听觉诱发反应多功能声刺激器设计

论文摘要

听觉诱发电位(Auditory evoked potentials, AEP)作为一种电生理技术,广泛应用于听觉神经通路信号处理机制研究和听觉神经系统病变的客观检查。AEP记录仪主要分为两部分：声刺激发生器和数据采集与处理。其基本工作原理为：刺激发生器产生刺激声信号,经换能器(耳机)将刺激声信号传递给受试者,同时触发脑电数据采集装置进行数据采集,对采集的数据进行滤波和平均叠加等一系列处理后提取AEP信号。在科学研究和临床检查中,通常需要用不同的音频刺激诱发不同的AEP,从而理解听觉神经通路的功能或者病变,因此,刺激发生器是AEP记录仪的关键之一。根据我们实验室的研究经验和对现有临床AEP系统的分析,我们认为性能优异的刺激发生器应能高保真地生成特定频率、特定声强和特定时程的声音刺激,并且能高时间精度地触发脑电采集系统。另外,刺激器还应该具有一定的灵活性,能帮助使用者方便有效地实现所需的声音刺激。本课题根据这些要求,在分析了现有设备的基础上,提出和实现了基于虚拟仪器技术的高性能音频发生器。实际测量表明这个系统能提供任意波形的刺激,并能提供与刺激信号同步的触发信号,满足上述要求,并可以实现一些传统刺激器不能实现的功能。按照刺激器实现方法的不同,目前常用AEP声刺激发生器可以分为两种基本类型。一种是利用计算机自带的声卡作为模拟声音信号输出,利用数字端口,如串口或并口输出触发信号标记刺激声出现的时刻。这种方式可称为“软”刺激器,主要是利用软件实现刺激参数的控制。由于计算机的操作系统在控制模拟和数字输出过程中实时同步存在误差,这种方式产生的触发信号的时间精度难以保证,一般在几毫秒到十几毫秒范围内,不适用于对AEP的早潜伏期成分,如听性脑干反应(Auditory brainstem response, ABR)的记录。第二种方式称为“硬”刺激器,利用专门的硬件实现声音模拟通路和触发数字通路同步输出信号,使刺激器的软硬件部分达到精确同步。这种方式一般和刺激软件配套,将常用的刺激方案固化,同时也提供一定程度的用户定制输出,但可调参数有限只能提供一些简单的声音刺激。目前国内大型医院和科研机构使用的听诱发电位仪绝大多数为进口仪器,如美国智听公司听诱发电位仪Smart EP、美国Nicolet Spirit脑诱发电位仪等。这类仪器在国内的研制目前尚属空白。并且,随着AEP研究的深入,一些特殊的刺激方案和声音种类的需求日益增多,如调频型chirp声、伪随机脉冲型的最大长序列(Maximum length sequence, MLS)等。这对刺激器的设计提出更高的要求。因此本文提出研制一种新的多功能音频刺激发生器,结合上述“软”刺激器和“硬”刺激器的优点,产生各类典型AEP用刺激声以及参数完全可调的任意波形刺激声信号,同时提供高精度同步触发信号。采用硬件和软件相结合的虚拟仪器技术来实现此刺激器的设计,在开放构架的基础上创建用户自定义的测试系统。本项目硬件部分采用NI公司的PCI6221采集卡进行设计。利用采集卡的两个模拟输出端口AO0和AO1分别作为左右声道,用数字端口PO作为触发信号的输出。为实现模拟输出和数字输出的多功能同步,各路端口采用共享同一个start trigger和共享同一个sample clock,保证operations在相同的时刻开始并以相同的速率输出信号。本项目软件部分采用NI公司的LabVIEW平台(laboratory virtual instrument engineering workbench,实验室虚拟仪器工作平台)开发完成,实现了刺激发生器界面的设计与刺激声波形的编辑。为满足不同的用户,特别是对LabVIEW不熟悉的使用者,本系统支持其它软件如MATLAB、文本编辑器等编辑的刺激文件,同时还支持直接录制的声音文件。声音刺激的每个参数在软件环境中都可根据实际需要进行设计,甚至可以对刺激波形的每个样本点做特殊处理,从而保证刺激声的每个参数都完全可控。实验结果表明,本系统不但能提供任意波形的声音刺激,同时能提供高精度的同步触发信号,刺激声与触发信号的同步时间误差小于1μs,几乎是同时刻输出,满足AEP记录仪对音频刺激发生器功能的要求。本系统的模拟输出(声刺激信号)与计算机声卡输出做比较,其各个音频参数都有一定优势。采样位数可达16bits,采样率可达48K以上,频响曲线比较平坦,声音失真度小,另外还可以通过多设备同步技术在满足高采样率的情况下消除左右声道的串扰问题,可以作为一个高性能的音频刺激发生器。综上,本文研制的音频刺激器实现了任意刺激波形与高精度同步触发的功能,可以作为AEP记录仪中的刺激发生器。本文使用的LabVIEW与DAQ相互兼容配套,使声刺激器的稳定度和可靠性得到保障,在硬件开放的基础上还便于功能的升级和扩展。此外,由于声音的声学参数和电学参数不同,本文只提供了一部分电学参数值作为参考,而对声学参数比较严格的刺激方案,本系统还需经过声级计、耦合腔等专用电声学设备做进一步的校准。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 诱发电位定义
• 1.2 听觉诱发电位基础
• 1.2.1 听觉诱发电位分类
• 1.2.2 听觉诱发电位的检测技术
• 1.2.3 AEP研究中的声刺激
• 1.2.4 国内外相关情况
• 1.3 本文研究内容与意义
• 1.4 本文结构
• 第二章 设计方法
• 第三章 刺激器功能设计
• 3.1 刺激类型
• 3.1.1 典型波形
• 3.1.2 wav文件格式
• 3.1.3 二进制文件格式
• 3.2 掩蔽噪声
• 3.3 刺激波形频谱分析
• 第四章 实现同步方法
• 4.1 硬件定时
• 4.2 同步原理
• 4.2.1 模数同步
• 4.2.2 多路模拟间的串扰问题
• 4.3 同步实现框图
• 第五章 结果分析与总结
• 5.1 结果
• 5.2 分析
• 5.3 听力测试中的换能器
• 5.4 参数测定
• 5.5 结论
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢
• 统计证明