基于单片机的瞬态诱发耳声发射听力筛查系统（可编辑）

基于单片机的瞬态诱发耳声发射听力筛查系统（可编辑） 中国协和医科大学 硕士学位论文 基于单片机的瞬态诱发耳声发射听力筛查系统 姓名:郭莉 申请学位级别:硕士 专业:生物医学工程 指导教师:张正国 2003.5.1中国协和医科大学基础医学院硕:学位论文 摘要 瞬态诱发耳声发射是对耳蜗瞬态响应的测试。由于它具有检测客 观、无损、快速的特点,在新生儿听力筛查方面有着重要的应用价值。 本课题完成了一套基于单片机的耳声发射听力筛查系统。该系统由探头、模 拟电路和单片机电路组成。本课题完成的工作主要包括并开发出信号采 集系 统和单片机控制的分析系统的硬件电路,以及利用仿真器系统完成的软件编 程。 在软件编制过程中,通过实验确定了奇偶相关法与法相结合的耳声发射 识别策略和判别数据。测试时先使用奇偶相关法对耳声发射进行初步的 判断, 判别阈为.。如果测试通过了初步判断,则使用法进行确认,判断阈值为. 。 。如果检测到的信号超过拒绝阈,则将其剔除。拒绝阈值为 。 在实际测量过程中,系统自检时的平均背景噪声值为 通过实验对本系统硬件的电性能指标进行了测试。测得系统输入阻抗 、分辨率为./位、等效输入噪声、系统增益为倍,频率响应 为.一。 对个受试者的耳的正常状态和模拟异常状态的耳声发射进行采集、分析; 系统测量耳声发射的特异性为%,灵敏度为.%,达到预期的目的。 本实验使用了信号分析技术,实现了实时采集信号并对信号进行判断和分 析, 进一步增强了该系统在听力筛查中的应用。 关键词:瞬态诱发耳声发射,单片机,听力,筛查中国协和医科大学基础医学 院硕士学位论文 . , , , . , , . . ., .. ,. ., 。. , ?./, .. ,. : 中国协和医科大学基础医学院硕二.学位论文 第一章 绪论 我国每年有万的新生儿,听力障碍的发生率约为‰~%,即每年出生的 婴儿约有万一万有听力障碍。先天性听力障碍在成长发育过程中可能造成语 言发育障碍和学习困难,导致言语、语言交流失调,情感异常。在这些听力障碍儿中, 多数有不同程度的残余听力,如果能早期发现听力异常,早期干预,充分发展和利用 残余听力,可降低语言障碍的发生。对新生儿进行听力筛选,以使早期发现、早期诊 断、早期干预、早期语言训练、早期听力重建成为可能。 对新生儿进行听力筛查的之一即为耳声发射法。使用这种方法可以在新生儿 出生小时后,对其进行听力测定。耳声发射测试技术的优点在于其无创伤性和施 行方便快捷。耳声发射测试对新生儿无任何影响和危害,只需在相对安静的环境中就 可进行,且操作方法简单,因此易于被接受。 我国是一个人口大国,经济发展不平衡,新生儿数量甚为巨大,而国外的耳声发 射仪价格昂贵,不利于新生儿听力筛查的普及。因此,开发出适合国内使用的,价格 低廉的耳声发射仪就显得尤为重要。 本研究的目的是利用单片机技术研制~种可以用于听力筛查的耳声发射检测设 备。 本章就耳声发射、单片机技术、本研究的技术路线和本文的结构四个方面分别进 行简单介绍。 ?.耳声发射 耳科学领域近年来重大的研究进展之一是对耳声发射现象的探讨。耳声发射 ,是年英国人用耳机,微音器组合探头,采 用信号叠加平均的技术,在正常人封闭的外耳道到的人耳在受到刺激声后的声学 信号”。它是由耳蜗外毛细胞产生,经昕骨链及鼓膜传导释放入外耳道的音频能量 。中国协和医科大学基础医学院硕士学位论文 耳声发射根据有无刺激信号分为自发耳声发射 ,和诱发耳声发射 ,。瞬态诱发耳声发射 ,是诱发耳声发射的一 种,它是以短声或短纯音诱发的耳声发射。本文仅讨论瞬 . 态诱发耳声发射。 在健康人耳的检出率可达%,且具有长期稳定性,检测快速、简便 的特点。的阈值一般低于主观听阈~,强度多不超过 。低刺 激强度时幅度随刺激强度的增加几乎成线性增长,平均增长率为 时,强度不再随刺激强度呈线性增 .~./,当刺激强度达~ 加,而趋于饱和,从而表现出非线性特性【州。的频率成分与刺激声的形式 有很大关系【?。由于短声与短纯音的频率组成不同,由两种刺激声诱发的 频率也是不同的。的频率分布在中频.~范围,潜伏期介于~ 之间。刺激声强度对的波形和大小也有一定影响,高刺激强度时可以得到 更宽的频率范围,随着刺激水平的降低,的能量越来越窄的集中到几 个接近的频率上【。信号微弱且混有强刺激伪迹和噪声,检测时常通 常要采用计算机数字信号处理技术。 ?单片机技术 ,简称单片机,是微型计算机的一 单片微型计算机 个分支。它在一块芯片上集成嵌入了中央处理器、只读存储器 和随机存取存储器、输入,输出接口接口、可编程定时器,计数器以及 串行通讯接口等部件,构成一个完整的微型计算机【】。 单片机的突出优点是集成度高,体积小,而且功能强大。它的存储量大,采用 位地址总线的位单片机可寻址外部和包括内部。 此外还有内部通常为字节和内部一般为。所以使用单 片机不仅可以进行控制,而且能够进行数据处理。