陳世雄 鄧 軍,2 李光林

1（中國科學院深圳先進技術研究院 深圳 518055）

2（重慶大學通信工程學院 重慶 400044）

1 引 言

耳聲發(fā)射(Otocoustic Emissions)是耳蝸主動向外釋放的一種微弱的聲音能量[1-3]。這種振動的能量來源于健康內(nèi)耳中的外毛細胞(Outer Hair Cells)。外毛細胞的活動能增強基底膜的機械振動并釋放多余的能量，通過卵圓窗、聽骨鏈及鼓膜傳至外耳道[4]。這種在外耳道記錄到的、源自內(nèi)耳的聲音稱為耳聲發(fā)射(Otoacoustic Emissions)。如果毛細胞遭到破壞，耳聲發(fā)射信號就會減小甚至消失[3]，因此耳聲發(fā)射檢測提供了一種直接了解內(nèi)耳毛細胞活動和功能狀況的窗口。同時，內(nèi)耳不同位置的毛細胞發(fā)出不同頻率的耳聲發(fā)射信號，因而測量不同頻率的耳聲發(fā)射信號就可以了解不同位置的毛細胞的健康狀況。耳聲發(fā)射檢測具有快速、簡便、無創(chuàng)、靈敏的特點，只需要在外耳道放置集成了耳機和麥克風的探頭，播放刺激聲并記錄人耳的反饋即可[1,2]。耳聲發(fā)射檢測對人體無任何損害，也不需要受試者的任何主觀反應，因此它已經(jīng)被廣泛用于新生兒聽力篩選和成人聽力檢測[2,3,5]。

畸變產(chǎn)物耳聲發(fā)射 DPOAE 采用兩個固定頻率的純音(f1, f2, f1＜ f2)刺激內(nèi)耳毛細胞[6]。由于耳蝸的非線性特征，誘發(fā)的耳聲發(fā)射信號頻率為刺激聲頻率的組合mf1＋nf2(m, n為整數(shù))。對于人耳，頻率為 2f1－f2的立方差異音(Cubic Different Tone, CDT)幅度最大，所以臨床上的 DPOAE 檢測大多測量立方差異音成分[7]。與其他類型的刺激聲誘發(fā)的耳聲發(fā)射信號相比，DPOAE 信號檢測更加簡單，只需要對外耳道記錄到的反饋信號進行快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT )，然后取出 2f1－f2處的頻譜信息即可。DPOAE 信號的幅度和相位可以精確的反映內(nèi)耳外毛細胞的非線性特征和耳蝸的健康狀況[8,9]，同時 DPOAE 具有很好的頻率特性和較寬的頻譜范圍，因此 DPOAE 檢測已經(jīng)成為臨床上的一項標準的測試項目。

然而，目前臨床 DPOAE 檢測方法受頻率固定的純音的限制，存在一定的不足。這些不足主要表現(xiàn)在：(1)采用頻率固定的純音誘發(fā) DPOAE，一次只能完成對單一頻率點的檢測，整個聽力區(qū)域檢測耗時長，因此效率極低，且受試者因長時間測量感到疲勞，由此引入的人為噪聲也會隨之加大，長時間測量對于一些好動的兒童并不可行；(2)臨床上 DPOAE檢測只測量離散的頻率點，且頻率點相距較大(臨床上一般測量 0.5, 1, 2, 3 ,4, 5, 6, 8 kHz 等標準頻率)，頻率檢測的分辨率不夠，因而對于聽力損失的頻率定位不夠精確，不能客觀準確反映受試者的聽力損失狀況[10]。

針對以上不足，本文提出了一種利用掃頻信號檢測 DPOAE 耳聲發(fā)射的方法。掃頻信號的優(yōu)勢在于其頻率可隨時間連續(xù)變化，因此可在短時間內(nèi)完成對多個頻率的測量。掃頻技術廣泛應用于機械結構、自動控制系統(tǒng)、電子線路以及聲學系統(tǒng)的動態(tài)特性測試[11]。利用掃頻信號取代純音信號進行 DPOAE 檢測，可以使測量時間大大縮短，同時提高耳聲發(fā)射結果的分辨率。本文將圍繞掃頻 DPOAE 耳聲發(fā)射的生成、提取和應用展開具體介紹。

