一种基于ARM系统的多频耳声导抗测试系统的研究_王立伟

医疗卫生装备・２００８年１月第２９卷第１期ＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｏｕｒｎａｌ・Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ２００８收稿日期：２００７－０９－１８修回日期：２００７－１０－２８作者简介：王立伟（１９８０－），男，硕士，主要从事医学超声方面的研究工作，Ｅｍａｉｌ：ｊｏｎｏｅｒ＠１６３．ｃｏｍ；李跃杰（１９６３－），男，本文通讯作者，研究员，硕士生导师，主要从事信息检测、处理及医用仪器方面的研究工作。

一种基于ＡＲＭ系统的多频耳声导抗测试系统的研究王立伟，李跃杰（中国医学科学院生物医学工程研究所，天津３００１９２）［摘要］目的：研究多频探测音对某些单一低频耳导抗测试所不敏感病变的鉴别（如：传导链中断，耳硬化症等）。

方法：在原有单一低频ＳＹ－ＩＡ声阻抗中耳功能分析仪的基础上，重点对多频探测音产生电路、恒压声控系统、微处理器控制系统及多频声导抗及相位角检测电路进行了研究与设计。

结果：运用多频耳声导抗测试系统可以分别在不同频率探测音下对正常耳、鼓膜松弛耳和听骨链中断耳进行声导抗检测和相位角检测。

结论：实验结果表明，基于ＡＲＭ系统的多频耳声导抗测试系统可以为某些单一低频耳声导抗测试所不敏感病变的鉴别提供进一步的临床依据。

［关键词］声导抗测量；多频；探测音；中耳ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｙｍｐａｎｏｍｅｔｒｙｏｎｅａｒｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＲＭＷＡＮＧＬｉ－ｗｅｉ，ＬＩＹｕｅ－ｊｉｅ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＭｅｄｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１９２，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＯｂｊｅｃｔｉｖｅＴｏｓｔｕｄｙａｍｕｌｔｉｐｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｙｍｐａｎｏｍｅｔｒｙｏｎｅａｒｓｙｓｔｅｍ．ＭｅｔｈｏｄｓＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｓｉｎｇｌｅｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔＳＹ－ＩＡｔｙｍｐａｎｏｍｅｔｒｙ，ｔｈｅｓｔｕｄｙｍａｉｎｌｙｆｏｃｕｓｅｄｏｎｓｕｃｈａｓｐｅｃｔｓａｓｍｕｌｔｉｐｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｒｏｂｅｔｏｎｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｃｏｎｓｔａｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｓｏｕｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｍｉｃｒｏｐｒｅｓｓｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｍｕｌｔｉｐｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｃｏｕｓｔｉｃｉｍｍｉｔａｎｃｅ＆ｐｈａｓｅａｎｇｌｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ．ＲｅｓｕｌｔｓＭｕｌｔｉｐｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｙｍｐａｎｏｍｅｔｒｙｏｎｅａｒｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｄｅｔｅｃｔｍｕｌｔｉｐｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｃｏｕｓｔｉｃｉｍｍｉｔａｎｃｅａｎｄｐｈａｓｅａｎｇｌｅｆｏｒｎｏｒｍａｌｅａｒ，ｔｙｍｐａｎｕｍｌｏｏｓｅｄｅａｒａｎｄｏｓｓｉｃｕｌａｒｃｈａｉｎｂｒｅａｋｅａｒｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｂｅｔｏｎｅ．ＣｏｎｃｌｕｓｉｏｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｍｕｌｔｉｐｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｙｍｐａｎｏｍｅｔｒｙｏｎｅａｒｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＲＭｉｓｈｅｌｐｆｕｌｔｏｔｈｅｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｐａｔｈｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｎｇｅｓｗｈｉｃｈａｒｅｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅｔｏｓｉｎｇｌｅｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｙｍｐａｎｏｍｅｔｒｙ．［ＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｏｕｒｎａｌ，２００８，２９（１）：３－５］Ｋｅｙｗｏｒｄｓｔｙｍｐａｎｏｍｅｔｒｙ；ｍｕｌｔｉ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｐｒｏｂｅｔｏｎｅ；ｍｉｄｄｌｅｅａｒ１引言声导抗测试是应用测试仪器、测试声能在人耳的传递状态，声波作为力的一种形式到达外耳道后，一定的声压作用于鼓膜，中耳系统及内耳相应产生运动，在此过程中，来自外耳道内空气粒子压力的变化及耳蜗内发生的电机械活动的能的传递，可通过对鼓膜外侧面的能流进行测量。