单片机不仅设有监控程序,还可以三 里塑翌堕型查兰苎型堕堂堕堡:堂堡笙苎 同时汇编、反汇编,具有高级语言以及各种函数库、子程序及图表。单片机需要较大 的程序存储器,用以固化以调好的控制程序;而数据存储器的容量相对较小,主要用 来存放少量的随机数据。小容量随机存储器直接装在单片机内部,可使数据传送速度 加快。由于单片机的各种功能部件都集成在一个芯片上,特别是存储器也集成在芯片 内部,布线短,数据大都在芯片内部传送,不易受到外部的干扰,增强了抗干扰能力, 。 使系统运行更可靠。此外单片机具有丰富的指令,可实现多种功能【 本研究采用的是一系列单片机,它的内部结构如图一所示。它主要的组 成部件包括一个位的中央处理器:的只读存储器;字节的数据存储器: 、、、;个定时器/计数器;个具有个中断 条 线四个位 源、个优先级的中断嵌套结构;用于多处理机通讯、/扩展的串行传输接;以 及一个片内振荡器和时钟电路。这些部件都是通过片内单一总线连接,并采 用了特殊 功能寄存器的集中控制方法。 ? 外部中断 弭棠 图.单片机内部组成结构里堡塑堕型三三竺墨型堕兰堕堡三:堂垡堡;苎; ?.本研究的技术路线 一、 研究目的 由于为外周听觉系统提供了新的测试手段,因此引起耳科研究的重视。 随着现代计算机技术的飞速发展,早期的商业化产品,如公司,公 公司的产品,以及在实验室自行开发使用的耳声发射检测装置 司和 中,多采用计算机控制数字信号处理板的方法,提取信号并进行分 析。计算机运算速度的不断提高将系统与计算机更紧密的结合起来,本实验 室的李丽明博士利用一块数据采集卡在计算机上建立了数据的采集‘“:随 后,本实验室的刘学民硕士又建立了一套以声卡为基础的采集设备】。对于 近年来的国外的新产品,如公司的和,公司的 ,充分发挥了计算机的优势,在计算机的控制技术 和公司的 上更加完善。但对于我国每年万新生儿的听力普查来说,国外的仪器设备过于 昂贵。国内的研究和开发起步比较晚,目前只有清华大学研制的耳声发射听力检测仪。 耳声发射测试的技术复杂,但测试结果的诊断意义在临床上尚有不同的看法。 本研究的侧重点放在受到听力学界广泛认可的耳声发射的应用??婴幼儿的听力筛 查上。我们希望可以携带仪器到婴儿集中的地方,进行快速而大量的筛查工作。而在 单片机小小一块芯片上就可完成计算机的全部基本功能。因此本实验提出了将单片机 嵌入到耳声发射检测系统中,开发出手持便携式且价格低廉的耳声发射听力筛查设 备。 二、研究内容 本研究的内容包括: 、仪器功能的确定; 、硬件电路的设计和制作,包括模拟电路部分和单片机电路部分; 、软件程序的编写与调试: 、技术指标的测试,包括探头的频率特性和电路参数的确定; 、仪器性能的验证。??主里堡翌堕型查兰苎型堕兰堕堡主兰竺堡塞 三、技术路线 仪器的工作方式是由单片机控制发出刺激声,采集信号,并对 信号进行放大、滤波,送入单片机控制下的模数转换,再用单片机对采集到的信号进 行实时分析处理,最后对结果进行显示和存储。 如图所示为整体技术路线的流程图,即整个工作的进展框图。 图技术路线的流程图 ?.本文的结构 本文的第一章是对耳声发射检测系统开发背景的介绍,包括对耳声发射、单片机 技术和课题的技术路线的介绍;第二章是对耳声发射检测系统建立的介绍,主要对硬 件结构的组成进行阐述;本文的第三章是对系统的开发环境和实现的功能的介绍,对 软件部分的工作进行阐述;本文的第四章是对系统软硬件测试结果的介绍,其中包括 系统的软硬件指标的测试和对耳声发射信号的测试;本文的第五章是对所做工作的总 结。中国协和医科大学基础医学院硕士学位论文 第二章耳声发射检测系统的建立 本章对耳声发射检测系统硬件的建立进行阐述。整个系统的框图如图所示, 其中的放大及滤波为模拟电路部分,实线框内的部分都集成在一块单片机电路中。本 章从探头的结构、模拟电路的设计制作、以及单片机电路的设计制作三个方面分别介 绍。 图。基于单片机的耳声发射采集系统 ?.探头的结构 探头是整个系统的传感部分,其作用主要是在外耳道给出刺激声并采集由此诱发 的外耳道内的响应信号。因此主要由用于接收声信号的话筒与给出刺激声的耳机组 成。本实验使用了美国公司的灵敏度高、动态范围较宽的型话筒,以 及该公司的型耳机。将话筒和耳机装入一不锈钢外壳内,并用硅橡胶浇铸固定, 探头的前端为可替换的塑料耳塞,如图所示。中国协和医科大学赫础医学院硕士学位论文 探头的结村示意图 注释 图探头的结构 ?.模拟电路的设计制作 一、耳声发射信号的特点及模拟电路目的、意义和组成 由于耳声发射信号非常微弱,其中还常常夹杂着许多干扰噪声,因此在对其进行处理 前,有必要先对其进行放大、滤波及抗混叠处理。模拟电路就是对话筒收集到的信号 进行预处理,以便进行后续采集、分析等处理的电路,一般包含前置放大器、低通和 高通滤波器和次级放大器。结构如图: 探;?前置放大器?一滤波器次级放大器卜???输出至单片机 ???????