2 實驗方法

2.1 受試者

本實驗共招募受試者 15 人(6 男 9 女，年齡在23～31 歲之間)。在進行本實驗前，每人都參加了標準的聽力圖測試。聽力圖測試結果顯示，12 名受試者具有正常的聽力功能，在每個標準測量頻率點的聽力閾值低于 20 dB HL(Hearing Loss)，另外三名受試者由于存在長期的噪聲暴露史，在高于 5 kHz 的頻率處具有輕微的聽力損失(5 kHz 以上的聽力閾值高于20 dB HL)。本實驗安排所有的受試者躺在一張舒服的床上，在相對安靜的環(huán)境下進行耳聲發(fā)射檢測，每次實驗時間持續(xù)時長約 15～20 分鐘。整個實驗過程符合中國科學院深圳先進技術研究院人體倫理道德規(guī)范(SIAT-IRB-130124-H0015)。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖1 實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1 所示。信號的發(fā)生與采集采用的是創(chuàng)新 E-MU 0204 USB 2.0 聲卡，該聲卡提供兩個甲級前置放大器，支持全雙工 24 bit/192 kHz的錄制和回放，性噪比高達 113 dB。聲卡輸出的電平通過 ER-2 耳機(Etymotic Research, Inc.)發(fā)出設計的掃頻刺激聲、經(jīng)放置在外耳道的耳機/麥克風探頭播放。同時，麥克風將人耳的反饋信號轉換成電平，通過耳聲發(fā)射實驗專用的放大器 ER-10、經(jīng) L-Line 輸入口接回聲卡完成數(shù)據(jù)采集功能。信號采樣頻率為 48 kHz，采集到的數(shù)據(jù)最后由 Matlab 軟件進行離線分析。

2.3 實驗步驟

本研究的掃頻刺激聲在頻域產(chǎn)生，基本思路是首先構建期望的幅度譜和相位譜，其中幅度譜根據(jù)需求可以構建任意函數(shù)形式的幅度-頻率曲線，相位譜根據(jù)掃頻信號頻率-時間曲線，利用群延遲積分得到，最后通過反傅里葉變換(iFFT)得到時域的掃頻信號[12]。由于鼓膜的反射作用，聲音在耳道的傳播過程中會產(chǎn)生駐波現(xiàn)象，從而造成鼓膜處的聲壓幅度與設計的聲壓值存在較大的差異[13,14]。本文采用了聲壓反饋技術來避免這一問題。首先將幅度譜初始化，形成頻率的常函數(shù)，合成并播放掃頻信號。然后將外耳道記錄到的聲壓頻譜與期望頻譜的差值作為反饋，調(diào)整掃頻信號各頻率分量的幅度，然后重新合成掃頻信號。以上反饋調(diào)整過程不斷循環(huán)，直至實際和期望響應的差值分貝數(shù)達到誤差允許范圍[15]。經(jīng)過這一校準過程的掃頻刺激聲，進入耳朵時各頻率成分的幅度相等，并等于期望的分貝數(shù)，保證了掃頻 DPOAE 結果用于聽力損失檢測的可靠性。

掃頻 DPOAE 檢測采用兩個具有一定頻率比和幅度比關系的掃頻信號(a 和 b)作為刺激聲。其中信號 a的頻率在 1 s 的時間內(nèi)從 400 Hz 線性增加到 10 kHz，信號強度取校準后對應頻率段的強度值。兩個信號的強度頻率比固定[7]( fb／fa=1.2，La－Lb=5 dB，其中 fa、fb分別為 a、b 的實時信號頻率，La、Lb為信號a、b 的強度)，兩個掃頻刺激聲和其誘發(fā)得到的 CDT信號的時頻關系如圖2(a)所示。在實驗過程中，兩個掃頻刺激聲同時在耳朵同一側播放，并用麥克風記錄內(nèi)耳的反饋信號。刺激聲組合方式如圖2(b)所示：信號 a 在第 1、3 段播放，信號 b 在第 2、3 段播放。

信號 a 的強度在 40～60 dB 之間以步長 5 dB 進行變化，一共可以測得 5 組不同刺激聲幅度的數(shù)據(jù)。每組幅度下重復播放三段刺激聲 20 次。即在同一次刺激實驗中，固定刺激聲頻率范圍(400 Hz～10 kHz)和頻率強度比(fb／fa=1.2，La－Lb=5 dB)，刺激聲每段時長為 1 s，改變主次刺激聲強度(La、Lb)進行掃頻DPOAE 測試。為了驗證非人耳能否產(chǎn)生掃頻 DPOAE耳聲發(fā)射信號，本文除了在 15 個受試者上進行測試以外，還在 1 段塑料試管中進行了非人耳的 DPOAE耳聲發(fā)射測試。塑料試管的長度為 2.5 厘米，接近正常人的耳道長度。

