聽覺誘發(fā)反應(yīng)多功能聲刺激器設(shè)計(jì).pdf

1、聽覺誘發(fā)電位(Auditory evoked potentials,AEP)作為一種電生理技術(shù),廣泛應(yīng)用于聽覺神經(jīng)通路信號(hào)處理機(jī)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(hào),經(jīng)換能器(耳機(jī))將刺激聲信號(hào)傳遞給受試者,同時(shí)觸發(fā)腦電數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和平均疊加等一系列處理后提取AEP信號(hào)。在科學(xué)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(guān)鍵之一。根據(jù)我們實(shí)驗(yàn)室的研究經(jīng)驗(yàn)和對(duì)現(xiàn)有臨床AEP系統(tǒng)的分析,我們認(rèn)為性能優(yōu)異的刺激發(fā)生器應(yīng)能高保真地生成特定頻率、特定聲強(qiáng)和特定時(shí)程的聲音刺激,并且能高時(shí)間精度地觸發(fā)腦電采集系統(tǒng)。另外,刺激器還應(yīng)該具有一定的靈活性,能幫助使用者方便有效地實(shí)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(shè)備的基礎(chǔ)上,提出和實(shí)現(xiàn)了基于虛擬儀器技術(shù)的高

3、性能音頻發(fā)生器。實(shí)際測(cè)量表明這個(gè)系統(tǒng)能提供任意波形的刺激,并能提供與刺激信號(hào)同步的觸發(fā)信號(hào),滿足上述要求,并可以實(shí)現(xiàn)一些傳統(tǒng)刺激器不能實(shí)現(xiàn)的功能。
　　 按照刺激器實(shí)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(jì)算機(jī)自帶的聲卡作為模擬聲音信號(hào)輸出,利用數(shù)字端口,如串口或并口輸出觸發(fā)信號(hào)標(biāo)記刺激聲出現(xiàn)的時(shí)刻。這種方式可稱為“軟”刺激器,主要是利用軟件實(shí)現(xiàn)刺激參數(shù)的控制。由于計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)在控制模擬和數(shù)

4、字輸出過程中實(shí)時(shí)同步存在誤差,這種方式產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)的時(shí)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(duì)AEP的早潛伏期成分,如聽性腦干反應(yīng)(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(shí)現(xiàn)聲音模擬通路和觸發(fā)數(shù)字通路同步輸出信號(hào),使刺激器的軟硬件部分達(dá)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(shí)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(jiǎn)單的聲音刺激。目前國(guó)內(nèi)大型醫(yī)院和科研機(jī)構(gòu)使用的聽誘發(fā)電位儀絕大多數(shù)為進(jìn)口儀器,如美國(guó)智聽公司聽誘發(fā)電位儀Smart EP、美國(guó)NicoletSpirit腦誘發(fā)電位儀等。這類儀器在國(guó)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(jī)脈沖型的最大長(zhǎng)序列(Maximum length sequence,MLS)等。這對(duì)刺激器的設(shè)計(jì)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(jié)合上述“軟”刺激器和“硬”刺激器的優(yōu)點(diǎn),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(hào),同時(shí)提供高精度同步觸發(fā)信號(hào)。采用硬件和軟件相結(jié)合的虛擬儀器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)此刺激器的設(shè)計(jì),在開放構(gòu)架的基礎(chǔ)上創(chuàng)建用戶自定義的測(cè)試系統(tǒng)。本項(xiàng)目硬件部分采用NI公司的PCI6221采集卡進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用采集卡的兩個(gè)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(hào)的輸出。為實(shí)

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(gè)start trigger和共享同一個(gè)sample clock,保證operations在相同的時(shí)刻開始并以相同的速率輸出信號(hào)。本項(xiàng)目軟件部分采用NI公司的LabVIEW平臺(tái)(laboratory virtual instrument engineering workbench,實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái))開發(fā)完成,實(shí)現(xiàn)了刺激發(fā)生器界面的設(shè)計(jì)與刺激聲波形的編輯。為滿足不同的用戶,特別是

8、對(duì)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(shí)還支持直接錄制的聲音文件。聲音刺激的每個(gè)參數(shù)在軟件環(huán)境中都可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì),甚至可以對(duì)刺激波形的每個(gè)樣本點(diǎn)做特殊處理,從而保證刺激聲的每個(gè)參數(shù)都完全可控。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本系統(tǒng)不但能提供任意波形的聲音刺激,同時(shí)能提供高精度的同步觸發(fā)信號(hào),刺激聲與觸發(fā)信號(hào)的同步時(shí)間誤差小于1μs,幾乎是同時(shí)刻輸出,滿足AEP記錄儀對(duì)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(hào))與計(jì)算機(jī)聲卡輸出做比較,其各個(gè)音頻參數(shù)都有一定優(yōu)勢(shì)。采樣位數(shù)可達(dá)16bits,采樣率可達(dá)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(shè)備同步技術(shù)在滿足高采樣率的情況下消除左右聲道的串?dāng)_問題,可以作為一個(gè)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(shí)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