一?‘????‘?一。????‘??’????一 图.模拟电路结构图 耳声发射信号非常微弱,只有几十微伏,因此要求模拟电路的放大倍数要足够高。 信号中有很强的噪声和伪迹,必须去除噪声和伪迹,提高信噪比;通常耳声发射信号中国协和医科大学基础医学院硕士学位论文 的频率范围分布较广,本课题比较关心的信号的能量集中的.~之 间,因此模拟电路还应该包含有灵活的滤波电路。 二、模拟电路的设计 、前置放大电路 由图。可以看出,与信号输入相连的是前置放大电路。根据耳声发射信号微弱 的特点,本系统设计出高输入阻抗、高增益、稳定性好、可灵活调整放大倍数的信号 放大电路。据此选择出集成了外围反馈电路,接线简单,控制增益容易的型 运算放大器芯片资料见附录的一。采用差分输入的形式,具有抗共模干扰、增 益高等特点。其增益仅由一支外部电阻的阻值决定,增益的公式为. /。对于微弱的输入信号来说,这样的前放可以有效地降低信号失真。 、低通滤波电路 在本系统中,采用由公司的开关电容式低通滤波器构成的数 控滤波电路,采用的是阶巴特沃斯低通滤波器,其低通截止频率由输入时钟的频率 来决定,截止频率是输入时钟频率的/芯片资料见附录的二。为实现截止 频率的选择,系统采用的石英晶体振荡器,经过分频,得到的方波。 因此,本研究的低通截止频率为/。 抗混叠滤波功能也由该电路完成。 、高通滤波电路 运用运算放大器,如图,得到二阶压控电压高通滤波器电路?其高通 截止频率为/?。本研究取。中国协和医科大学基础医学硫硕士学位论文 图高通滤波器的连接图 、次级放大电路 次级放大电路采用的是反相放大器,它可以保证将信号电压推至足以驱动的值, 同时更增加了增益调整的灵活性。为了克服在高增益下,反馈电阻阻值很大,容易产 生噪声的缺点,次级放大电路采用分压反馈的方式。增益的值取决于电位器上的分压 比。此电路的优点是反馈电阻的阻值与增益无关,增益仅取决于电位器上两段阻值之 比,所以可以将反馈电阻值选得较低,从而避免产生过大的电路噪声。如图:中国协和医科大学基础医学院顶士学位论文 图.反馈分压型反相放大器 ?单片机电路的设计制作 一、耳声发射系统对单片机的要求 单片机电路包括模,数转换、数模转换、’液晶显示和数据存储,既可以控制信号 调理电路的运行,还可以进行信号的处理,实现多种功能。电路的具体设计如图 。 所示,以下将一一讨论。 图单片机龟路示意图 、模数转换 模数转换/就是将模拟信号通过采样与量化,转化成计算机能处理的数字量 生产的位 的过程。本实验采用的是美国模拟器件公司。坚 ????望塑塑垦型奎堂兰型堕竺堡堡圭堂堡堡塞 逐次逼近型快速/转换器芯片资料见附录的三。 模数转换的几个重要的指标是:采样率、转换精度、数据传输方式和转换模式, 下面分别讨论。 .采样率 完成一次完整的转换的时间称为转换时间,其倒数,即每秒内完成的采样次 数,称为采样频率,或采样率。根据采样定理,要“无损”地恢复原始信号,采样率 应大于等于信号最高频率成分的两倍,这样才能避免信号在频谱中的不可逆的混叠现 象。 本系统对耳声发射信号中频率范围在.~的部分进行分析。这就决定 了单通道采样率应该在以上。当然,采样率也不是越高越好,采样率过高,会 使转换后信号产生“毛刺”,即一些高频噪声也被过多地引入量化后的信号中。因此, 采样率一般取信号最高频率的倍为最佳,在本实验中采用的是在内采集 点,采样率为.。 转换精度 . /转换后的数字量信号是以若干位二进制数,形式存储的,显然,存储每次 采样值的位数越多,每位数字量对应的模拟量就越小,即精度越高。例如,模拟输入 的量程为,转换后的数字量位数为,则最低一位数字量代表的模拟量为:/“也 即信号的分辨率。在本系统中,由于耳声发敲信号非常微弱,要求系统分辨率 足够高, ,可以满足实验的要求。 因此选择信号的转换精度为.,它的动态范围达到 .数据传输方式 单片机可采用查询、延时和中断方式读取的转换结果。 软件查询即由应用程序不断查询位状态,当检测到端由高电平变为低电 平时,表示/转换结束,可读取结果。延时方式指的是利用一个延时程序来 读取转换结果。中断方式指的是由端的下降沿向发出中断申请,可从中断 子程序中读取转换结果。为了准确的得到转换数据。也根据单片机数据线的 使用情况, 本试验采用中断方式。 .转换模式 可进行单极性和双极性模拟信号的转换,单极性的范围为,对应 中国协祁医科大学基础医学院硬士学位论文 的双极性的范围为~。来自探头的信号是交流信号,因此采用双极性 方式。 、数/模转换 耳声发射的刺激信号由单片机控制的数/模转换发出。采用的是位分辨率的/ 转换集成芯片芯片资料见附录的四。 、液晶显示 本实验使用了公司的位驱动芯片芯片资料见附录 的五,可同时显示病人的编号。测试的是左耳还是右耳,以及测试结果通过与 否, 满足了本研究的要求。 、数据存储 在本实验中还设定了数据存储的功能,将病人的编号以及耳声发射的检测结果记 录下来。