文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.015
中文引用格式: 何超文,張志忠,林霖,等. 基于USB聲卡的便攜式AEP檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(1):58-60,64.
英文引用格式: He Chaowen,Zhang Zhizhong,Lin Lin,et al. Design of a portable AEP detecting system based on USB soundcard[J].Application of Electronic Technique,2016,42(1):58-60,64.
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檢測和分析方法對常規(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?。徊⑴浜陷斎攵丝诘募夹g(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,由初級放大部分、右腿驅(qū)動(dòng)部分、帶通濾波部分及后級放大部分構(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?,?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)后級放大部分
后級放大部分采用一塊OPA2227芯片構(gòu)成兩級放大,放大倍數(shù)分別為25倍和50倍。結(jié)合初級部分的26倍增益,讓預(yù)處理電路的增益約為32 500倍,幅度為微伏級的AEP經(jīng)過預(yù)處理電路放大后變?yōu)榉丶壓筝斎肼暱↙ineIn1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USB聲卡的控制,達(dá)到AEP檢測分析及結(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)檢測模塊
信號(hào)檢測模塊,其中含有ABR檢測模塊、MLR檢測模塊和LLR檢測模塊。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)和檢測結(jié)果,并可實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的打印。
4 ABR檢測實(shí)驗(yàn)
對本檢測系統(tǒng)的檢測結(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檢測中要求最高的,因此ABR是AEP中較難檢測的成分[1]。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)常規(guī)ABR檢測實(shí)驗(yàn),在本系統(tǒng)下對同一受試者重復(fù)進(jìn)行兩次常規(guī)ABR記錄。本ABR檢測中使用長度為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NeuroScan公司的SynAmps2儀器和本系統(tǒng)記錄ABR的結(jié)果對比。受試者用本檢測系統(tǒng)測得的結(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。經(jīng)ABR檢測結(jié)果證明,本系統(tǒng)不但滿足AEP信號(hào)檢測的要求,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途徑。
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