2.4 數(shù)據(jù)分析

掃頻 DPOAE 檢測采集的數(shù)據(jù)包含了刺激聲偽跡(fa，fb)、耳聲發(fā)射信號(mfa＋nfb)和背景噪聲，進一步的聽力損失分析需要從這種復雜的背景提取出純凈 CDT(2fa－fb)信號。數(shù)據(jù)分析流程如圖3 所示，實驗數(shù)據(jù)的預處理主要分為刺激聲偽跡消除和環(huán)境噪聲的初步消除。如圖2(b)的“三段式”組合方式播放的刺激聲，實驗得到的數(shù)據(jù)也可以分成三段(用 m1，m2，m3分別表示第 1、2、3 段)。由于耳聲發(fā)射信號具有非線性特性，而刺激聲干擾呈線性特性，對實驗記錄信號做線性變化 p=m3－m2－m1可以初步消除刺激聲的干擾。實驗過程中，受試者基本在相對安靜的環(huán)境下進行，但仍然無法避免實驗過程中吞咽、身體挪動引入的脈沖噪聲以及實驗環(huán)境噪聲。本文主要采用了高通濾波、閾值拒絕和相關平均來提高信噪比。將差值 p 通過一個 400 Hz 的高通濾波器，可以濾除低頻環(huán)境噪聲。上面實驗步驟中提到，在每組刺激幅度下，共采集 20 次數(shù)據(jù)，脈沖噪聲會造成信號時域上某一處的幅度值特別大，本文取出每次數(shù)據(jù)的最大值，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計學中的閾值拒絕準則，將最大值落在 95% 的置信區(qū)間(μ－2σ，μ＋2σ)外的數(shù)據(jù)拒絕(μ，σ 為均值和標準差)，剩下的數(shù)據(jù)相干平均。經(jīng)過預處理的數(shù)據(jù)可以初步消除刺激聲偽跡和環(huán)境噪聲的影響，提高數(shù)據(jù)的信噪比。將預處理過后的數(shù)據(jù)通過一個動態(tài)跟蹤濾波器[16]，可以提取出純凈的 CDT信號，最后經(jīng)過短時傅立葉變換，同時觀察 CDT 信號不同時間段的頻率和幅度特征。

圖2 刺激聲參數(shù)設定和組合方式圖

圖3 數(shù)據(jù)分析流程圖

3 實驗結果

3.1 預處理消除噪聲結果

本文提出的掃頻 DPOAE 檢測雖然在相對安靜的環(huán)境下進行實驗，但是仍然避免不了在采集數(shù)據(jù)中引入不同類型的噪聲，環(huán)境低頻噪聲可以利用高通濾波器濾除，但是仍存在受試者實驗過程中引入的脈沖噪聲，如圖4(a)所示，實驗數(shù)據(jù)中有很明顯的脈沖噪聲，本文根據(jù)脈沖噪聲時域幅度沖激特性，選用數(shù)理統(tǒng)計學的閾值拒絕準則，取出 20 組測量數(shù)據(jù)的最大值，構成一個數(shù)據(jù)集合，根據(jù) 95% 的置信區(qū)間，將數(shù)據(jù)集中落在(μ－2σ，μ＋2σ)外的數(shù)據(jù)刪除。如圖4(b)中，紅色圓形表示原始數(shù)據(jù)每組的最大值，兩條黑色的虛線表示的是 95% 的置信區(qū)間，很明顯可以看出，第 10 組的采集數(shù)據(jù)存在脈沖噪聲干擾，實驗數(shù)據(jù)應該被拒絕，藍色‘＋’表示被接受的數(shù)據(jù)組。圖4(c)表示的是去除脈沖噪聲干擾數(shù)據(jù)后的信號。很明顯看出，利用數(shù)理統(tǒng)計學中的置信閾值拒絕準則可以很好地去除脈沖噪聲的干擾。本文中簡單的預處理機制可以大大減小實驗過程中噪聲的影響，并提高信號的信噪比與實驗數(shù)據(jù)的可靠性。