采用的是公司的芯片,采用工艺制成的×位电 擦除可编程只读存储器芯片资料见附录的六。具有读写可靠,可将数据长期保 存,实用方便的优点。中国协和医科大学基础医学院硕士学位论文 第三章系统的开发环境与实现的功能 本课题的特点在于利用单片机技术来构建耳声发射检测系统,系统的软件是设计 中的重点。本章对开发环境和软件的编制进行阐述。 ?.开发环境 一个单片机应用系统经过预研、总体设计、硬件设计、制板、元器件安装后,在 系统的程序存储器中放入编制好的应用程序,系统即可运行。由于单片机在执行程序 时人工是无法干预的,为了能调试程序,检查硬件、软件运行状态,就必须借助某种 开发工具模拟用户实际的单片机,并且能随时观察运行的中间过程而不改变运行中原 有的数据性能和结果,从而进行模拟现场的真实调试。完成这一在线仿真工 作的开发 工具就是单片机在线仿真器。 图?所示为单片机调试系统的基本配置,单片机应用系统连接在仿真器的仿 真 头上,仿真器与计算机相连,就可以在计算机上控制单片机的工作状态,从而 调试单 片机的硬件系统和软件系统。 应用系统 仿真器 单片机开发系统的基本配置 图堕塑塑堕登查兰些型堕兰堕堡主兰堡堡塞 :旦 结合本实验的具体要求,在众多的仿真器开发系统中本实验选择了万利公司 系列仿真开发系统一,它的软件版本是具有高性能集成开发环境 仿真器的特点与优点见附录。其集成开发环境窗口界面如图?所示: 图集成开发环境窗口界面 主 本实验开发阶段,使用的计算机配置为:、内存、 扳声卡和显卡集成,硬盘、长城显示器。 ?.软件的编制 ’ 一、采用的技术 根据耳声发射信号的特点,在提取耳声发射的过程中,要降低噪声,去除刺激伪 ,而环境噪声远大于 迹。其原因主要是因为的信号多不超过中国协和医科大学捧础医学院硕士学位论文 信号,要想将微弱的信号提取出来,就必须降低噪声,提高信噪比; 信号是利用短声诱发产生的,通常这令声刺激的声强高于信号个量级以上, 因此在刺激的初期有着很强的伪迹,必须将这个伪迹去除才能得到真正的信 号。据此在单片机控制下的耳声发射检测仪应采用以下的方法来去除嗓声和刺激伪 迹。 、时域加窗法。利用了信号的特性,结合听力筛查的特点,仅截取~ 之间的信号,即在~施加矩形窗。之所以取~之间的信号,主要是因 为考虑到~之间是信号能量集中的区域,在不进行频率分析的前提下,我们 更关心它的存在性;而前刺激伪迹很高,不利于对信号的检测;而后 的信号迅速衰减,若将这部分的信号也进行叠加,会降低判断的灵敏度。 、奇偶检测法。在校准和测试的过程中,对信号转换后,将奇数次和偶数次的 信号分别叠加,对得到的两组数据进行相关性分析,根据相关系数的值,可判断采集 到的信号是信号。 、相干平均法。一般认为记录到的诱发信号是由实际诱发晌应和噪声 相加所组成。 ,,,,?, 式中代表总的刺激次数,是刺激的序号。由于噪声很强,且又是最随机的, 所以每次得到的玛都不相同。通常把多次诱发记录以施加刺激的时刻为起点对其 后进行累加平均,随机的噪声互相抵消,用多次记录的平均值来近似真实的诱发响应。 已经证明,次相干平均后,信号的功率不变,噪声均值为,信噪比提高?肘倍, 能有效的降低随机噪声。对于的测试,本实验进行了次叠加。 、设拒绝闽法。拒绝阈的设置有利于去除干扰。有的噪声是不可预测的,例如 瞬态的大声会严重干扰正在测量的数据,使噪声水平急剧增加,如果依然使它参加累 加平均的话,会大大降低信噪比。因此通常预先设置一拒绝阈,并在平均之前先对每 一次刺激所诱发的数据进行一次检测,若噪声水平低于阚值,则 进行累加,着高于阈值便舍弃,如果阙值设置合适,这样便可大大的降低噪声水平。 因而阈值的设置很重要。若设得太高,就会把大噪声的数据也叠加在内,使信噪比将 低;若设得太低,会使绝大多数数据都被舍弃,使测量时间大大延长由于不同的测中国协和医科大学基础医学院硕士学位论文 ??????????????????????????????????????????????????? ?????????、????????????????????????????~一 试环境其噪声水平是不同的,阈值的设置也随之不同。测试结果见第四章第一节之 三 、数字滤波法。数字滤波对于消除频带与信号频带不重合的噪声是有效的。 信号的频率一般分布在.~;而噪声则在相对广泛的频率内普遍存在。 在高频段~以上,本底噪声主要是由仪器的固有噪声引起的,比如话筒、放 大器的噪声等;在低频段,背景噪声主要是由周围的环境引起,比如仪器产生的嗡嗡 声、空气流动以及被测人产生的噪声如呼吸、身体移动等。因此,选择合适的数字滤 波器类型和通带,可以有效的去除信号频带以外的噪声。实际选用的下限频率为 .。上限频率为。 、判据法。对从外耳道提取到的诱发信号进行正确识别是研究与 应用的前提。在本实验中,采用的是判据法,理论上将频域高于本底噪声 的峰确认为耳声发射。实际采用的判别阈值是通过实验确定的。