态范围联系起来。相信随着对耳声发射的深入 研究和进一步的认识,耳声发射作为一种新途径、新线索对听觉生理的进一步研究将提 供新的思路与手段。 二、听觉疾病诊断 由于耳声发射直接反映了耳蜗外毛细胞的功能状态,对多种听力损伤因素较为敏 感,同时具有检测客观、快速、无损等特点,因此研究耳声发射对建立新的诊断听觉疾 病的方法具有重要意义。主要有以下几个方面: 内耳功能检测:很多听力损失是由于直接损伤了外毛细胞,或是损伤了对外 毛细胞正常功能所依赖的内耳的其他部分,使外毛细胞的电动性降低,进而导致了耳声 发射的降低或消失,因而耳声发射与耳蜗的功能状态密切相关。耳声发射的存在说明了 作为神经前感受器的耳蜗能够以正常的方式感受声音的刺激,耳声发射的降低或消失则 表明耳蜗功能的异常,因此耳声发射提供了快速无损地检测耳蜗功能状态的手段““。在 对外毛细胞可能产生损害的场合,耳声发射可以作为一种监护手段,监测损害是否发生 以及损害程度。需要进行监护的人员通常有以下几种: 急救情况下施用了耳毒性药物的病人。由于耳毒性药物损伤的主要是耳蜗内的 外毛细胞”,因此通过耳声发射能够及时了解施用药物后外毛细胞的情况,可避免药物 对其产生不可恢复的损害。 正在进行听神经肿瘤切除的病人。由于耳声发射是受听传出神经控制的,因此 通过耳声发射来及时了解听神经状况,以避免在肿瘤切除的同时损伤听神经。 工作在强噪声环境下的特殊职业的人。由于强噪声损害的主要是耳蜗中的毛 细 胞,因此通过耳声发射可及时了解噪声对毛细胞的影响,以便及时采取措施,避免由于 强噪声而引起耳聋。 蜗后病变检测:耳声发射检测可能有助于蜗后病变的鉴别诊断。如果某种听 力损伤没有导致耳声发射的降低或消失,可能是由于蜗后病变引起的。另外,由于对侧 声刺激能导致耳声发射幅度的降低和相位的改变,这种影响被认为受传出神经控制,因 而检测这种控制作用的有无可用来检查神经通路的完整性。因此,耳声发射可为蜗后病 变的鉴别诊断提供一定的参考信息?。 / 第一章绪论 客观听力检测:耳声发射有助于对听闽进行推断。随着听力损失的严重,耳 般情况,当主观听闽火二~时,耳声发射基本 声发射幅值随之降低““。 ,便可以记录到耳声发射,因此耳声发射有助 消失,、刍』观听闽等或小于 于对听闽进行推断”。 另外,耳声发射还可用来判断病耳的矿常听力区域”“。耳声发剩信号的频率分布与 ’ 听力图中正常与力损失的频率范?有一定的关系,在听力正常的频率区域,耳声 发射可由短刺激声很好地诱发,对听力损失的频率区域,耳声发射也随之消失,因而可 来判断病耳的听力状况。 耳卢发射在临床诊断方面具有很广阔的前景,但目前仍处于探索阶段,要真正应用 到实际临床中,还需要大量及深入的研究:【作。 三、新生儿听力筛选 新生儿听力筛选是耳声发射最重要且最具有前景的临床应用。由于大多数的先天性 耳聋足由于外毛细胞异常引起的,因而耳声发射可以用来进行听力筛选。由于测量听觉 脑干诱发电位方法时间长且费用高,而行为测听法假阳性率较高,因此一般可 先进行耳声发射初筛,对那些初筛时怀疑耳聋的新生儿再进行检查“。 在美国及欧洲的一些国家耳声发射作为新生儿听力筛选的手段已经应用于临床检查。 .耳声发射的定义、分类及特点 ’ ..耳声发射的定义 寸耳声发射做了如下定义:耳声发射是一种产生于耳蜗,经听骨链及鼓 膜传导释放入外耳道的音频能量。 耳声发射以机械振动的形式起源于耳蜗。经大量研究,目前多数学者认为这种振动 能量来自外毛细胞,其活动通过种种联系使基底膜发生各种形式的振动。这种振 动在内耳淋巴中以压力变化的形式传导,并通过卵同窗推动听骨链及鼓膜振动,并最终 引起外耳道内空气振动,实际是声音传入内耳的逆过程。由于这~振动的频率多在数百 到数千赫兹之问,属声频范围,一,因而称之为耳声发射。顾名思义,即是 有内耳发小的声音,其实质是耳蜗内能量经声音传入内耳的逆过程以空气振动声音的 形式释放出来。 ..耳声发射的分类 耳声发射以根据刺激声的有无分为自发耳声发射 ,和诱发耳声发射 ,。诱发耳声发射根, 据刺激声的不同,又可分为瞬态诱发耳声发射’ ,、畸变 、刺激频率耳声发射? 产物耳声发射? ,电诱发耳声发射。 .