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(píng)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(cè)和分析方法對(duì)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(cè)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(jì)的專門電路，價(jià)格昂貴且體積龐大、新技術(shù)應(yīng)用落后。目前高性能的計(jì)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(xiàng)指標(biāo)完全可以滿足AEP檢測(cè)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(jì)一種基于USB聲卡的便攜式聽覺誘發(fā)電位檢測(cè)系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)作為主要工作平臺(tái)，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(shí)利用多余的輸入輸出通道實(shí)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(jì)了一個(gè)信號(hào)預(yù)處理模塊實(shí)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(jì)可實(shí)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(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    本檢測(cè)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(jì)算機(jī)等部分構(gòu)成。本系統(tǒng)以便攜式計(jì)算機(jī)作為主要工作平臺(tái)，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(shí)現(xiàn)對(duì)USB聲卡的控制，實(shí)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(tái)設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)信號(hào)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(diǎn)，利用聲卡LineOut端口完成對(duì)音頻數(shù)字信號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)刺激聲發(fā)放；利用聲卡LineIn端口完成對(duì)AEP信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，全雙工工作方式滿足了實(shí)際AEP檢測(cè)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(jí)的微弱信號(hào)，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?yàn)锳EP在聲音刺激后的固定時(shí)間內(nèi)，具有鎖相保持和極性不變的特性，噪聲干擾信號(hào)則無此特性^[5]。因此，AEP檢測(cè)要求刺激聲發(fā)放和信號(hào)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(hào)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(diǎn)，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(hào)，用于疊加平均算法時(shí)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(hào)，從電極引出的AEP先經(jīng)過預(yù)處理電路調(diào)理后，再傳入U(xiǎn)SB聲卡的LineIn1端口中，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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(jí)放大部分、右腿驅(qū)動(dòng)部分、帶通濾波部分及后級(jí)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(shí)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(jí)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(jí)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(jí)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(diǎn)，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(hào)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?shí)現(xiàn)限幅效果，防止過高的輸入電壓。低通濾波電路用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(hào)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(gè)1 kΩ高精度電阻串聯(lián)組成，初級(jí)放大增益約為26倍。

   (2)右腿驅(qū)動(dòng)部分

    在強(qiáng)背景噪聲干擾下，微弱AEP極難被提取出來，此時(shí)需要電生理信號(hào)采集常用右腿驅(qū)動(dòng)技術(shù)。右腿驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以減弱人體的共模信號(hào)，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(gè)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(yùn)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(hào)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(jí)放大后，腦電信號(hào)除了含有AEP外，還包括有低頻人體運(yùn)動(dòng)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(yùn)放芯片OPA2227(，130 dB CMRR)構(gòu)建二階Sallen-

Key帶通濾波。通過設(shè)置運(yùn)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(jí)放大部分

    后級(jí)放大部分采用一塊OPA2227芯片構(gòu)成兩級(jí)放大，放大倍數(shù)分別為25倍和50倍。結(jié)合初級(jí)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(jí)的AEP經(jīng)過預(yù)處理電路放大后變?yōu)榉丶?jí)后輸入聲卡LineIn1端口。調(diào)理后的腦電信號(hào)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(hào)處理。

2.3 筆記本計(jì)算機(jī)

    筆記本計(jì)算機(jī)是整個(gè)AEP檢測(cè)系統(tǒng)的控制終端，通過運(yùn)行內(nèi)設(shè)的上位機(jī)程序，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能。上位機(jī)程序以Visual C#平臺(tái)編寫，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各個(gè)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(hào)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(jì)供電電源，直接采用便攜式計(jì)算機(jī)USB接口供電。計(jì)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(shí)間短、電壓轉(zhuǎn)換電路龐大等問題，并可減少整個(gè)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(tái)設(shè)計(jì)

    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(tái)，采用多線程控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)USB聲卡的控制，達(dá)到AEP檢測(cè)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(chǔ)、數(shù)據(jù)處理及界面顯示6個(gè)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(hào)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)同步刺激聲發(fā)放和腦電信號(hào)信號(hào)采集。

3.2 信號(hào)檢測(cè)模塊

    信號(hào)檢測(cè)模塊，其中含有ABR檢測(cè)模塊、MLR檢測(cè)模塊和LLR檢測(cè)模塊。三個(gè)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(shí)現(xiàn)AEP成分提取和AEP的檢測(cè)結(jié)果顯示。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)數(shù)據(jù)和檢測(cè)結(jié)果，并可實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的打印。

4 ABR檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

    對(duì)本檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)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(yàn)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(cè)中要求最高的，因此ABR是AEP中較難檢測(cè)的成分^[1]。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)常規(guī)ABR檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，在本系統(tǒng)下對(duì)同一受試者重復(fù)進(jìn)行兩次常規(guī)ABR記錄。本ABR檢測(cè)中使用長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)操作等要求均按照常規(guī)ABR檢測(cè)實(shí)驗(yàn)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(gè)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(guó)NeuroScan公司的SynAmps2儀器和本系統(tǒng)記錄ABR的結(jié)果對(duì)比。受試者用本檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)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(cè)系統(tǒng)，在基于Windows 7操作系統(tǒng)和Visual C#軟件平臺(tái)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(shí)現(xiàn)AEP的可靠性檢測(cè)。經(jīng)ABR檢測(cè)結(jié)果證明，本系統(tǒng)不但滿足AEP信號(hào)檢測(cè)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(diǎn)，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(cè)途徑。

參考文獻(xiàn)

[1] 李興啟，鄭杰夫，郗昕.聽覺誘發(fā)反應(yīng)及應(yīng)用[M].北京：人民軍醫(yī)出版社，2007.

[2] WANG T.A preliminary investigation of the deconvolution of auditory evoked potentials using a session jittering paradigm[J].J Neural Eng，2013，10(2)：026023.

[3] 馮潔婷，顏剛，王濤，等.Tikhonov正則化參數(shù)選擇對(duì)高速率刺激聽覺誘發(fā)電位重建的影響[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2012，25(1)：54-60.

[4] 趙仕波，羅耀華，趙文華.聽覺誘發(fā)電位儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29(3)：594-599.

[5] 陳靜，孫迎.聽覺誘發(fā)電位提取技術(shù)進(jìn)展[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2013，32(3)：320-324.

[6] 余學(xué)飛，葉繼倫，張寧，等.現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計(jì)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2013.

[7] 司峻峰，寧新寶，薛方.聽覺誘發(fā)電位檢測(cè)及分析[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2003，39(1)：68-75.

[8] GORGA MICHAEL P.Auditory brainstem responses to tone bursts in normally hearing subjects[J].J Acoustical Society of America，1987.