见第四章第一节之 三 二、面板的功能: 在单片机电路的开发阶段及今后的运用中,电路的设计与要实现的功能密切相 关。明确耳声发射检测仪所做的工作,对电路设计做出约定就显得尤为重要,使硬件 和软件的开发遵循一定的规则,具有明晰的思路。图所示为耳声发射检测仪的面 板示意图。???????????????量:塑堕登查兰兰垦兰堕婴主兰些堡塞 旦 图?耳声发射检测仪的面板示意图 从图中可以看到面板上共有七个控制按键,分别为测试键、向上键、向下键、 校准键、查询键、清除键和退出键,这七个按键由单片机的口控制,按键的键值 表如表所示: 表按键的键值表 键名 校准 测试 查询 ? 退出 清除代码. . . . . . . 端口 键值 面板上的按键,每一个按键都有一定的功能,采用结构化、模块化设计思想,每 个按键由一个模块控制,各个按键之间功能相互独立,便子维护和调试。 、校准键的功能:将探头连在耦合腔上,按下校准键后。程序进行自检自检 的方法在第二部分中详细介绍,自检通过后,从/发出脉冲的第开始,选中 高增益信号,在内采集点的数值。在/发出下一个脉冲时,以同样的方里坠塑堕型查堂苎苎堕兰堕堡:兰堡堡茎 旦 法又采集点,逐点与上一次采集的点相加。用同样的方法采集次后,求 出平均值,做为阈值。并根据患者记录的档案,从液晶屏上提示下一次应该测试患者 的哪一个耳朵。 、测试键的功能:校准通过后,将探头放入患者的外耳道中,按下测试键,就 进入测试过程。首先也要经过自检自检的方法在第二部分中详细介绍,自检通过 后,从/发出脉冲的第开始,选中高增益信号,在内采集点的数值。 在/发出下一个脉冲时,以同样的方法又采集点,逐点与上一次采集的 点相加。用同样的方法采集次后,求出平均值,与阈值相比较,做出测试合格或 ‘ 不合格的结论。并在液晶屏上作出相应的显示。 、查询键的功能:如果患者的编号大于,则按查询键有效。按下查询键,当 前记录应闪动。对患者记录的查询和存储,本课题做了相应的规定,具体的规则如图 所示: 图.查询和存储的规则???生旦坐翌堕型查兰苎些堕兰堕堡圭堂垡笙壅 望 、向上键的功能:按下查询键后,按向上键有效。按向上键一次按下的时间 大于.秒,小于.秒,向上翻~屏。若按下的时间大于秒,则以每秒一屏的速 度,连续向上翻,直至键抬起,停止翻屏。 、向下键的功能:按下查询键后,按向下键有效。按向下键一次按下的时间 大于.秒,小于.秒,向下翻一屏。若按下的时间大于秒,则以每秒一屏的速 度,连续向下翻,直至键抬起,停止翻屏。 、退出键的功能:在程序进行过程中,按下退出键,回到开机画面。 、清除键的功能:清除键可用在两个方面。?在测试结果显示秒钟后,显示 屏将提示医生准备测试患者的下一只耳朵。在此秒内,按清除键按下时间应 大 于秒,将删除刚才所做的测试结果,显示屏提示医生准备测试刚才已经测试 过的 耳朵;?当第位患者的右耳测试完毕后,面板上的校准键和测试键将被锁死 按 下无效。此时,只有按下清除键按下时间应大于秒,删除全部记录,才能继续 进行测试。 三、附加的功能: 、由于原理图中有三路电压信号接至模拟开关,然后以一路输出至 ,所以在分时转换中应根据不同的转换信号向地址口写入不同的代码,如表 所示: 表三路转换信号的地址 电源电压监测 低增益信号 高增益信号 启动 输出高位输出低位 开机后或工作中,程序中对电池电压进行监测,通过对电池电压的/转换, 可以判断当电池电压低于.时,所有按键被锁死,禁止仪器工作。中国协和医 科大学基础医学院硕士学位论文 , ‰ 九 、, \八 , , 、 ? 图耳声发射采集信号的时间图 由图所示可知,耳声发射的采集频率为,图所示的是程序运行的时 间图,其中所示的是一个周期为;所示的是幅度为,持续时间为 的刺激信号;所示的是最初的;所示的是。图所示的是刺激声 信号的波形示意图;图所示的是相应信号示意图。 的信 前的采集到的信号主要是用来检测探头的放置情况;对第 号进行采集分析。 、蜂鸣器的功能:当测试完第位患者后,显示右耳测试结果时,蜂鸣器会自 动发出声响,提示医生:患者资料存储空间即将用完。在测试完第、、、 位患者后,蜂鸣器都会发出相应的声响。在测试完第位患者后,蜂鸣器发出长 鸣 的声音,提示医生:停止测试。 、自检的功能:在按下校准键和测试键的最初,程序会有一个自检的功能,这 是因为探头与外耳道密合情况的不同直接影响到耳声发射的检测结果,因此在耳声发 射测试之前,须对探头与外耳道的密合情况进行监测。同样激励能量在不同密封体积 中产生的声压不同。由于不同被测试者外耳道的体积、形状各有差异,即使同一被测 试者探头与外耳道密合得或松或紧、或堵或漏,使外耳道的体积与形状也不相同,这 种差异可能使鼓膜处实际感受到的声压有所不同。由内耳发生通过中耳传输的耳声发???? 一 塑 里塑塑堕型查兰兰塑垦兰堕堕圭兰垡堡兰 射的强度也会因上述原因而不同。另一方面,探头与外耳道较好的密合,还可以减少 外界噪声的干扰。