纯音测听和心理物理调谐曲线检测平台的研制

第 34卷 第 10期2013年 10月仪 器 仪 表 学 报Chinese Journal of Scientifc InstrumentVo1．34 No．100ct．2013纯音测听和心理物理调谐 曲线检测先 梦，宫 琴(清华大学生物医学工程系 北京 100084)平台的研制摘 要：纯音测听是 目前临床上广泛使用的听力检测手段，它能够反映在特定频率下人耳的听阈大小，但是却不能反映特定频率下的频率选择特性，以获得人耳功能的综合信息。为了获得在特定频率下人耳的听阈及频率选择特性的综合信息，本研究首次研发了纯音测听和心理物理调谐曲线的综合检测平台，采用并优化了快速心理物理调谐曲线的检测算法 ，实现了基于外置高精度声卡的便携式综合检测平台，能够进行纯音测听和心理物理调谐曲线的测试，实现了在强度和频率 2个维度下，对人耳的听觉特性的全面综合地反映。

关键词 ：听力检测；纯音测听；心理物理调谐曲线；频率选择特性 ；综合检测平台中图分类号：TH776 R318 文献标识码 ：A 国家标准学科分类代码 ：310．61Development of integrated detection platform of pure toneaudiometry and psych0physical tuning curveXian Meng，Gong Qin(Department of Biomedical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)Abstract：Pure tone audiometry is widely applied in clinical hearing test．Though it can show the hearing threshold ofhuman ear at specific frequency，pure tone audiometry is short of representing the frequency selectivity at certain fre-quency．In order to obtain the integrated information of both the hearing threshold and the frequency selectivity atspecific frequency，an integrated detection platform containing pure tone audiometry and psychophysical tuning curvesfunctions is originally developed，which uses and optimizes a fast psychophysical tuning curves detection method，achieves both of the pure tone audiometry and psychophysical tuning curves test in one detection platform based onan external professional high precision soundcard，and realizes the goal of reflecting the hearing characteristics of hu—man ear both in level and frequency.

Keywords：hearing test；pure tone audiometry；psychophysical tuning curve；frequency selectivity；integrated detec-tion platform1 引 言纯音测听(pure tone audiometry，PT)是检测受检者在某些特定频率处的听阈值，其检测 出的听阈值在概念上是指在某一纯音信号刺激下能够引起听觉的最小声压级。测试时，采用不同强度的正弦纯音刺激，受检者根据自己的感觉作出主观反应 ，最后确定其在每个刺激频率下的阈值。由于纯音测听能够直观地反映受试个体的听阈级，允许医师初步判断其听力损失的程度 ，所以纯音测听被认为是听力测试中最基本的检测方法，是 目前临床上进行听力测试中首选的检测手段。尽管纯音测听给出了在特定频率下的听力级别，即在多少声强下可以听到此频率的纯音。但纯音测听无法反映在该频率处的听觉收稿日期：2013-02 Received Date：2013-02基金项目：国家自然科学基金(61271133)、教育部高等学校博士学科点博导基金 (20120002110054)、深圳市基础研究基金重点项 目(JC201 105180808A)、清华信息科学与技术国家实验室(筹)资助项 目第 10期 先 梦 等：纯音测听和心理物理调谐曲线检测平台的研制 2337灵敏度，不具有检测听觉系统对某一频率成分的滤波和分辨能力，即缺乏对该频率处频率选择特性的功能指示。

同时，目前的听觉临床测试 中也普遍缺乏对死 区的检测 。 和对此频率下的感觉灵敏度的测试。目前实验室中对频率选择特性进行评价的主要方法是心理物理调谐曲线 (psychophysical tuning CHIVES，lrrCs)的 检 测 方法 ，但南于其单次测试超过2～3 h的超常耗时，尚未应用到临床中。心理物理调谐曲线给出了掩蔽固定频率和强度的刺激声所需要的掩蔽强度与掩蔽声中心频率之间关系的曲线 ，心理物理调谐曲线是通过固定一个纯音(刺激声)的频率和强度 ，通过重复调整变化一个窄带噪声(掩蔽声)的中心频率和强度，使受检者恰好不能听到纯音刺激，这样得到的类似 V形的掩蔽声中心频率一强度曲线就是心理物理调谐曲线。利用调谐曲线的品质因素可以描述特定频率处的频率选择特性。因此，纯音测听和心理物理调谐 曲线可以组成较好的互补：前者提供强度方面的信息，后者提供频率选择特性方面的信息。

