文獻標識碼： 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檢測系統的設計[J].電子技術應用，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
聽覺誘發電位(Auditory Evoked Potential，AEP)是聽覺系統收到特定的聲音后，中樞神經系統產生的與外界刺激相關的生物電變化[1]，按潛伏期分為聽性腦干反應(Auditory Brainstem Response，ABR)、中潛伏期反應(Middle Latency Response，MLR)和晚潛伏期反應(Late Latency Response，LLR)。聽覺誘發電位是研究聽覺疾病的重要手段，在臨床有廣泛應用，采用常規刺激率誘發的聽性腦干反應可用于聽力篩查、聽閾評估、聽神經和腦干病變及神經性耳聾診斷等方面[2]。目前，AEP的臨床應用還處于研究階段，有些新的AEP檢測和分析方法對常規設備的刺激方案和數據提取處理算法提出了更高和更多的要求[2-3]，因此，方便可靠的檢測設備是必須的。傳統聽覺誘發電位儀，采用封閉式設計的專門電路，價格昂貴且體積龐大、新技術應用落后。目前高性能的計算機聲卡是一種聲學指標優異的模擬輸入輸出接口，其各項指標完全可以滿足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240 MHz，滿足常規AEP的帶寬要求[1]。
利用高性能聲卡的上述特性，本文設計一種基于USB聲卡的便攜式聽覺誘發電位檢測系統，以計算機作為主要工作平臺，利用USB多媒體聲卡來完成聲音發放和數據采集的功能，同時利用多余的輸入輸出通道實現刺激和采集同步信息的獲取；并配合輸入端口的技術指標，設計了一個信號預處理模塊實現和腦電電極的阻抗匹配和模擬放大。上位機程序設計可實現USB聲卡的控制，完成不同刺激模式下AEP的采集。本系統具有操作方便、刺激模式靈活、便攜性、低功耗及低成本的優點。
1 系統設計
本檢測系統的結構框圖如圖1所示，主要由USB聲卡、預處理電路、耳機和電極、電源電路及便攜式計算機等部分構成。本系統以便攜式計算機作為主要工作平臺，以外置USB聲卡作為數據采集工具；以耳機及電極作為傳感器，通過Windows操作系統下編程實現對USB聲卡的控制，實現同步的刺激聲發放和AEP數據采集，配合上位機程序完成AEP的處理分析、結果顯示及數據管理。
2 硬件平臺設計
2.1 USB聲卡
本系統采用創新Sound Blaster的USB多媒體聲卡替代傳統數據采集卡的功能，實現信號的D/A及A/D轉換，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，利用聲卡LineOut端口完成對音頻數字信號的D/A轉換，實現刺激聲發放；利用聲卡LineIn端口完成對AEP信號的A/D轉換，實現信號數據采集。聲卡具有體積小巧、低功耗、噪聲低、可移植性強等性能。此外，該聲卡基于USB傳輸協議與便攜式計算機進行數據通信，全雙工工作方式滿足了實際AEP檢測中刺激聲發放和AEP數據采集同步進行要求。
聽覺誘發電位是幅度為μV級的微弱信號，而幅度一般為幾十至幾百mV的背景噪聲干擾遠比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。因為AEP在聲音刺激后的固定時間內，具有鎖相保持和極性不變的特性，噪聲干擾信號則無此特性[5]。因此，AEP檢測要求刺激聲發放和信號采集的同步進行，并記錄同步標記位，即刺激聲的起始位置，用于信號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，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放的刺激聲記錄下來，作為同步標記信號，用于疊加平均算法時AEP數據的鎖相分段。
2.2 預處理電路
為了更好地提取出聽覺誘發電位信號，從電極引出的AEP先經過預處理電路調理后，再傳入USB聲卡的LineIn1端口中，進行A/D轉換為數字信號，完成AEP的數據采集。本系統的預處理電路如圖3所示，由初級放大部分、右腿驅動部分、帶通濾波部分及后級放大部分構成。預處理電路提供高輸入阻抗和高共模抑制比，實現了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強度十分微弱，常淹沒在強共模噪聲干擾中，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
低噪聲等優點，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，腦電信號首先經過鉗位保護電路和低通濾波電路，保護電路利用二極管單向導通特性，實現限幅效果，防止過高的輸入電壓。低通濾波電路用于實現信號采集的抗混疊，并消除電路的高頻噪聲。經過限幅和濾波處理的信號就送至INA129進行差分放大，根據芯片增益公式G=1+49.4 kΩ/RG，RG為2個1 kΩ高精度電阻串聯組成，初級放大增益約為26倍。
(2)右腿驅動部分