因此测试前对不同测试者的探头密合情况进行调整和监测,使其尽 量保持一致是必要的。 自检的方法是,在按下校准键和测试键的同时,/发出脉冲,/选中低增益 信号转换为数字信号,在的时间内,采集点。当/发出下一个脉冲的时 刻,又在内采集点,与上一次采集的点逐点相加。这样共采集次,求 出平均值,与基准值比较,判断是否通过。若通过后,以同样的方法,在求平均值。 连求三次平均值都通过,则认为自检合格。否则认为自检未通过。见第四章第一节 之三 、中断的功..中断系统是为使处理机具有对外界异步事件的处理能力而设置 的。当中央处理机正在处理某件事的时候外晃发生了紧急事件请求,要求 暂停当前的工作,转而去处理这个紧急事件。处理完后,再回到原来被中断的地方, 继续原来的工作,这样的过程称为中断。实现这种功能的部件称为中断系统,请示 中断的请求源称为中断源。本实验所用单片机提供个中断源,其中两个为外 部中断源,由、.、.输入;两个为片内的定时器/计数器溢出时产 生的中断请求用、做标志;另外一个为片内串行口产生的中断请求 或?。这些中断请求源分别由特殊功能寄存器控制。 在本系统中模,数转换中的的输出状态信号脚接至外部中断。使 /转换结果的输出是采取中断方式,利用/的转换结束信号向单片机发出 中断申请信号,从中断子程序中读出转换结果。 、定时的功能:在程序执行的过程中,对于时间的控制通过定时器/计数器来实 现。本实验中共有三处对时间提出要求:?在测试结果显示后,秒钟后显示屏将 提示医生准备测试患者的下一只耳朵。在这秒内,按“清除”键按下时间应大 于秒;?当第位患者的右耳测试完毕后,只有按下“清除”键按下时间应大 于秒,删除全部记录,才能继续进行测试。?按“查询”键后,按“?”键一次 按下时间大于.秒,小于.秒,向。若按下的时间大于秒,则以每 秒一屏的速度,连续向上翻,直至键抬起,停止翻屏。 在本实验中,采用定时器,设置每毫秒产生一次中断,转入中断子程序后,中国协和医科大学基础医学院硕士学位论文 ~ 根据标志位的不同,执行不同的程序,并对相应的计数值进行计数,根据计数值的不 同判断程序的执行程度。例如:向上翻屏时,得到.秒/毫秒,.秒/毫秒 ,秒/毫秒,按下“?”键后,定时器开始计数,计数值每毫秒加, 可根据计数值的不同决定是向上翻~屏,还是连续翻屏,以及翻屏的次数。中国协和医科大学基础医学院硕士学位论文 第四章系统的软硬件测试 本章阐述对系统的软硬件指标的测试和对耳声发射信号的测试,并对整个系统进 行了讨论。 ?.软硬件指标的测试 系统建立后,要对软硬件进行测试,来验证系统的稳定性,在本实验中,通过 对 探头、前置放大电路、单片机电路的调试,来检测系统 一、探头的测试 本实验探头中耳机发出的刺激声是由单片机控制其中的数,模转换芯片发出的? 测试所使用的仪器为: 、丹麦公司的声级计 、丹麦公司的仿真耳 、天津电子仪器厂的超低频双踪示波器 探头中耳机的测试方法如图所示 图探头性能的测试方法 测试内容为: 、信号的持续时间:用示波器观察输出的模拟信号,将声级计与仿真耳相连中国协和医科大学基础医学院硕士学位论文 由单片机发出刺激信号,送入仿真耳,可得到刺激信号的声强值。测试结果如表 所示本底噪声为.: 表刺激声测试结果 信号持续时间 电压值 周期 声强 . . . 。 从表中可以看出,信号持续时间的改变,得到的声强值的不同,由于信号持 续时间很短,从示波器中看到的是一个个的刺激脉冲,随着持续时间的延长, 信号上 升的幅度也逐渐增加,因此声强值也随之增加。根据本实验的要求,采用了“ 的持续时间,使发出的刺激声达到要求。 时,本实验测试了耳机在单片机控 、耳机的输出特性:在刺激时间为 制下的输出特性,如图所示,图中横坐标表示输出的电压值,纵坐标为对应的声 强值本底噪声为.。 图耳机的输入输出曲线垄 旦垫塑墨型奎堂苎型堕兰堕堡主兰垡堡兰 从图中可以看出耳机的输出在比较稳定,与实验所期望的声强值接近,因此 本实验选择做为输出电压满幅值。 、探头的频率特性:由单片机产生的刺激信号,送至探头中,由此产生的刺 激声强由声级计读出,调整声级计的滤波频率,可得到探头的频率特性。对刺激信号 川进行测试的结果如图.所示。 图探头的频率特性 二、前置放大电路的测试 仪器的设计应满足一定的电子学指标,在使用前应进行一些必要的电子学测试。 测试所用的仪器为: 、天津电子仪器厂的超低频双踪示波器 、美国公司的信号发生器两台,其中一台用作时钟信号发 生器 电路的测试方法如图所示中国协和医科大学基础医学院硕士学位论文 图?电路的测试方法 测试内容为: 、 输入电阻:给输入端串联一个的电阻,因为它与系统输入阻抗及示 波器输入阻抗相比,非常小,不产生太大影响。输入的正弦波,其电压峰峰值 为,用示波器测量串联电阻上的信号峰峰值,计算输入电流/。用式 子:/计算出输入阻抗。 、 等效输入噪声:将两个输入端短路,测量输出电压大小,除以系统增益, 即得到等效输入噪声。 