嵌入式听力诊断系统中的伪迹消除方法

1 概述
    听力与语言是人类互相交流和认识世界的重要手段，然而耳病和听力障碍的阴霾却困扰着人类。对于新生儿来说，越早诊断出听力损伤则治愈几率越大，因此用听力筛查仪对他们进行听力筛查尤为重要，听力诊断设备能够及早发现他们的听力损伤程度并给予及时帮助。而对于成年人及老年人来说，良好的听力诊断设备不仅能够帮助他们了解自己的听觉系统，还能协助听力障碍残疾人士选配恰当的助听器，帮助他们恢复健康生活。
    耳声发射(Otoacoustic Emissions，OAEs)是一种产生于耳蜗，经听骨链及鼓膜传导释放入外耳道的音频能量，它是目前临床广泛采用的客观听力测试的途径之一。在外耳道中，由于耳声发射信号强度非常低，一般不超过20dB SPL(其中，SPL的含义是声压级，这一参数是国家计量部门用来校准各种听力仪器的基准值)，而刺激伪迹相对要强得多，因此刺激伪迹的抑制一直是OAEs测量中很重要又很棘手的问题。本文对OAEs检测算法进行了研究，在嵌入式听力诊断系统中综合运用了目前的信号处理方法，在伪迹消除方面取得很好的效果。

2 耳声发射信号的构成
    诱发耳声发射信号在外耳道内的构成可以用图1的模型来近似表示。

    图1中，G1表示声信号经外耳和中耳的传递函数，其中包括外耳道、鼓膜及听骨链的响应；G2表示声能在听觉传导通路中的反射；L(t)表示刺激声经过听觉通路的传播、反射后在外耳道内的响应信号，即刺激伪迹；NL与NL(t)表示刺激声诱发的耳蜗响应，即耳声发射信号；N(t)表示外耳道内的随机噪声，R(t)表示耳道内的信号。R(t)可以表示为：
    R(t)=L(t)+NL(t)+N(t)
    由于耳声发射信号强度非常低，一般不超过20dB SPL，所以在诱发的耳声发射信号中刺激伪迹占了很大比例，在OAEs测量中，必须对刺激伪迹进行有效的抑制。

3 伪迹消除的方案
    在听力正常的情况下，TEOAEs(Transient-Evoked Otoacustic Emissions，瞬态诱发耳声发射)相对于刺激信号的延迟时间为3～5ms，持续时间为15 ms左右。TEOAEs的频率成分与刺激信号的构成有很大关系。TEOAEs的潜伏期与频率有关，在时间上高频成分出现在先，低频成分出现在后。根据英国学者Kmep的报道：5 000Hz的TEOAEs的潜伏期为4ms，而500 Hz的信号潜伏期则在12 ms左右，这种现象主要是因为不同频率的行波在基底膜上行走的距离不等。刺激声强度对TEOAEs的波形和幅度也有一定的影响，高刺激强度时可以得到OAEs更宽的频率范围。随着刺激强度的降低，OAEs的能量越来越窄地集中到几个接近自发耳声发射的频率上。用较高刺激强度可以得到耳蜗更全面的信息，但也相应增加了刺激伪迹(外耳道及中耳道对刺激声的直接反射)的强度与持续时间。所以，在TEOAEs检测时需要对刺激伪迹进行消除。其相关系数如图2所示。

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3．1 时域加窗法
    从刺激开始算起约经过5 ms的时间伪迹就可以基本消失，而TEOAEs有3～5 ms的潜伏期。由于从刺激开始算起0～2．5 ms主要是伪迹成分，常常把这段时域内的信号设为0；而2．5～5．1 ms时域内为TEOAEs与伪迹共存区域，随着时间的增加，伪迹成分逐渐减少而TEOAEs的成分逐渐增多。在5．1～20 ms时段主要是TEOAEs，因为此时域窗选择为余弦上升或下降的矩形窗，余弦上升或下降时间一般为2．5 ms或2．6 ms。该方法的主要优点是能将刺激伪迹很干净地去除，且方法简单，但TEOAEs中部分短潜伏期的成分(一般为高频成分)也同时被去掉了。
3．2 非线性差分平均法
    非线性差分平均(DNRL)又称之为“导出的分线性响应”。其基本原理是把采集波x(t)表示成反射波R(t)和耳声发射波OAEs(t)的叠加：
    x(t)=R(t)+OAEs(t)
    假设反射波R(t)主要是线性成分，它与刺激声强度成正比增加；而OAEs(t)在适当的刺激强度范围内呈饱和特性，它基本不随刺激强度增大而增加，即具有非线性特点。因此，把相邻4次刺激记录作为一组，其中后3次刺激强度和极性相同，第1次刺激强度是后3次的3倍且极性相反，最后取4次记录累加平均，则有：
  
    把所得结果加大一倍便是所要的OAEs(t)波形。DNLR方法的突出优点是当刺激声强度较大时，即TEOAEs表现为较强的饱和非线性时，可以有效地去除伪迹。但是，它也存在以下2个缺点：
    ①实际的TEOAEs不仅有非线性成分，还有线性成分。当刺激强度较高使得TEOAEs接近饱和区时，非线性成分是占主要的，此时该方法效果较好；但当刺激强度较低使得TEOAEs处于非饱和区时，线性成分是主要的，在此情况下DNLR方法是不可行的。
    ②与采用相同刺激的相干平均法相比，DNRL方法会使信噪比降低，且经其处理后得到的TEOAEs的幅度会减少。

4 实验结果
    测试条件：在本实验室自行设计的嵌入式听力诊断系统平台上进行测试；背景噪声小于50 dB SPL；刺激信号强度为80 dB SPL。
    在处理信号方案的设计中，综合运用了时域加窗法和非线性差分平均方法：先用余弦上升为2．5 ms余弦矩形窗，以滤去潜伏期的伪迹；然后用非线性差分平均方法，滤去潜伏期后的伪迹。这样综合了上述两种去伪迹的方法的优点，弥补了各自的不足，取得了很好的信噪比，达到了消除伪迹的目的。
    对10个年轻人的单侧耳进行瞬态诱发而进行测试，并估算出的信噪比，其结果如表1所列。

    表1中，第一行的数据是采用单纯的时域加窗的方法所得到的信噪比；第二行采用综合的方法，即先后使用了时域加窗法和非线性差分平均法。从表1可以看出，信噪比得到了显著的改善。