自发耳声发射 上海交通大学博士后研究工作报告 是指不需要任何刺激信号便可在外耳道记录到的。多为纯音形 式‘“,强度一般是~,最大不超过”。听力正常者的检出率有 %%的不同报道?““。健康婴儿的检出率与成人的检出率相差不多,但 女性的检出率比男性要高,人右耳的检出率比左耳也要高““。 由于目前在健康人耳的检出率达不到%,使其临床应用受到限制。 .瞬态诱发耳声发射 是以短声 , .或短纯音? 诱发的。由探头中的微型刺激麦克风发出的刺激信号及伪迹约在电脉冲 信号结束~内衰减完毕,约从第秒开始,便可记录到由耳蜗经过中耳发射到 外耳道中的,因此也有人称为“延迟””。由于与刺激信 号及伪迹在时间上基本是分离的但仍有重叠部分,因而可用相干平均的方法 把 提取出来。 的闽值一般低于主观听阈~,强度多数不超过。低刺激强 ~ 度时幅度随刺激强度的增加几乎呈现出线性增长,平均增长率为 /,当刺激强度达~时,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。的幅度随刺激强度的增长率是高度依 赖 于频率的“’“。不同频率的其潜伏期是不一样的,总是高频在先,低 频在后?“。 的频率成分与刺激声的形式有很大关系”。耳蜗对频率差别较大的两个纯 音构成的复合刺激能进行线性的响应,而当两个频率差别不大时则会产生非 线性响应, 这就是的频率特异性““,由于短声与短纯音的频率组成不同,由两种刺激声 诱发 的频率成分也是不同的。 刺激声强度对的波形和幅度也有一定的影响“““,高刺激强度时可以得到 更宽的频率范围,随着刺激强度的降低,的能量越来越窄地集中到几个接 近的频率上。因此,用较高刺激强度可以得到耳蜗更全面的信息,但也相应地 增加了刺激伪迹的强度与持续时间。 在健康人耳的检出率有不同的报道,但在适当的刺激下可获得%的检 出率,因而是研究最早且研究最多的一种。 .畸变产物耳声发射 是用两个具有一定频率比关系的初始纯音厶与五同时刺激耳蜗所诱发的 。与五可以是连续的,也可以是具有长延时的纯音脉冲一般为,因 而与刺激声在时域中是叠加的,但在频域中两者的频率是分离的,可以用窄 带滤波器将提取出来”。的存在表明了耳蜗的主动机制是一种非线性 的过程。 包含多个发射频率,比如强喝、 五嵋等,其中以毵喝出现,。,,,。,』薹三二耋,童坠』垒,,。,,,。,,。,,。。。,。,,, 一 率最稳定,强度最高,目前在临床应用中也仅仅使用这个频率”。。 幅值一般比刺激强度低,但的幅值受很多因素影响,包 ~ 括两个刺激声信号的强度、频率、强度差值及频率比等。研究表明,,以的值为 时可得到在中频~的最大幅值,对于低频的则需要大 或相对强一些的刺激。的刺激强度比五的刺激强度高 一些的频率比易仍或更多州‘,的幅值最火”。 .刺激频率耳声发射 是由一个连续纯音诱发的。它的产生是由于刺激纯音连续刺激而引 发了耳蜗在刺激频率上的连续再发射。由于与刺激纯音在时域.频域上都是重 叠的,因此要把低强度的从强刺激声中分离出来需要比较复杂的手段,比提取 与在技术上更加困难,花费时间更长,因而对的研究相对少 得多。 显示了与相似的特点,如的强度也非常低,阈值要比听 闽低,可在很强的频率上探测到,在感音神经听力损失的频率段幅度降低或消 失等,因而认为与有相似的产生机理,对听力损失的检测可能提供 了同样的信息。 由于的检测复杂、费时,还未应用到耳蜗功能的临床测试中?。 .耳声发射的信号处理及其存在的问题 目前,虽然临床上已开始应用,但其在信号处理技术方面还比较薄弱,目前 采用的处理技术和存在的主要问题如下: ..噪声的去除 测量中噪声可分为两类:一类是白噪声,另~类是非白噪声。白噪声是测量 系统所固有的。非白噪声根据其频率特点又可分为两种:一种是高频噪声,它是由传感 器本身所引起的;另一种是低频噪声,如测量仪器如计算机的电源风扇的散热风扇 的翁翁声,室内的空调器声,测量者和被测量者的呼吸声及咳嗽声,身体移动声,谈话 声,婴儿突然的哭声及报警声等”。对于噪声,目前所采用的抑制方法主要有三种: 、相干平均:不同种类的所需的平均次数不同,如仅需十几次, 需要三十多次,而则需要上千次。。相干平均技术最突出的优点是简 便易行。