、 系统增益:以已知幅度的信号为输入,测量系统输出信号的幅度,二者 相除即可得到系统增益。测试时,将每一部分的放大倍数分别测量,三部分增 益之积 即系统总增益。 、 频率响应:用信号发生器作为输入信号源,用示波器一路观察输入信号, 另一路观察系统输出信号。当输出信号降至输入信号的%即时,对应频率 即截止频率。 本系统的测试结果如表所示。中国协和医科大学基础医学院硕士学位论文 表电子学测试结果 项目 测试值 输入电阻 分辨率 ./位 等效输入噪声 系统增益 .一 频率响应 三、单片机参数的测定 经过实验的方法来确定拒绝阈法、法以及自检的过程中的参数。 、拒绝阈:通过声级计测定环境噪声的大小来确定阈值的选取。将拒绝阈定 为 。 ~. 进行耳声发射的测试, 、法:对受试者分别从. 时对正常耳和模拟异常耳的检出率符合要求,因此采用. 发现在. 。 、自检:自检的方法见第三章第二节,其阈值的选择取多次实验的平均值,其 。 数字量为,相当于 ?.耳声发射信号的测试 本系统是用来测试耳声发射,检测其功能的最佳手段是将其应用于实际的检 测 中。由于耳声发射检测仪显示的结果是通过或不通过,存在单片机内部的是数字量。 本实验采用两种方法验证检测到的结果。 第一种方法是:将系统检测到的信号数字量提取出来,存储在计算机中在前面 所做的实验中,我们已经得到转换中电压和数字量的关系。通过这种对应关系, 再利用软件得到波形。 图显示的是程序在校准过程中采集到的耦合腔中的噪声的示意图。中国协和医科大学基础医学院硕士学位论文 砖吣 图.耦合腔中的信号波形 本实验分别记录了受试者在正常状态下左耳采集到的信号的奇数值和偶数值, 所绘制的图形如图所示,其中表示取奇数值时的波形,表示取偶数值时的波 形。中国协和医科大学基础医学院硕士学位论文 图受试者正常状态下的左耳检测到的波形 使用计算后得到的相关系数为%,可得到结论引出了信号。 本实验在受试者的外耳道内塞入涂了润滑油的棉花球,来模拟听力异常状态,纯 音听力平均下降 。同样的,记录了受试者在模拟异常状态下左耳采集到的信 号的奇数值和偶数值,所绘制的图形如图.所示,其中表示取奇数值时的波形, 表示取偶数值时的波形。 蛳四 图.测试者模拟异常状态下的左耳检测到的波形 同样的,使用计算后得到的相关系数为%,可得到结论未引出了 信号。 第二种方法是:本实验对舍听力正常年轻人的例耳进行了瞬态诱发耳声发 射的测试。 分别对个听力正常年轻入的例耳的正常状态和模拟异常状态在外耳道内 塞入涂了润滑油的棉花球进行了纯音听力测试。纯音听力测试采用丹麦 公司的型诊断听力计,经测试在正常状态下例耳的纯音听力 ?图为测试者 正常,在耳道内塞入涂了润滑油的棉花球后听力平均下降???塑塑婴壁燮燮竺塑 一 右耳的纯音听力图,上面的一条线是正常状态下的纯音听力曲线,下面的~条线是模 拟异常状态下的纯音听力曲线。 图?测试者右耳的纯音听力图 实验要求受试者在相对安静的房间内,在没有吞咽动作并尽量保持头部静止等控 制突发噪声影响下测试。耳声发射检测仪分别在、、、的声强 下,经过比较选择了刺激强度适中的进行测试,显示例耳在正常状态下全 部引出;在模拟异常状态下,经过调整法的分贝数到.,得到的结 果是例引出,例未引出。结果如表所示: 表特异性和敏感度的分析图表 受试者 堵耳 不堵耳 合计 模拟异常 正常 检 无 测 异常 结 有 果 正常 合计生璺堡塑垦型大兰茎些堕兰堕垦:兰堡垒壅 根据表中的数据计算得到: 敏感度.%: 特异。生、/%。 另外,还对 仿真耳、自制祸合腔、和自制可调容积的耦合腔、 、进行测试,均未引出信号。 ?.讨论 本课题的主要目的是针对听力筛查进行开发制作的,因此在课题的完成过程中 有它本身的特点,接下来将具体讨论。 、硬件电路的影响 耳声发射的信号微弱,采用模拟电路放大两万倍后达到毫伏级,在这个过程中要 特别注意去除噪声。本实验使用了高灵敏度、低噪声、低功率的前置运算放大器 来对耳声发射信号进行一级放大,放大倍数仅由一个外接电阻决定,采取差分输入的 方法可以有效的降低嗓声输入。 并通过低通和高通滤波,将频率控制在.~/之间,主要是因为我们认 为这个区域是信号能量最集中的地方,因此使用了低通开关电容滤 波器,可以提供精确的截止频率。 硬件电路的制作要特别注意抗干扰的问题。为了消除电源的干扰,可采取的方法 是对电源的配线采用粗导线,布线距离缩短到最短;电源线与信号线通过地板下面走 线,不可将两线靠的太近或相互平行,以减少电源信号线的影响:在电源与地之间并 接退耦电容。接地要注意模拟量系统私数字量系统分剔接地,然后汇总到一点接系统 地,尽量用短而粗的导线,采用这种独立接地结构方式,能防止信号之间的交叉耦合。 、算法的影响 在李丽明博士和刘学民硕:的作中,对耳声发射信号提取和识别的方法运用均 根据各自采集设备的特点来决定。