關(guān)于嵌入式聽力診斷系統(tǒng)中如何偽跡消除

1 概述

聽力與語言是人類互相交流和認(rèn)識(shí)世界的重要手段，然而耳病和聽力障礙的陰霾卻困擾著人類。對(duì)于新生兒來說，越早診斷出聽力損傷則治愈幾率越大，因此用聽力篩查儀對(duì)他們進(jìn)行聽力篩查尤為重要，聽力診斷設(shè)備能夠及早發(fā)現(xiàn)他們的聽力損傷程度并給予及時(shí)幫助。而對(duì)于成年人及老年人來說，良好的聽力診斷設(shè)備不僅能夠幫助他們了解自己的聽覺系統(tǒng)，還能協(xié)助聽力障礙殘疾人士選配恰當(dāng)?shù)闹犉?，幫助他們恢?fù)健康生活。

耳聲發(fā)射（Otoacoustic Emissions，OAEs）是一種產(chǎn)生于耳蝸，經(jīng)聽骨鏈及鼓膜傳導(dǎo)釋放入外耳道的音頻能量，它是目前臨床廣泛采用的客觀聽力測(cè)試的途徑之一。在外耳道中，由于耳聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度非常低，一般不超過20dB SPL（其中，SPL的含義是聲壓級(jí)，這一參數(shù)是國(guó)家計(jì)量部門用來校準(zhǔn)各種聽力儀器的基準(zhǔn)值），而刺激偽跡相對(duì)要強(qiáng)得多，因此刺激偽跡的抑制一直是OAEs測(cè)量中很重要又很棘手的問題。本文對(duì)OAEs檢測(cè)算法進(jìn)行了研究，在嵌入式聽力診斷系統(tǒng)中綜合運(yùn)用了目前的信號(hào)處理方法，在偽跡消除方面取得很好的效果。

2 耳聲發(fā)射信號(hào)的構(gòu)成

誘發(fā)耳聲發(fā)射信號(hào)在外耳道內(nèi)的構(gòu)成可以用圖1的模型來近似表示。

圖1 誘發(fā)耳聲發(fā)射信號(hào)在外耳道內(nèi)信號(hào)模型

圖1中，G1表示聲信號(hào)經(jīng)外耳和中耳的傳遞函數(shù)，其中包括外耳道、鼓膜及聽骨鏈的響應(yīng)；G2表示聲能在聽覺傳導(dǎo)通路中的反射；L（t）表示刺激聲經(jīng)過聽覺通路的傳播、反射后在外耳道內(nèi)的響應(yīng)信號(hào)，即刺激偽跡；NL與NL（t）表示刺激聲誘發(fā)的耳蝸響應(yīng)，即耳聲發(fā)射信號(hào)；N（t）表示外耳道內(nèi)的隨機(jī)噪聲，R（t）表示耳道內(nèi)的信號(hào)。R（t）可以表示為：

R（t）=L（t）+NL（t）+N（t）

由于耳聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度非常低，一般不超過20dB SPL，所以在誘發(fā)的耳聲發(fā)射信號(hào)中刺激偽跡占了很大比例，在OAEs測(cè)量中，必須對(duì)刺激偽跡進(jìn)行有效的抑制。

3 偽跡消除的方案

在聽力正常的情況下，TEOAEs（Transient-Evoked Otoacustic Emissions，瞬態(tài)誘發(fā)耳聲發(fā)射）相對(duì)于刺激信號(hào)的延遲時(shí)間為3～5ms，持續(xù)時(shí)間為15 ms左右。TEOAEs的頻率成分與刺激信號(hào)的構(gòu)成有很大關(guān)系。TEOAEs的潛伏期與頻率有關(guān)，在時(shí)間上高頻成分出現(xiàn)在先，低頻成分出現(xiàn)在后。根據(jù)英國(guó)學(xué)者Kmep的報(bào)道：5 000Hz的TEOAEs的潛伏期為4ms，而500 Hz的信號(hào)潛伏期則在12 ms左右，這種現(xiàn)象主要是因?yàn)椴煌l率的行波在基底膜上行走的距離不等。刺激聲強(qiáng)度對(duì)TEOAEs的波形和幅度也有一定的影響，高刺激強(qiáng)度時(shí)可以得到OAEs更寬的頻率范圍。隨著刺激強(qiáng)度的降低，OAEs的能量越來越窄地集中到幾個(gè)接近自發(fā)耳聲發(fā)射的頻率上。用較高刺激強(qiáng)度可以得到耳蝸更全面的信息，但也相應(yīng)增加了刺激偽跡（外耳道及中耳道對(duì)刺激聲的直接反射）的強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間。所以，在TEOAEs檢測(cè)時(shí)需要對(duì)刺激偽跡進(jìn)行消除。其相關(guān)系數(shù)如圖2所示。