但为了达到一定的信噪比,需要对大量的样本进行平均,这就需要有较长的测 量时间,因而具有?定的局限性。 、阈值截取法:该方法的基本思想是对一个新样本,先估计它的信噪比。若其信 噪比过低,则放弃该样本,重新进行采样;否则则对其进行下面的处理。该方法的核心 问题及难点是闽值的选取,阈值过高可能会丢掉有价值的样本,过低则起不 到抑制噪声 的作熠。它的优点是可以在很大程度上提高信噪比因为丢掉了低信噪比的样本,它 上海交通大学博士后研究工作报告 的缺点是需要较长的时间才能获得一定数量的满足信噪比要求的样本。 、带通滤波法:这是一种传统的处理方法,它的基本思想是信号与噪声具有不同 的频带,因此通过去除噪声所对应的频率成分,即可达到保留有用信号的同时又将噪声 抑制的目的。该方法的显著优点是简便可行,而其缺点是由于信号和噪声的频带往往有 交迭部分,因而会引起信号的失真。 由于信号较弱,很容易被淹没在噪声中,因此噪声的抑制一直是测量 中的很重要但又非常棘手的问题。如果能将现代信号处理方法如自适应滤波、匹配滤波 等应用于信息的处理,可能会收到很好的效果。 ..伪迹的消除 伪迹是指在测量时,外耳道及中耳对刺激声直接反射的回声信号。目前 常用的伪迹去除方法有两种: 、时域加窗法:从刺激开始算起约经过的时间伪迹就可基本消失,而 有~的潜伏期“。由于从刺激开始算起~.主要是伪迹成分,常常把这段时 域内的信号置零;而 ~.时域内为与伪迹共存区域,随着时间的增加, 伪迹成分逐渐减少而的成分逐渐增多;在.~时段主要是信 ““或 号,因此时域窗选择为余弦上升/下降的矩形窗,余弦上升/下降时间一般为 .?。该方法的主要优点是能将伪迹很干净地去除,且方法简便,但是中 的部分短潜伏期的成分一般为高频成分也同时被去掉了。 、非线性差分平均:非线性差分平均 有人又称 之为“导出的非线性响应” ,”,其基本原理如下: 把接收波表示成反射波干耳声发射波的迭加: 假设反射波主要是线性成分,它与刺激声强度成正比增加:而在适当 的刺激强度范围内呈饱和特性,它基本不随刺激强度增加而增加,即具有非 线性特点。 因此,把相邻四次刺激记录作为一组,其中前三次刺激强度和极性相同,第四 次则刺激 强度增到三倍,且极性相反,则有: ?,一域 ,尺, /一一 最后取四次记录的累加平均:,去?‖洲, 二 ,】 可见所得结果中刺激伪迹被消除,把所得结果加大一倍便是所要的波形。 方法的突出优点是当刺激声强度较大时,即信号表现为较强的饱和 非线性时,可以有效地去除伪迹。但是,它也存在以下几个缺点:实际的 不仅有非线性成分,还有线性成分。当刺激强度较高使得接近饱和区时,非第一章绪论 线性成分是占主要的,此时该方法效果较好;但当刺激强度较低使得处于非 饱和区时,线性成分是主要的,在此情况下方法是不可行的。与采用相同刺 激的相干平均法相比,方法会使信噪比降低,且经其处理后得到的信号 的幅度会减小“。 各种伪迹的去除方法虽然都能起到一定的作用,但由于它们都在一定程度上对 信号造成了损失,关键原因可能是没能恰当地考虑的非线性特性。非 线性信号处理是近些年来信号处理领域的热点之一,若利用这些方法在恰当地考虑 的非线性特性的前提下对伪迹进行去除,可能会收到一定的效果。 . 测量时问的缩短 测量时间过长是测量时遇到挣令人头疼的问题。由于的持续时间 从刺激开始时算起约才能衰减到,因此为了避免刺激的交叠,相邻刺激间隔需 大于,即刺激率小于。而每测量一次需要对多次响应进行平 均,因此所需的测量时间至少要秒。考虑到信号会受伪迹、肌电及外界环境噪声的 影响,对于那些信噪比过低的样本要丢弃,因此的测量时间平均在~分 钟最长时间可达小时,其中至少要有分钟的时间保持安静。如此长的测量时间, 对儿童尤其是新生儿,是很难坚持的,即便是对于成年人,测量时间过长也是难以忍受 的?。 为了缩短测量时间,目前研究最多的是序列方法。。是“最大长度序列” 的简称。它是一种在很高的刺激频率下刺激间隔诱 发响应的持续时间获得相互交迭的响应,然后通过解卷积求得实际响应的方法。由于 使用该方法束激频率可以很高,因此它能够有效地缩短测量时间。