以往使用的方法中,信号提取采用的方法有相干平 均、设拒绝阈、数字滤波,去除刺激伪迹的方法有非线性差分平均、窗函数法对耳中国协和医科大学基础医学院硕士学位论文 声发射的识别方法有判据、饱和性判据、相关系数判据的方法。 在本实验中,结合单片机构成和运行的特点,采用的方法有窗函数法、相关系数 判据、相干平均、设拒绝阂、数字滤波、判据,综合采用这些方法即可以在单片 机的运算速度的允许下,在规定的时间内完成运算,又能满足耳声发射快速筛查的目 的,对于采集信号的质量也有所保证,比较完整的完成了当时的开发设想, 取得了较为满意的结果。 采用窗函数法时之所以取一之间的信号,主要是因为考虑到一 之间是信号能量集中的区域,在不进行频率分析的前提下,我们更关心它的存在性; 面前刺激伪迹很高,不利于对信号的检测;而后的信号迅速衰减, 若将这部分的信号也进行叠加,会降低判断的灵敏度。 、测试结果 从.节的测试结果可以得出,当处于正常状态下得到的图形的相关系数为 %,可以判断得到的波形为波形;而模拟异常状态下的图形的相关系数只有 %,则证明得到的波形为噪声,不是波形。由此可以证明本实验成功的检 测到信号。 在测试信号的过程中,由于聋人的数量不够,采用了将正常人的外耳道 堵住降低正常人的纯音听力模拟听力异常的方法。经过测试,发现正常人的 平均听力 ,经过担衰减后的 降低了 ,通常正常的耳声发射为 法 耳声发射只有. ,从.节的测试结果可以得出,经过调整 时,使大部分的模拟异常状态下的耳朵无法检测到 的值,当降到. 信号,得到的统计结果也证明了这一点。在今后有条件的情况下应对聋人进 行测试, 从而得到更准确的数据,以验证仪器的可靠性。 本实验得到的特异性为%,说明对所有的正常人均可采集到信号; 灵敏度为.%,说明在模拟异常的情况下,还有漏检的情况存在,在本实验中只 有例耳在模拟异常的情况下采集到了信号,也许是因为该耳的信 号比较强,要想降低漏检率,则应该将法的判断标准提高到,这项工作将在 今后的研究中继续进行。 、数据传输翌 堂国地和医科大学基础医学院硕士学位论文 由于课题对数据传输没有进行设计和制作,目前还不能将数据传输到计算机 中 这部分工作有待于在今后的工作中进一步完善。中国协和医科大学基础医学 院硕士学位论文 第五章结论 由上述实验可以看出,本系统很好的完成了设计目的,实现了单片机控制下 的耳 声发射检测仪的正常运行。主要成果如下: 开发出便携式、微型化且价格低廉的耳声发射检测仪,成功完成了一个具有 实时数据采集、存储及处理的实用小型仪器。 对探头的检测结果可以看出,探头的工作范围符合仪器运行的条件。 经过电性能测试,本系统的电性能指标如输入阻抗、分辨率、等效输入噪声、 系统增益及频率响应等均取得较为满意结果。 对单片机系统的软硬件进行调试,使仪器工作在正常范围内。 。 确定了拒绝阈法的阈值为 。 确定了法的判别阈值为. 。 确定了本实验过程中的平均背景噪声值为 对检测到的信号进行相关系数的分析,证明奇数和偶数采集的信号 具有良好的相关性。 通过对个受试者的耳的正常状态和模拟异常状态的耳声发射进行采集、 分析。 系统测量耳声发射的特异性为%,灵敏度为.%,达到预期的目的。 在计算机技术无处不在的今天,在各学科交叉关联日益复杂的今天,本课题将单 片机技术应用于听力学检测系统,为其发展进行了~次新的尝试,也为以后将其发展 成普遍适用的听力筛查提供了一个基础。这一成果是仪器技术微型化的体现,为其进 一步推广应用打下更坚实的基础。塑堡塑堕型奎堂茎堂垦兰堕婴圭兰垡丝苎 竺 参考文献 , . ...,,:? . . ., ., ? ,,:? ... . ., ..,?., . 柴新禹,程敬之,董宏斌等.小波变换在去除瞬态诱发耳声发射中刺激伪迹的 应用. 生物医学工程学杂志,,:?. ., ., . ,,:? 王正敏主编.耳鼻喉科学新理论与新技术.上海:上海科技教育出版社,,. ., ., ., : :.... .. .,,:? 李华主编。.系列单片机实用接技术.北京:北京航空航天大学出版 社,, 张振荣,晋明武,王毅平编著..单片机原理及实用技术.人民邮电出版 社,,第一版 李丽明.瞬态诱发耳声发射识别与分析新方法的应用基础研究.中国 协和医科大学博士研究生毕业论文,, 刘学民.基于声卡的瞬态诱发耳声发射测量系统.中国协和医科大学硕士学 位论 ‘ 文,, 魏海明,杨兴瑶编著.实用电子电路例.化学工业出版社,, 电路设计应用指南.人民邮电出版社,,程凡编著,堑 旦塑塑堕型查堂董型堕堂堕堡主堂垡堡兰 赖麒文,单片机语言彻底应用.科学出版社,, 赖麒文,单片机语言开发环境实务与设计.科学出版社,, 何立民,单片机应用技术选编.北京航空航天大学出版社., 徐飞,施晓红编著,应用图像处理.西安电子科技大学出版社., 车晴,电子系统仿真与.北京广播学院出版社., .清华大学出版社., 张宜华,精通’ ,. ,,:? 胡广书编著,数字信号处理一理论、算法与实现.清华大学出版社.,