3.2 掃頻 DPOAE 檢測結果

圖4 預處理結果圖

圖5 五組刺激條件下的試管和人耳的掃頻 DPOAE 檢測結果對比。

本文一共測量了 15 名受試者在 5 組幅度刺激下的掃頻 DPOAE，同時在相同的實驗條件下，將耳機/麥克風探頭放置在長度為 2.5 cm 的封閉試管內(nèi)測量。圖5 表示的是試管和一名典型受試者的檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理后的結果圖，其中第一排數(shù)據(jù)為試管的檢測結果。從圖中明顯可以看出，在刺激聲強度較低的情況下(La＜55 dB)，經(jīng)過“三段式”預處理后的數(shù)據(jù)基本上消除了刺激聲偽跡，只剩下了環(huán)境噪聲。隨著刺激聲強度的增加，在 La=55 dB 和 La=60 dB 的情況下，可以看到微弱的主刺激信號 a 沒有被“三段式”的線性組合消除，即出現(xiàn)了輕微的信號畸變。這種情況主要是由于高強度的刺激聲在長度很短的試管內(nèi)反射產(chǎn)生駐波現(xiàn)象，加強或者抑制了刺激聲某些頻率點的幅度，同時，耳機/麥克風探頭與試管口接觸是否緊密都會對刺激聲強度造成影響。圖5 的第二排表示的是一名受試者在 5 組幅度刺激下的掃頻 DPOAE 檢測結果圖。從圖中由上至下可以看見三根直線，分別表示刺激聲偽跡(fb，fa)和 CDT 信號(2fa－fb)。在強度較低的情況下(La=40 dB)，CDT 信號強度較弱，而隨著刺激聲的幅度逐漸加大，誘發(fā)得到的 CDT 信號幅度也會隨著刺激聲幅度的增加而增加，在刺激聲幅度較大的情況下(La=60 dB)，能看到一條微弱的直線，即出現(xiàn)了其他的信號成分。這種現(xiàn)象只出現(xiàn)在刺激聲幅度較大的情況，表明這些信號成分是高強度刺激聲在耳道的傳播中出現(xiàn)的輕微的尖峰失真，對比試管在 60 dB 下的結果圖，這種失真并不會對CDT 信號產(chǎn)生影響。

圖6(a) 是經(jīng)預處理的信號頻譜圖，從圖中可以清晰看出兩條刺激聲偽跡(fa，fb)和 CDT 信號(2fafb)。在 60 dB 刺激聲幅度下，采集數(shù)據(jù)中會多出現(xiàn)一條信號成分fa＋fb，與圖5 受試者的結果相同。圖6(b)是經(jīng)過動態(tài)跟蹤濾波器處理后的結果，從圖中明顯看出濾波器完整的保留了 CDT 信號成份，并最大程度抑制了其他干擾噪聲。

3.3 聽力正常與聽力損失受試者檢測結果

圖6 一名典型受試者掃頻 DPOAE 濾波前后結果對比(La=60 dB)

圖7 聽力正常與聽力損失受試者掃頻 DPOAE 結果對比(La=60 dB)

本文實驗招募到 3 名具有輕微聽力損失的受試者，圖7 顯示的是一名聽力損失受試者和一名聽力正常受試者的掃頻 DPOAE 結果(La=60 dB)，為了方便對比分析，其中圖7(a) 與圖6(b) 結果來源于同一名聽力正常受試者。從圖中可以看到，聽力正常受試者在實驗檢測聽力頻域內(nèi)(1 kHz～8 kHz)都能觀察到很強幅度的 CDT 信號，說明這名受試者在頻率1 kHz～8 kHz的范圍內(nèi)沒有聽力損失。圖7(b)表示的是一名聽力損失受試者的掃頻 DPOAE 檢測結果，在 1 kHz～5 kHz 處能清晰地觀察到 CDT 信號，在頻率高于 5 kHz 的時候，CDT 信號幅度減弱，在某些頻率點上根本觀察不到 CDT 信號。說明該受試者在5 kHz 以上具有一定程度的聽力損失，與臨床標準聽力圖檢測結果一致。在另外四組刺激聲幅度下具有相同的實驗結果。