在听觉信息的处理 中,方法很早就被用于听觉脑干响应的提取中,将其用于提取 的研究还是近几年的事?’。 由于对快速声刺激不会产生适应性“?,因而利用方法可以很有效地 缩短测量时间。然而,因为检测到的信号不仅包含有用的成分,而且还有外 耳道对刺激声反射形成的很强的伪迹,序列方法要对相互叠加的信号进行处理, 且这些叠加的不能出现饱和失真,显然要求系统中使用的麦克风、放大电路及/转 换电路有很人的动态范围。在这些方面,目前还存在一些技术上的难题,因而限制了 方法的使用。 测量时间的缩短问题与脑电诱发响应中减少测量次数问题是很类似的,在 测量中有一些较为成熟的方法,如自适应匹配滤波等,若将其用于的处 理,可能会收到一定的效果。 ..信号波形的分析 二『『,剥不同类型信号的分析内容有一些不同。对的分析,一般包 括听力图?、频谱.、潜伏期、增长率 上海交通大学博士后研究工作报告 、即输入/输出功能,简称/功能曲线、检测闽等。对 的分析,一般包括阈值、时域波形显示、潜伏期、频谱分析、相关计算、/功能曲线 等。 信号其波形的最大特点是因人而异,因此目前还未有人专门对其波形直接进 行形态等方面的分析。因为的产生是耳蜗非线性动力学机制作用的结果,这很容 易令人联想到与其密切相关的分形现象。在听觉信息处理方面,有人发现听神经脉冲的 发放形式具有分形特征,因而可以推想受传出神经控制的耳声发射也会表现出分形现 象。将分形理论用于对信号的分析,对的进一步深入研究和理解可能会提 供一定的帮助。 .本文的研究内容 本人在总结前人研究工作的基础上,针对存在的一些问题,在的时频分 析、的特性、仿真信号的小波分析和的分形特性等方面开展 了深入的研究工作。主要工作在以下四个方面: ..瞬态诱发耳声发射的时频分析 、短声诱发耳声发射的时频分析 由宽带刺激如声诱发的耳声发射表明了耳蜗内部沿着基底膜 位置频率分布的“频率散射痕迹”,因而的时频分布特性是和耳蜗机械结构 紧密相关的。特别是,由于耳蜗对短声刺激诱发的响应是来自整个耳蜗的累 积响应,因 此通过对的时频分布的分析能够获得耳蜗功能的一个整体状态。本文首次将 ?的改进型分布即锥型核分布用于计算在不同刺激强度下来自正常 耳朵的时频分布,并分析了其分布的特点,总结了的~些时频分布 规律,得出一些重要的且具有实际应用价值的结论。 、短纯音诱发耳声发射的时频分析 对耳声发射的定量分析依赖于谱方法,由窄带刺激即短纯音刺激诱发的耳声 发射? ,月表明了耳蜗内部基底膜某些位置 频率的分布状况。本文首次使用.的改进型分布即锥型核分布,分别 计算了对具有正常听力入耳在不同刺激强度下中心频率分别为、、 、、和的短纯音诱发耳声发射的时频分布,并分析了其 时频分布特点。 、短声诱发耳声发射与短纯音诱发耳声发射的关系 研究不同类型刺激诱发的之间的相互关系有助于理解它们的产生机理和它 们与其它听觉系统测量的相互关系。研究在不同类型瞬态刺激诱发之间的相互关 系是其重要的组成部分。本文通过对具有正常听力同一只耳朵的和 时频分布的分析、讨论和比较,指出了它们之间的区别与联系,并得出一些重要的结论。第一章绪论 ..瞬态诱发耳声发射的特性研究 、左右耳的研究 耳声发射是人体重要的生理声信号之一,也是现?理声学领域研究的热点课题。 深入认识耳声发射的产生机制和传播机理、研究耳声发射与内耳的生理、病理之间的关 系,一直足现代听生理学研究领域中的热点和难点。本文简要介绍了耳声发射的产生机 ’ 理和分类,并着重论述了短声诱发耳声发射的实验及其提取方法,然后,基于锥型核时 频分布方法利用计算机及相应分析软件计算了来自具有正常听力人左右耳的短声诱发 耳声发射的时频分布。根据试验和计算结果,讨论和分析了它们的时频分布特点及其相 互关系,最后得出了对同一个具有正常听力人左右耳的的波形、主要发射频 率的数目及持续时间具有相似性等一些重要的结论。 、的特性研究 耳声发射是重要的人体生理声信号之一,主要用于听生理研究、听觉疾病诊断和新 生儿听力筛选方面。耳声发射具有很好的长期稳定性,但存在明显的个体差异,为了进 一步研究其统计特性,以瞬态诱发耳声发射为研究对象,分别计算了不同个体之间、同 一个体左耳与右耳之间以及同一只耳在不同刺激强度下所诱发耳声发射之问的相关系 数,得到了不同的统计结果。