声导抗测试主要有“静态声顺值”、“鼓室曲线”、“声反射”、“声衰减”等指标。

它们分别体现了耳膜、锥骨、砧骨、镫骨、中耳肌等声传导链的功能状况，并从一定程度上提示了蜗后病变的可能性。

作为一种客观的诊断方法，其在临床耳科和听力学科诊断方面的重要地位已得到临床医生的公认，成为现代耳鼻喉科必备的检测设备之一［１］。

低频率单成份鼓室声导抗测试目前已广泛应用于临床。

由于低频率单成份探测音主要反映中耳以劲度为主的病变，对以质量为主的病变不能提供更多的信息，因此，对听骨链的各种病变的鉴别有一定困难，而高频探测音对以质量声纳改变为主的中耳病变更为敏感［２］。

为了寻求对中耳病变能够做出进一步鉴别诊断的方法，近年来多频率多成份鼓室声导抗测试受到了更多的关注。

２耳声导抗测试的基本原理人耳结构分为外耳、中耳和内耳等３个部分。

外耳包括耳廓和外耳道。

内耳的结构不容易分离出来，它是位于颞骨岩部内的一系列管道腔，我们可以把内耳看成３个独立的结构：半规管、前庭、耳蜗。

中耳由鼓膜、中耳腔和听骨链组成。

听骨链包括锤骨、砧骨和镫骨，旋于中耳腔［１］。

中耳的基本功能是把声波传送到内耳。

鼓膜斜位于外耳道的末端，呈凹型，声音以声波方式经外耳道传入中耳，振动的空气粒子产生的压力变化使鼓膜振动，从而使声能通过中耳结构转换成机械能。

由于鼓膜前后振动使听骨链作活塞状移动，鼓膜表面积比镫骨足板大好几倍，声能在此处放大并传输到中耳。

中耳不同组成部分对声能的传递系数是不同的，可通过对鼓膜外侧面的能流进行测量。

外耳道中除鼓膜可以活动外，其余都是不能活动的骨壁，因而外耳道可视作一个密闭的硬壁腔。

经鼓膜和听骨链传导的声能相当于经腔四壁洞上薄膜漏去的声能，洞上薄膜弹性越大，声能泄漏越多。

如果中耳传音系统的劲度大，传入的声能少，则相当于漏去的声能的等效容积就小，声导纳值就低；反之，若中耳传音系统的劲度小，传入的声能多，则相当于漏去的声能等效容积就大，声导纳就高。

声波传导时，介质位移需要克服阻力，在单位时间内，要使一定容积的介质位移，声导纳小则推动介质所需的声压就大，声导纳大则所需要的声压就小。

如果声压是恒定的，导纳小则单位时间内介质位移容积就小，导纳大则介质位移的容积就大。

声导纳可以用空气的等效容积来表示，且当探测腔小于５ｃｍ３时，等效容积就等于其物理体积。

当一定强度的纯音引人刚性壁密闭腔中所产生的声压级与腔的容积成反比，若与已知容积的标准腔内声压级相比，可以推算出该密闭腔的容积，即等效容积。

人耳的声导纳是复数函数，不同频率下耳道呈现的导纳是不同的。

鼓室导抗测试法是测定外耳道压力变［中图分类号］ＴＨ７３；Ｎ３４［文献标志码］Ａ［文章编号］１００３－８８６８（２００８）０１－０００３－０３研究论著ＴＨＥＳＩＳ＆ＲＥＳＥＡＲＣＨＲＥＰＯＲＴ３化影响下鼓膜连同听骨链对探测音顺应性的变化，是动态声导抗检查范畴，是在外耳道压力变化过程中测量中耳系统的活动度或声导纳的相应变化。

