0 引言

    聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位(Auditory Evoked Potential,，AEP)是聽(tīng)覺(jué)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(tīng)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(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位是研究聽(tīng)覺(jué)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(tīng)性腦干反應(yīng)可用于聽(tīng)力篩查,、聽(tīng)閾評(píng)估、聽(tīng)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(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位儀,，采用封閉式設(shè)計(jì)的專(zhuān)門(mén)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(mǎn)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(mǎn)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(tīng)覺(jué)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(lái)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(guò)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(mǎn)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(tīng)覺(jué)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(méi)^[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(wú)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(guò)回采的形式把所發(fā)放的刺激聲記錄下來(lái),，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(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位信號(hào),，從電極引出的AEP先經(jīng)過(guò)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(méi)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái),，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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(xiě)，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(mǎn)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(wèn)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(kāi)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(tīng)覺(jué)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(kāi)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(huà)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(tīng)覺(jué)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(mǎn)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,。

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