圖2 TEOAEs相對(duì)于刺激延遲時(shí)間系數(shù)圖

3.1 時(shí)域加窗法

從刺激開始算起約經(jīng)過5 ms的時(shí)間偽跡就可以基本消失，而TEOAEs有3～5 ms的潛伏期。由于從刺激開始算起0～2.5 ms主要是偽跡成分，常常把這段時(shí)域內(nèi)的信號(hào)設(shè)為0；而2.5～5.1 ms時(shí)域內(nèi)為TEOAEs與偽跡共存區(qū)域，隨著時(shí)間的增加，偽跡成分逐漸減少而TEOAEs的成分逐漸增多。在5.1～20 ms時(shí)段主要是TEOAEs，因?yàn)榇藭r(shí)域窗選擇為余弦上升或下降的矩形窗，余弦上升或下降時(shí)間一般為2.5 ms或2.6 ms。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是能將刺激偽跡很干凈地去除，且方法簡(jiǎn)單，但TEOAEs中部分短潛伏期的成分（一般為高頻成分）也同時(shí)被去掉了。

3.2 非線性差分平均法

非線性差分平均（DNRL）又稱之為“導(dǎo)出的分線性響應(yīng)”。其基本原理是把采集波x（t）表示成反射波R（t）和耳聲發(fā)射波OAEs（t）的疊加：

x（t）=R（t）+OAEs（t）

假設(shè)反射波R（t）主要是線性成分，它與刺激聲強(qiáng)度成正比增加；而OAEs（t）在適當(dāng)?shù)拇碳?qiáng)度范圍內(nèi)呈飽和特性，它基本不隨刺激強(qiáng)度增大而增加，即具有非線性特點(diǎn)。因此，把相鄰4次刺激記錄作為一組，其中后3次刺激強(qiáng)度和極性相同，第1次刺激強(qiáng)度是后3次的3倍且極性相反，最后取4次記錄累加平均，則有：

把所得結(jié)果加大一倍便是所要的OAEs（t）波形。DNLR方法的突出優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)刺激聲強(qiáng)度較大時(shí)，即TEOAEs表現(xiàn)為較強(qiáng)的飽和非線性時(shí)，可以有效地去除偽跡。但是，它也存在以下2個(gè)缺點(diǎn)：

①實(shí)際的TEOAEs不僅有非線性成分，還有線性成分。當(dāng)刺激強(qiáng)度較高使得TEOAEs接近飽和區(qū)時(shí)，非線性成分是占主要的，此時(shí)該方法效果較好；但當(dāng)刺激強(qiáng)度較低使得TEOAEs處于非飽和區(qū)時(shí)，線性成分是主要的，在此情況下DNLR方法是不可行的。

②與采用相同刺激的相干平均法相比，DNRL方法會(huì)使信噪比降低，且經(jīng)其處理后得到的TEOAEs的幅度會(huì)減少。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試條件：在本實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的嵌入式聽力診斷系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試；背景噪聲小于50 dB SPL；刺激信號(hào)強(qiáng)度為80 dB SPL。

在處理信號(hào)方案的設(shè)計(jì)中，綜合運(yùn)用了時(shí)域加窗法和非線性差分平均方法：先用余弦上升為2.5 ms余弦矩形窗，以濾去潛伏期的偽跡；然后用非線性差分平均方法，濾去潛伏期后的偽跡。這樣綜合了上述兩種去偽跡的方法的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了各自的不足，取得了很好的信噪比，達(dá)到了消除偽跡的目的。

對(duì)10個(gè)年輕人的單側(cè)耳進(jìn)行瞬態(tài)誘發(fā)而進(jìn)行測(cè)試，并估算出的信噪比，其結(jié)果如表1所列。

表1中，第一行的數(shù)據(jù)是采用單純的時(shí)域加窗的方法所得到的信噪比；第二行采用綜合的方法，即先后使用了時(shí)域加窗法和非線性差分平均法。從表1可以看出，信噪比得到了顯著的改善。