３耳声导抗测试系统的结构本课题设计的多频声导抗测试系统的结构框图如图１所示。

声导抗测试系统由微计算机控制的探测音发生器产生一正弦波，通过匹配电路和换能器为外耳道提供一个低频探测音。

传导链反射回来的声能，经换能器和匹配电路送入声阻抗测量电路。

经过放大器送入微处理器进行数据处理，并将计算结果送入显示。

测量过程中，恒压声控电路始终使探测音强度保持８５ｄＢ，以减小耳道不同的影响。

微计算机控制压力控制及驱动电路，使得压力泵系统提供给外耳道一个能够正负变化的压力，以便能够测量耳声导抗随压力变化的曲线（鼓室图）。

该压力范围及变化速率由操作者通过键盘设定，由微处理器控制。

本课题在原有单一低频ＳＹ－ＩＡ声阻抗［３］中耳功能分析仪的基础上，重点对多频探音产生电路、恒压声控系统、微处理器控制系统及多频声导抗及相位角检测电路进行了研究与设计。

多频探测音产生电路则利用ＦＰＧＡ设计了直接数字频率合成器（ＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｔａｌＳｙｎｔｈｅｓｉｓ，ＤＤＳ）产生多种频率的探测音。

用ＦＰＧＡ实现ＤＤＳ调频信号电路较采用专用ＤＤＳ芯片更为灵活，只要改变ＦＰ－ＧＡ中ＲＯＭ内的数据和控制参数，ＤＤＳ就可以产生任意调制波形，且分辨率高，具有相当大的灵活性。

ＤＤＳ是以全数字技术，从相位概念出发，合成所需要波形的一种新的频率合成技术［４－５］。

ＤＤＳ的工作原理实质上是以参考频率源（系统时钟）对相位进行等可控间隔的采样。

该技术把一系列全数字形式的信号ＤＡＣ转换成模拟形式信号的合成技术，直接数字式频率合成器主要用于数字信号源、上下变频器以及数字锁相环等电路中。

它采用了数字采样存储技术，具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位连续变化、易实现对输出信号的多种调制、精确的相位等突出优点。

目前使用最广泛的一种ＤＤＳ方式就是利用高速存储器做查找表，然后通过高速ＤＡＣ输出已经用数字形式存入的正弦波，原理图如图２所示。

恒压声控系统是为了减小耳道不同的影响，保证探测音强度始终在８５ｄＢ。

以往的恒压声控系统都是采用分立元件设计的，这样的设计电路有零点漂移，线性度不高，在本课题恒压声控系统中，利用Ｄ／Ａ芯片ＤＡＣ０８３２设计了恒压声控电路。

Ｄ／Ａ转换电路是将ＤＤＳ的数字输出转换成模拟信号，然后通过低通滤波形成正弦波，经传导链反射后采集处理，和给定的电压进行比较，经过一系列电路处理，反馈给ＤＡＣ０８３２芯片的参考电压端，以此来调整输出正弦波信号的幅值，使得测量过程中保证探测音强度始终在８５ｄＢ，减少不同外耳道容积对测量的影响。

耳声导抗检测电路主要包括声导抗检测电路和相位角检测电路。

探测音产生电路将生成的正弦波经过适当处理，经耳机，使之产生声波。

接收电路利用麦克风将回波转换成电信号，经过放大、滤波、整流和比较等电路处理后，形成直流信号，我们在不同压力情况下进行检测，验证不同频率的探测音回波的能量和相位随压力变化情况，原理图如图３所示。

微处理器系统采用的是ＡＲＭ控制系统，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统［６］。

其应用领域十分广泛，从军事、工业到民用，从航空航天器到个人电子产品。

而且，新的应用领域不断出现，新的嵌入式产品层出不穷。

目前，设计者已经越来越多地开始在嵌入式微控制领域采用３２位体系结构，并且这种趋势越来越明显。

其推动力主要在于对系统性能要求的提高和嵌入式功能的发展，还来自于８位微控制器在其发展过程中自身面临的许多局限和挑战，以及３２位ＲＩＳＣ（精简指令集计算机）结构体系相对应的优势［７］———与传统的８位单片机ＡＲＭ相比，３２位处理器在寻址空间、数据运算处理速度和支持操作系统上都有无法比拟的优势。