结果表明:第一种情况下的相关系数平均值为 ,且具 。 态分布;第二种情况下为 ;第三种情况下为 ..瞬态诱发耳声发射仿真信号的小波分析 小波变换具有“电子显微镜”的特性,与人类对听觉信息的加工特点相一致。通过 对仿真的瞬态诱发耳声发射信号进行小波变换,比较了两类不同基本小波的时间尺度分 辨率,总结出了适合于分析瞬态诱发耳声发射信号的最优小波基,进而采用该小波基得 出了在不同尺度下耳声发射潜伏期与小波变换尺度之间基本呈线性关系这 一结论。 ..瞬态诱发耳声发射的分形特性研究 耳卢发射是耳蜗非线性动力学机制作用的结果,利用分形理论,通过基于数学形态 学的分形维数计算方法对瞬态诱发耳声发射信号进行了分析,结果表明该信号具有分形 特性。 论文各章的主要内容安排如下: 第一章综述了耳声发射的研究历史、定义、类型、特点及其研究中存在的一些问题, 并简要介绍了本文的研究内容。 第二章建立了有效地瞬态诱发耳声发射测量系统,该系统准确地测量了短声及短纯 音诱发的耳声发射信号。 第三章详细地介绍了不同类型的时频分析方法的基本概念和计算方法,分析了各种 方法的特点。 第四章通过对仿真的瞬态诱发耳声发射信号的时频分布计算,比较了分布 及其改进型分布的性能差异。应用锥型核分布方法计算了两种瞬态诱发耳声发射的时频 上海交通大学博士后研究工作报告 分布,并描述了它们的分布特点,研究了它们之间的相互关系,得出~些重要 的结论。 第五章以短声诱发耳声发射为研究对象,分别计算了不同个体之间、同一个体左、 右耳之间以及同一耳在不同刺激强度下所诱发耳声发射之间的相关系数。利用计算机和 相应计算软件计算了来自具有正常听力左右耳短声诱发耳声发射的锥型核分布,讨论和 分析了它们的时频分布特点及相互关系。 第六章通过对仿真的瞬态诱发耳声发射信号进行小波变换,比较了两类不同基本小 波的时间尺度分辨率,总结出了适合于分析瞬态诱发耳声发射信号的最优小波基。利用 分形理论,通过基于数学形态学的分形维数计算方法对瞬态诱发耳声发射信号进行了分 析,结果表明该信号具有分形特性。 第七章进行了总结性的讨论。对本文的主要工作进行了总结,指出了今后进一步的 研究方向。 参考文献 : ,, ”,... “ .. . ,., : , ,,...:. , :“ , ,”....,?, 江泗长,石勇兵,中华耳鼻咽喉科杂志;】;.。 ..:“’, , ,.:?, :“ , .”, . ,?, : , 邪;:~】.: , ;?,:口? . : :..:, :..: :.. : ,:.. :, ,一, :,, : , .曲珥?, .,..:一 . ’ . , ;,?. :? ? . ...,?,,: .... ...., ? ‘凡,:, 上海交通大学博士后研究工作报告 第三章~。?’? 一 耳声发射韵检测系统莺实验秀渗 耳声发射 ,提供了快速、无损、客观地检测耳蜗功 能的掰方法,为听觉生理研究、听觉疾病诊断及新生儿听力筛选提供了新的 手段。但是 信号非常微弱,常常淹没在很强的背景噪声中,可靠地提取、识别、分析 信号是其用于临床的前提。 目前,已经商品化或在实验室自行开发使用的检测装置有多种。有的是以信 ..等人 号分析仪为基础的检测系统,有的是基于计算机的检测系统。前者如 的 的检测系统“,后者包括有现已商品化的检测系统,如 公司的产品,以及 及其系列改进产品, 和 等人设计的多数实验室自制检测系统”。由于计算机的普及、价格低、 处理能力强及灵活等特点,使得后一种检测装置具有更大的应用前景。 基于计算机的检测系统也有不同的具体结构,有的直接利用计算机的完成刺 激声的合成和信号的采集“’“;有的是利用插在计算机中总线上的数字信号 处理 板完成工作的”;有的把系统单独安装在一起,通过计算机的并行口打印接口 公司的就是这种工作方 与计算机连接而完成上述工作的,如 的建立了基于计算机的检测系统,该系统 式。本章利用 能够有效地检测瞬态诱发耳声发射,包括短声诱发的耳声发射年纯短 音诱发的耳声发射信号。 .瞬态刺激诱发耳声发射的测量系统 ..测量系统的结构框图 刺激信号 中耳 内耳 听骨链 ?