这样就可以综合地对人耳 的听觉感知进行分析。此外，尽管纯音测听作为重要且广泛使用的听觉检测手段，已经有成熟的硬件检测设备——听力计。但是，目前的听力计都限制于只能完成固定项 目的纯音测听检测 ，而无法进行功能扩展。而且实验室中采用的传统的 PTCs的检测方法非常耗时，基于以上原因，本研究首次提出研制一 种纯音测听和快速心理物理调谐曲线综合检测平台(以下简称：综合检测平台)，不仅实现了检测设备的集成——完成了利用一套检测设备分别实现纯音测听和心理物理调谐 曲线的测试 ；同时实现 了检测方法 的结合——通过纯音测听反映听阈的强度信息以及通过心理物理调谐曲线反映频率分辨率的频率信息。提供 了全面、综合地检测人耳听觉特性的平台，为临床应用奠定了基础2 纯音测听及心理物理调谐曲线综合检测平台的结构检测平台实现了纯音测听和心理物理调谐曲线检测的两大功能。2种检测都是主观测试，并且同是由系统给出刺激声到受试者的单侧耳，然后由受试者作出相应的反应。综合检测平台在结构上包括：1台主控计算机、1台外置高精度多媒体声卡、1个手持式 USB手柄、1套微型扬声器和耳塞，图1为检测平台总体结构图。主控计算机由本研究开发的系统软件平台产生检测平台需要的刺激声的数字信号，经由一个起 D／A转换功能的高精度多媒体外置声卡，在声卡中进行数字模拟转换，将刺激转化为电信号，通过 TRS接口传输到一组微型扬声器，由扬声器中的换能器将电信号转换为声刺激信号，最后通过声管及插入到受试者外耳道的耳塞将刺激声传人受试者测试耳。受试者接收到刺激之后，通过一个手持式USB手柄对是否听到刺激作出主观反馈。受试者通过按下手柄按钮表示其听到了刺激声，手柄通过通用的 USB接口连接到主控计算机上，主控计算机上的软件平台实时地检测 USB手柄的按钮状态 ，从而获得受试者反馈信息，继而进行逻辑判断分析，完成进一步的测试。

图 1 综合检测平台总体结构图Fig．1 Block diagram of the integrateddetection platform3 综合检测平台的硬件结构3．1 高精度外置声卡综合检测平台中实现刺激信号数模转换的模块选用高精度外置声卡。声卡为综合检测平台提供了信噪比高达 119 dB、最大采样率为 192 kHz、24 b高精度的模拟输出能力。对比采用 24位高精度动态数据采集发生模块作为 D／A转换装置进行听觉系统检测的研究 ]，本研究采用的高精度专业声卡提供了更强的带载能力以及更便捷的音频接 口。而对于已有采用外置 USB声卡作为信号采集工具的研究 。 ，本研究采用的专业声卡提供了更佳的性能，同时采用的音频流输入输出接口驱动(下文称 ASIO驱动)也能提供更精确可靠的时序与信号。

3．2 刺激声转换装置刺激声转换装置选用专业声检测耳机。其包括一对换能器，分别完成 2个声道的电声转换。2个电声换能器的输出端通过 2根声管连接到固定在受试者测试耳内的耳塞进行声混合。其换能器具有 106 dB SPL以上的持续输出能力、16 kHz工作带宽和 70 dB以上的耳间隔离，并且在 10 kHz以下具有平坦的频响曲线，完全满足本研究需求。

3．3 反馈信号接收装置反馈信号接收装置是通过一个通用 USB接口的手柄实现的。其 USB接口可以保证便捷地与主控计算机连接。手柄上至少需要配置一个按钮，按下此按钮则表示受试者“已听到纯音信号”，松开不按则表示“没有听到”。主控计算机可以在测试过程中实时地对手柄状态进行查询而获得受试者的反馈信息。

2338 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷4 综合检测平台的软件设计与实现检测平台的软件平台开发环境为 Windows XP，采用的开发工具是 Visual Studio 2010，开发语言是 C#语言与MATLAB语言混编。C#语言以及其依托的．Net Frame—work运行环境提供了简洁高效的Windows窗体程序开发手段 ，同时 c#规范的类结构也使得检测参数与结果数据可以清晰规范地进行存储。