4 討 論

4.1 掃頻 DPOAE 檢測的可靠性

本研究最重要的發(fā)現(xiàn)就是掃頻刺激聲能夠成功誘發(fā) DPOAE 信號。如圖5 第二排所示，5 組刺激聲強度都能誘發(fā)并記錄到 CDT 信號，說明掃頻 DPOAE可以在臨床上用于聽力損失檢測。與其他類型的耳聲發(fā)射信號檢測方法相比，如 TEOAE 檢測方法[17]，DPOAE 信號具有更好的頻譜特性，在很低的刺激聲強度下仍然可以成功誘發(fā) DPOAE 信號。將和成年人耳道長度接近的封閉試管(2.5 cm)接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在同等的實驗條件下，麥克風并沒有記錄到 CDT信號，說明圖5 第二排信號是來源于受試者的內(nèi)耳外毛細胞的正常活動，并不是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生的系統(tǒng)畸變。目前臨床選用的 DPOAE 檢測，依靠純音誘發(fā)耳聲發(fā)射信號，記錄到的數(shù)據(jù)中刺激聲偽跡幅度一般比 CDT 信號大 40 dB 左右，信噪比極低。本文提出“三段式”刺激聲播放順序，并據(jù)此對采集數(shù)據(jù)進行三段線性運算的預處理，記錄到的刺激聲偽跡基本上被消除或者減弱(圖5 第一排)。而且根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計中的閾值拒絕準則，數(shù)據(jù)自動調(diào)整閾值范圍，與傳統(tǒng)的手動設定閾值相比，數(shù)據(jù)處理方法機動性更強，經(jīng)過預處理后的數(shù)據(jù)，信噪比顯著提高(圖4)。數(shù)據(jù)經(jīng)過動態(tài)跟蹤濾波器處理后，CDT 信號被完整保留，其他噪聲都最大程度被抑制(圖6)，說明動態(tài)跟蹤濾波器能從復雜的背景噪聲出提取出純凈的 CDT 信號，并用于臨床上進一步的聽力損失研究。與目前的臨床DPOAE 檢測方法簡單的處理機制相比，本文提出的掃頻 DPOAE 檢測結果更可靠。

4.2 掃頻 DPOAE 檢測的優(yōu)越性

目前臨床 DPOAE 依靠純音誘發(fā) CDT 信號，一次只能測量一個頻率點的聽力損失情況，需要極長的測試時間才能得到較好的頻率分辨率。掃頻 DPOAE檢測利用頻域隨時間線性變化的掃頻信號誘發(fā) CDT信號，測試時長只需要 1～2 分鐘，頻率分辨率卻可以精確到 1 Hz。表1 給出了兩種檢測方法的測試時長和頻率分辨率[18]。如圖7(b) 所示的聽力損失受試者，純音 DPOAE 檢測只得出受試者在 5 kHz 以上有輕微的聽力損失，而 5 kHz 以上只檢測了 6 kHz 和 8 kHz 兩個頻率點的聽力閾值，其他頻率的聽力損失情況并不清楚。掃頻 DPOAE 檢測結果顯示，聽力損失者在高強度刺激聲的誘發(fā)下(La=60 dB)，在 5 kHz 以下能觀察到較明顯的 CDT 信號，在 5 kHz 以上基本只能觀察到斷斷續(xù)續(xù)微弱的 CDT 信號，如在 6 kHz、7 kHz 附近頻率處還能觀察到微弱的 CDT 信號，表明受試者在這兩段范圍的內(nèi)的聽力損失程度較輕，而完全觀察不到 CDT 信號的頻率處則具有明顯的聽力損失。說明掃頻 DPOAE 檢測方法的頻率分辨率更高，聽力損失程度和位置的定位更精確。圖7(a) 的結果也同樣可以表明這一結論。而且兩名受試者的掃頻 DPOAE 檢測結果與目前臨床聽力圖檢測結果保持著高度一致，表明掃頻 DPOAE 的檢測結果是正確可靠的。掃頻DPOAE 不僅可以高效率的誘發(fā)耳聲發(fā)射信號、精確檢測受試者整個聽力范圍的聽力損失情況，還能準確定位聽力損失對應的頻率位置。相對于純音 DPOAE檢測，掃頻 DPOAE 具有明顯的優(yōu)越性，臨床應用前景更可觀。

表1 純音 DPOAE 和掃頻 DPOAE 兩種檢測方法對比

5 結論與展望

本文研究利用頻率隨時間線性變化的掃頻刺激聲誘發(fā)畸變產(chǎn)物耳聲發(fā)射信號，同時根據(jù)耳聲發(fā)射信號的非線性優(yōu)化刺激聲播放的組合方式。通過本文的初步研究表明：“三段式”線性相減組合能消除刺激聲偽跡、提高實驗數(shù)據(jù)的信噪比；同時掃頻 DPOAE 檢測方法能大幅度縮短耳聲發(fā)射信號的測量時間、提高檢測結果的分辨率，并能靈敏反映受試者的聽力損失的頻率范圍。本文的研究尚處于初步研究階段，在未來的研究中還需要進行更多的聽力損失受試者的實驗。我們相信，在未來的臨床應用方面，掃頻 DPOA E檢測方法可以作為一種聽力損失檢測、協(xié)助醫(yī)生進行準確聽力診斷和治療的有效工具。

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