气 《 响应信号 第二章耳声发射的测量系统与测量方法 图. 检测系统框图测量的探头示意图基于计算机的测量系统结构 如图.所示,主要由探头、分析仪、计算机及打印机等组成,而则 由数字信号处理器、刺激信号发生器及信号接收器、电源变换单元及 备用电源单元模块等组成。 ..系统主要单元的性能 探头: 探头是检测系统的传感装置。主要任务是在外耳道给出刺激声并采集由此诱发的 信号。因而探头主要由电一声换能器耳机、扬声器和声~电换能器麦克风、 话筒组成“,其结构如图.所示。对于瞬态诱发耳声发射,是用一个刺激 声短声或纯短音诱发得到的,因此通常用一个微型扬声器和一个微型麦克风即可”。 麦克风应尽量靠近探头的前端,以便更好地采集响应信号。对于给出刺激声的微型扬声 器,可以安装在探头里面“’“,也可以放在探头外面,通过传声导管把刺激声传入外耳 道。 橡皮塞 麦克风 扬声器 图 探头结构示意图 上海交通大学博士后研究工作报告 对探头有一些特殊要求,比如信号非常微弱,通常需要选择低噪声、高灵敏 度的麦克风:探头中的麦克风和扬声器要有一定的频带响应范围,以保证无失真地拾取 信号频率分布一般在 ?和产生刺激声:在麦克风与扬声器之间不能有声、 电的相互干扰。探头中的扬声器由板合成的数字刺激信号经数/模电路转换 及刺激 输出电路输出驱动,麦克风的输出经预处理电路及模/数电路转换后送到板 进行进 ~步处理。 数字信号处理器: 不同的电路虽然有不同的结构,但基本都包括模/数/转换、数/模/转 换、信号处理以及刺激信号的合成等电路。对于/转换,要求有一定的动态范 围, 当检测时,由于刺激声及伪迹与不是同时测量的,一般采用的 /转换即可”。信号经预处理后以采样率经/转换变成 的数 字信号,逐拍交替地分别存入两个数据缓冲器中。 预处理电路: 信号预处理~般包括对信号进行放大、滤波等。放大电路应具有以下特点: 输入阻抗高:对信号的影响小,拾取的信号强; 噪声极低:不淹没极其微弱且信噪比低的耳声发射信号: 共模抑制比高:消除工频及其他干扰; 基线漂移小:使低频下限低而放大倍数高的电路不致饱和; 频带适当:抑制噪声,防止采样混叠。 刺激信号输出电路: 要求刺激信号输出电路应该具备: 输出的刺激信号稳定:防止由于电路自激使得刺激声过大而损伤听力; 线性度好:检测的与刺激强度有准确的对应关系; 噪声低:检测的中不含有输出电路的噪声: 频带适当:能够输出各种频率的短纯音?及短声。 电源变换及备电电路: 电源与其他电路之间要进行隔离,采用?变换技术,以便提高放大电路的 抗干扰能力,减少电源噪声; 采用可充电电池作为备电电源,一方面在交流电断电情况下,能够保留检 测数据和继续进行测试;另一方面如果交流电干扰大的情况下,采用备电方 式能够减少电源噪声。 计算机系统: 它是整个测量系统的中枢,通过总线与系统的单元相连接,它的主要 作用是控制板使其完成一系列的设定操作。计算机采用 /个人计算机,第.二章耳声发劓的测量系统与测量方法 】 寸软驱,? 硬盘, 基木配置为:彩色显示器,内存, 激光打印机。分析仪通过电缆与汁算机的并行口相联。 系统软件: 、分析仪 采 操作系统、 计算机内安装了 采集分析软件主要用 语言等。 集分析软件、 软二、 二控制分析仪进行刺激信号的产生与耳声发射信号的采集、前期处理、储存 和 显示。 软件主要用于列耳声发射信号的后处理,如谱分析、数值计算及绘 语言主要进行广义时频分布计算。 图一维、二维、三维及等高线等。 .测量原理与方法 ..被测试者 被测对象总共为人只耳朵,其中年龄在.岁的大学生有名男生 名,女生名,年龄在?岁的成年人名男名,女名,年龄为岁的女性儿 童名,这些被试者均具有正常听力且无听力疾病史,名岁男童患有耳毒性药 物致 聋。 ..测量方法 测试工作在声屏敲室内进行,被试者坐在舒适的软座椅中,以便保持安静不 发噪声。数据采样率为,位/转换,采样时间,采样长度是点, 带通滤波器的频带是~,低频截至是为了抑制发射声波的直接反射伪迹、环 境及体内噪声,高频截至一方面用于作时抗混迭,同时也用来抑制仪器噪声。 .瞬态诱发耳声发射的测量 瞬态刺激诱发耳声发射是在短促脉冲刺激下诱发出来的,常用的有短声 瞬发耳声发射 .