聽覺誘發(fā)反應多功能聲刺激器設計.pdf

1、聽覺誘發(fā)電位(Auditory evoked potentials,AEP)作為一種電生理技術,廣泛應用于聽覺神經(jīng)通路信號處理機制研究和聽覺神經(jīng)系統(tǒng)病變的客觀檢查。AEP記錄儀主要分為兩部分:聲刺激發(fā)生器和數(shù)據(jù)采集與處理。其基本工作原理為:刺激發(fā)生器產(chǎn)生刺激聲信號,經(jīng)換能器(耳機)將刺激聲信號傳遞給受試者,同時觸發(fā)腦電數(shù)據(jù)采集裝置進行數(shù)據(jù)采集,對采集的數(shù)據(jù)進行濾波和平均疊加等一系列處理后提取AEP信號。在科學研究和臨床檢查中,通常需要用

2、不同的音頻刺激誘發(fā)不同的AEP,從而理解聽覺神經(jīng)通路的功能或者病變,因此,刺激發(fā)生器是AEP記錄儀的關鍵之一。根據(jù)我們實驗室的研究經(jīng)驗和對現(xiàn)有臨床AEP系統(tǒng)的分析,我們認為性能優(yōu)異的刺激發(fā)生器應能高保真地生成特定頻率、特定聲強和特定時程的聲音刺激,并且能高時間精度地觸發(fā)腦電采集系統(tǒng)。另外,刺激器還應該具有一定的靈活性,能幫助使用者方便有效地實現(xiàn)所需的聲音刺激。本課題根據(jù)這些要求,在分析了現(xiàn)有設備的基礎上,提出和實現(xiàn)了基于虛擬儀器技術的高

3、性能音頻發(fā)生器。實際測量表明這個系統(tǒng)能提供任意波形的刺激,并能提供與刺激信號同步的觸發(fā)信號,滿足上述要求,并可以實現(xiàn)一些傳統(tǒng)刺激器不能實現(xiàn)的功能。
　　 按照刺激器實現(xiàn)方法的不同,目前常用AEP聲刺激發(fā)生器可以分為兩種基本類型。一種是利用計算機自帶的聲卡作為模擬聲音信號輸出,利用數(shù)字端口,如串口或并口輸出觸發(fā)信號標記刺激聲出現(xiàn)的時刻。這種方式可稱為“軟”刺激器,主要是利用軟件實現(xiàn)刺激參數(shù)的控制。由于計算機的操作系統(tǒng)在控制模擬和數(shù)

4、字輸出過程中實時同步存在誤差,這種方式產(chǎn)生的觸發(fā)信號的時間精度難以保證,一般在幾毫秒到十幾毫秒范圍內(nèi),不適用于對AEP的早潛伏期成分,如聽性腦干反應(Auditory brainstem response,ABR)的記錄。第二種方式稱為“硬”刺激器,利用專門的硬件實現(xiàn)聲音模擬通路和觸發(fā)數(shù)字通路同步輸出信號,使刺激器的軟硬件部分達到精確同步。這種方式一般和刺激軟件配套,將常用的刺激方案固化,同時也提供一定程度的用戶定制輸出,但可調(diào)參數(shù)有限

5、只能提供一些簡單的聲音刺激。目前國內(nèi)大型醫(yī)院和科研機構使用的聽誘發(fā)電位儀絕大多數(shù)為進口儀器,如美國智聽公司聽誘發(fā)電位儀Smart EP、美國NicoletSpirit腦誘發(fā)電位儀等。這類儀器在國內(nèi)的研制目前尚屬空白。并且,隨著AEP研究的深入,一些特殊的刺激方案和聲音種類的需求日益增多,如調(diào)頻型chirp聲、偽隨機脈沖型的最大長序列(Maximum length sequence,MLS)等。這對刺激器的設計提出更高的要求。
　　

6、 因此本文提出研制一種新的多功能音頻刺激發(fā)生器,結合上述“軟”刺激器和“硬”刺激器的優(yōu)點,產(chǎn)生各類典型AEP用刺激聲以及參數(shù)完全可調(diào)的任意波形刺激聲信號,同時提供高精度同步觸發(fā)信號。采用硬件和軟件相結合的虛擬儀器技術來實現(xiàn)此刺激器的設計,在開放構架的基礎上創(chuàng)建用戶自定義的測試系統(tǒng)。本項目硬件部分采用NI公司的PCI6221采集卡進行設計。利用采集卡的兩個模擬輸出端口AO0和AO1分別作為左右聲道,用數(shù)字端口PO作為觸發(fā)信號的輸出。為實

7、現(xiàn)模擬輸出和數(shù)字輸出的多功能同步,各路端口采用共享同一個start trigger和共享同一個sample clock,保證operations在相同的時刻開始并以相同的速率輸出信號。本項目軟件部分采用NI公司的LabVIEW平臺(laboratory virtual instrument engineering workbench,實驗室虛擬儀器工作平臺)開發(fā)完成,實現(xiàn)了刺激發(fā)生器界面的設計與刺激聲波形的編輯。為滿足不同的用戶,特別是

8、對LabVIEW不熟悉的使用者,本系統(tǒng)支持其它軟件如MATLAB、文本編輯器等編輯的刺激文件,同時還支持直接錄制的聲音文件。聲音刺激的每個參數(shù)在軟件環(huán)境中都可根據(jù)實際需要進行設計,甚至可以對刺激波形的每個樣本點做特殊處理,從而保證刺激聲的每個參數(shù)都完全可控。
　　 實驗結果表明,本系統(tǒng)不但能提供任意波形的聲音刺激,同時能提供高精度的同步觸發(fā)信號,刺激聲與觸發(fā)信號的同步時間誤差小于1μs,幾乎是同時刻輸出,滿足AEP記錄儀對音頻刺

9、激發(fā)生器功能的要求。本系統(tǒng)的模擬輸出(聲刺激信號)與計算機聲卡輸出做比較,其各個音頻參數(shù)都有一定優(yōu)勢。采樣位數(shù)可達16bits,采樣率可達48K以上,頻響曲線比較平坦,聲音失真度小,另外還可以通過多設備同步技術在滿足高采樣率的情況下消除左右聲道的串擾問題,可以作為一個高性能的音頻刺激發(fā)生器。
　　 綜上,本文研制的音頻刺激器實現(xiàn)了任意刺激波形與高精度同步觸發(fā)的功能,可以作為AEP記錄儀中的刺激發(fā)生器。本文使用的LabVIEW與D