在強背景噪聲干擾下，微弱AEP極難被提取出來，此時需要電生理信號采集常用右腿驅動技術。右腿驅動技術可以減弱人體的共模信號，提高系統的共模抑制比，從而提高AEP的信噪比。如圖3左下部分所示，利用2個高精度2 kΩ電阻組成的平均網絡把記錄電極和參考電極上的共模電壓檢出，疊加后經過由運放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，形成共模電壓負反饋電路，從而減少記錄電極及參考電極上共模信號的輸入[6]，提高系統的共模抑制比和利于提取AEP成分。
(3)帶通濾波部分
經過初級放大后，腦電信號除了含有AEP外，還包括有低頻人體運動噪聲、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AEP有效成分頻帶為100 Hz～3 500 Hz[1]，本部分采用一塊雙運放芯片OPA2227(
，130 dB CMRR)構建二階Sallen-
Key帶通濾波。通過設置運放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芯片構成兩級放大，放大倍數分別為25倍和50倍。結合初級部分的26倍增益，讓預處理電路的增益約為32 500倍，幅度為微伏級的AEP經過預處理電路放大后變為伏特級后輸入聲卡LineIn1端口。調理后的腦電信號達到聲卡LineIn輸入端口的技術指標，讓經過A/D轉換后AEP的數字量可進行更優的數字信號處理。
2.3 筆記本計算機
筆記本計算機是整個AEP檢測系統的控制終端，通過運行內設的上位機程序，可實現系統的基本功能。上位機程序以Visual C#平臺編寫，協調控制系統各個部分的工作，包括USB聲卡通信、刺激聲發放及AEP數據采集、信號處理分析及結果顯示、相關的數據管理等功能。
2.4 電源電路
本系統采用浮置電源形式設計供電電源，直接采用便攜式計算機USB接口供電。計算機USB接口提供5 V、500 mA電能輸出，滿足預處理電路的功耗≤1 W的低功耗要求。利用DC-DC升壓電源電路將USB接口+5 V轉換成預處理電路所需的±9 V電壓，避免了使用電池供電時間短、電壓轉換電路龐大等問題，并可減少整個系統中工頻噪聲干擾，從而提高系統的共模抑制比。
3 軟件平臺設計
為了增加系統軟件的可移植性和可靠性，本系統軟件選用Window 7操作系統和Visual C#作為編程開發平臺，采用多線程控制技術實現對USB聲卡的控制，達到AEP檢測分析及結果顯示的效果。從功能上看：系統軟件分為檔案建立、聲音刺激產生、AEP數據采集、數據存儲、數據處理及界面顯示6個部分。上位機界面圖如圖4所示，主要包含聲卡通信模塊、信號檢測模塊及數據管理模塊。
3.1 聲卡通信模塊
聲卡通信模塊，負責完成上位機與聲卡間通信。利用微軟公司提供的Windows Media Player和DirectSound多媒體組件，結合USB全雙工工作模式，實現同步刺激聲發放和腦電信號信號采集。
3.2 信號檢測模塊
信號檢測模塊，其中含有ABR檢測模塊、MLR檢測模塊和LLR檢測模塊。三個模塊能完成不同刺激模式設置，包括聲強、刺激聲頻率、數字濾波范圍、偽跡上限、刺激次數等參數，并能進行疊加平均算法，實現AEP成分提取和AEP的檢測結果顯示。
3.3 數據存儲模塊
數據管理模塊負責建立受試者信息檔案，可保存受試者信息、刺激模式、原始聽覺誘發電位信號數據和檢測結果，并可實現相關數據的打印。
4 ABR檢測實驗
對本檢測系統的檢測結果進行了準確性、穩定可重復性及相關性的驗證。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]。本文設計了一個常規ABR檢測實驗，在本系統下對同一受試者重復進行兩次常規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及刺激次數為1 200，另外，電極安置及實驗操作等要求均按照常規ABR檢測實驗的要求[1]。ABR是發生在刺激開始后10 ms潛伏期內的反應，包括3-7個反應波，依次標記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ波，其中，Ⅰ、Ⅲ及Ⅴ波出現率較高[7]。上位機保存的ABR原始數據經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的結果相似性非常好，并成功引出Ⅰ、Ⅲ及Ⅴ波，這證明了系統的穩定性。表1為同一受試者在美國NeuroScan公司的SynAmps2儀器和本系統記錄ABR的結果對比。受試者用本檢測系統測得的結果和SynAmps2儀器得到的結果非常一致，而且這一正常受試者的數據與臨床所給出的正常人的數據完全吻合[8]。因此證明了本系統的準確性及穩定可重復性。
5 結論
本文所提出的基于USB多媒體聲卡的便攜式聽覺誘發電位檢測系統，在基于Windows 7操作系統和Visual C#軟件平臺上，編程控制USB聲卡同步完成刺激聲發放和AEP數據采集的同步進行，實現AEP的可靠性檢測。經ABR檢測結果證明，本系統不但滿足AEP信號檢測的要求，并且具有便攜性高、低功耗、低成本、低噪聲及抗干擾強的特點，為促進AEP臨床上基礎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。
參考文獻
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