平短纯音诱发耳声发射? ,两种。 .. 的测量 在测量时,刺激短声为不同强度在~ 范围内的声,其 刺激波形如第三章图中顶部所示,测量模式针对不同的研究内容分别采用方 法的“非线性”模式和线性模式两种。为了减小响应中的刺激伪迹成分,响 应的最后数 据均采用 ~的时间窗,取 ~区间的数据。 .. 的测量 . 在测量时,刺激纯短音为个不同中心频率、、、、 、的?音,不同中心频率的刺激波形如第五章中图所示,测量模 式采用方法的‘非线性’模式。为了减小响应中的刺激伪迹成分,响应的最 后数据 上海交通大学博士后研究工作报告 均采用 ~的时间窗,取 ~区间的数据。 参考文献 : , :.、 : ,. , ,, ;?【】 ? ..,?, : , 一, : , 【】?, ,, ..,, .,? ,, , 】, : ,..久. ,,,. , : .? , 上海交通大学博士后研究工作报告 一 第三章 广义隧频分柝方法”。。.一;“ 。 ’一‘ ?’ ??。 .引言 生物医学信号可以定义为源于一个生物系统的那些信号,象心音、耳声发射及一心理 和神经系统的活动等。这些信号通常携带有与生物系统生理和结构状态相关的信息,因 此,它们对这些系统状态的研究和诊断是有价值的,然而,这些信号是否具有使用价值 则完全依赖于对其隐含信息的提取能力,在此领域,生物医学信号处理扮演着一个重要 的角色。 传统上,医师通过对很多类型波形的观察和一些相关实验来对生物医学信号进行解 释,或者假设信号是平稳的或分段平稳的前提下,采用经典的时域及频域方 法对信号进 行解释。经典的频率分析方法对来自于工程设计中的信号和系统通常能够获得满意的结 果。但是,在实际中,对一些非平稳信号的平稳假设往往是不成立的,比如在生物声信 号、语音信号和生物电磁场的情况下。 . ,是把一维信号或系统 联合时间一频率表示 表示成一个时间和频率的二维函数。时频平面能够描述出各个时刻的谱成分。时频分析 方法的早期研究者有和等人,”’提出了一个函数,现在被称做 .,在该联合时频能量分布的时频平面上能够发现 分布 很多有趣的特性。时频平面的概念同样被用于相应的函数。经常使用 的短时付里叶变换 ,即是’信号表达的一个广 义情形。对于很多目的,一个信号的比较容易掌握,因为它是依赖于被分析信号 的线性特性,它已成为信号处理领域中的一个广泛使用的工具“’“。小波变换 ,是另外一种重要的线性时频表示,该方法在时频平面上具有 可变的时间一频率分辨率,即在高频区域具有好的时间分辨率,在低频区域具有好的频 率分辨率。这种独特的能力使得它成为一种分析非平稳信号的有力工具。尽管本世 纪初已经有了类似的思想,但是,最近经过和“等人的研究工作, 理论才有了较大的进展”’?。。与“”等人则进~步研究了对离散信号处 理的理论。“”针对所需的一类时频分布给出了一个统一的定义,这对该领域 研究工作的指导和理解具有重要价值。在类分布中,通过选择不同的核函数可以 得到不同的时频分布。与等人对分布的特性及核函数的要求作 了进一步的研究。在一些重要的文章中,与“。“为联合时频分布 的研究提出了一个广泛的途径和创建了很多新的思想及过程,自此以后,在不同的研究 领域发表了许多有关时频分析理论方法及实际应用的学术文章。 时频表示方法己广泛地应用在语音分析与合成、模式识别、生物声信号、生物医学 等领域。业已表明,很多生物医学信号处理问题能够通过时频分析方法得到解决,象第三章广义时频分析方法 , 分析中的波的检测,的描述,以及在捕获中快速动态变化的跟踪 问题等。 时频表示能够分成两类:线性和二次时频表示”?。参数模型方法,如自回归 ,模型方法 ,芹自回归移动平均 同样,/短傅里叶‘变换类似的方式被应用于时频分折中,但是’的特性同线性 ’ 方法及二次方法是不同的”““。关于时频表示理论方面的大量文章可以在相关的出版物 和科学文章中找到,因此,本章只介绍时频分析理论及其对仿真的瞬态诱发耳声发射信 号的应用。 .线性时频表示 一个线性时频表示是指如果一个信号是一些频率成分的线性组合,那么它的时频表 示则是每个独立成分的相同的线性组合。线性是在包括多成分信号在内的任何应用中所 需要的一个特性。一种传统的线性时频表示,称为短时傅里叶变换,自从‘” 提出以来,已经广泛地用于非平稳信号的分析中。另外一种被称为小波变换的 线性表示方法是目前的研究热点”“。和两种方法已广泛地应用在生物医学信 号的时频分析中。 . ..短时傅里叶变换 当信号是由一些平稳成分组成时如正弦波,能够把该信号展开在正交基函数 下 复正弦函数的傅里叶变换表现出优良的性能。傅里叶变换的一个限制是它只给出了信 号的频率分布,而没有提供观察频率成分时的时间信息。在实际情况下,很多生物医学 信号的统计特性是非平稳的,即是信号的性质随时间变化。因此,需要一种分析方法能 够同时在频域和时域描述信号。 ”于年首先创建了这利,方法。认为一个信号,假设它通过一个 有限宽度的时窗一观察时是平稳的时不变,窗的中心位置为,对加窗信号 ‘一的傅里时变换即可获得短时傅里叶变换“’: 。, ’一,” 这里是角频率,’。表示?的复共轭函数。通过沿时间轴移动分析窗,即可 得到信号两维的时频平面。具有很多有用的特性,例如:对己给有限能量的窗, 原始信号与的逆变换公式之间具有一一对应的关系,和“等学者对 的特性作了深入的研究。 一个实信号的应用是简单的。对一个己给的信号数据,首先使用一个具有 长度样本的时间窗,然后计算长度为的快速傅里叶变换假设?,即可得到一个 功率谱。为了计算下一个时间的功率谱,预先移动时间窗并重复同样的过程即可得到该 信号的。一,圭堡垒墼型些星堡星璧兰???????兰 方法最主要的优点是容易实现,在计算方面是最有效且简洁的方法。此外, 显然是一种线性时频表示方法,也就是说,信号的频谱是与在数据中提供正弦成 分的幅度成线性比例的”。。 一个信号的谱图被定义为幅度的平方。谱图与之间的差别是是 一个线性信号分解并且在信号成分之间没有交叉项,而谱图则是依赖于幅度平方的双线 性信号能量分布,因此,谱图具有交叉项”“。 方法的严重缺陷是在时间与频率分辨率之间总是矛盾的,为了提高频率分辨 率,则需要一个较长的时间区间,因此一方面信号的平稳假设得不到保证,另外一方面, 长时间区问内的谱成分在时域里将变得模糊不清,这样将导致时间分辨率的下降。 方法的一个限制是对一个特殊的信号,也许需要一个特殊的窗才能得到最好的分辨率, 如果一个信号是由两个截然不同的信号成分组成,不同的成分则需要和自己相适应的窗 才能获得最佳结果,此时,显然一个窗将不能满足要求。因此,该方法在实际的应用中, 窗的类型和长度才是主要的问题。””和”等人对几种窗的性能作了深入的 研究。 , ..小波变换 在一定环境下,一个信号由在时域中紧邻的高频成分和在频域中紧挨的长时成分混 合组成。一种能够提供良好时间分辨率去解决紧邻的高频成分和在同一时间内有足够的 频率分辨率的方法是需要的。这两个目的对而言是不能实现的,因为它的时问和 频率分辨率在整个时频平面上是固定不变的。 一种克服分辨率限制的途径是把傅里叶变换中的正弦波基函数修改成在整个 时频平面上具有可变时频分辨率的基函数,使得它在高频区域能够提供高的时问分辨 率,而在低频区域能够提供高的频率分辨率。这种要求在小波变换中可以达到, 在该变换中的基函数是从~个原始、波通过相应的变换和伸展/压缩而得到的”“”。 一,南“半, 这里是一个尺度因子系数/是用于能量归一化的。连续小波变换 ,的定义为: ’础 ,,日?苦“ 、/川~ 这里和是时间变量,是被分析的信号,是基小波或母小波。为了理解 与的区别,考虑上面的等式,它是一个信号和一个基小波的卷积。 为平移参数,通过它的变化可以在时间轴上进行平移;为伸缩参数,通过它的变化能 够对函数/进行伸展和压缩。例如,具有宽度的一半,/具有 宽度的二倍,即是值愈大则函数/愈宽。由于时间分辨率依赖于函数/的 宽度,因此可以得知:当减小时,/在时间上变得较窄从而使得时间分辨率得到 提高,相反,当增加时,时间分辨率虽然有所下降,但是因为时间一带宽的乘积必须:: 。??錾耋』型塑型墼垒???????,?一 保持一个常量,因此频率分辨率提高了。另外,用一个滤波器组解释同样适合与 和,在情况下,由于窗的长度在大多数情况下是固定的,滤波器组 “能够被认为具有一个固定的带宽,因此频域和时域分辨率王应该