本研究开发的软件平台的整体结构如图2所示 ，由上至下，通过图形用户交互层确定检测的内容以及参数，确定开始检测之后的算法层，根据参数确定执行功能算法层的检测流程及算法，生成检测所需的刺激信号。底层硬件驱动层通过 ASIO驱动控制外置声卡产生相应刺激，同时通过 DirectX驱动监测手柄状态 ，然后将反馈数据给回算法层，算法层根据反馈判断继续进行下一步刺激或是完成检测，最后将检测结果以检测图以及文字报告的形式打印到图形界面。

图 2 软件平台整体结构图Fig．2 Block diagram of the software platform4．1 底层驱动的实现软件平台需要直接控制的外围硬件包括 1个通用USB手柄和 1台外置多媒体声卡。其中通用 USB手柄的控制是通过微软公司创建的多媒体编程接 口DirectX实现的。在 DirectX下的输入部分 DirectInput提供了丰富的手柄器件类、状态结构以及控制方法。具体的实现流程是先通过 GetDevices方法获取已经连接到主控计算机上的通用 USB手柄列表，建立一个 DeviceList类，然后根据 DeviceList类中的实例建立一个 Device类，这个类包含了连接到计算机的 USB手柄的信息。在检测过程中，只需要实时地刷新此类中手柄的状态信息就可以知道手柄上按钮的状态，从而获得受试者的反馈信息。

为了充分发挥外置多媒体声卡的高精度特性，软件平台采用了专业音频接 口规范 。 ASIO驱动。对于本研究，ASIO的使用使得软件平台可以绕过 Windows直接控制外置声卡而不必受系统音频管理器的制约，这样可以完全保证声卡的24 b高精度以及准确可控的声音输出延迟。ASIO驱动的实现流程与 DirectX驱动流程相类似，先根据注册表中ASIO声卡信息找到外置声卡，然后建立实例类并进行初始化，在检测中先将要输出的刺激声数字信号准备好，之后实时地刷新缓存数据将刺激信号输出。

4．2 纯音测听检测部分的设计与实现软件平台的测试功能流程如图 3所示，在软件平台开始运行后，首先需要通过选项卡来选择要检测的功能。

其中左边是纯音测听检测流程，右边是心理物理调谐曲线检测流程。在纯音测听的检测中包括选择测试类型及设置测试参数、各个频率依次进行测听、绘制听力图及打印文字报告3个步骤；心理物理调谐曲线的检测包括设置检测参数、执行检测、数据后处理 、绘制检测结果4个步骤 。

图3 软件平台功能流程示意图Fig．3 Flow chart of the software platform functions图4是纯音测听检测的控制和结果显示界面，其中左边是“受试者信息录入”窗口，供检测者输入受试者基本信息；中间是“结果 曲线”区域，测听完成后听力图将绘制在此区域；右边是“结果数据”区域，测听完成后结果会以文本形式打印在此区域；最下方是测试类型和参数设置区域以及功能按钮，检测者在此进行设置。首先需要选定测试类型：练习模式不记录检测结果，是给从未做过检测的受试者熟悉检测流程的；手动测试允许手动控 制测试 频 率 的顺序；自动 测试 则是 连续 地 按 照1 000 Hz 2 000 Hz 4 000 Hz 8 000 Hz 250 Hz 500 Hz、1 000 Hz的顺序自动进行测听。选定测试类型之后需要确定测试参数。其 中，测试 方法分为上 升法和升 降法 ，确定了测试方法后，每个频率听阈的测定方法则
2340 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷测结果。其一是窄带噪声的带宽以及强度变化的速率设置为多少能取得最佳结果曲线，根据 Sek等人文献以及本研究的预实验，窄带噪声带宽设为 320 Hz与 0．2倍纯音频率的较小值，对于听力正常受试者噪声强度变化速率设为2 dB／s最为合适；其二是窄带噪声的生成方法不能采用白噪声通过带通滤波器滤波的方法，而应该采用逆快速傅里叶变换的方法，因为窄带噪声的带宽相对于采样率极小，使得无法获得理想的带通滤波器；其三是噪声的扫频方向对最终的结果曲线也有明显的影响，所以需要将正向测试和逆向测试在同样条件下连续进行测试，并通过双向平均算法取得平均结果曲线。

4．3．2 扫频窄带噪声合成算法240 S的扫频窄带噪声 ．s(t)是通过750个640 ms的时间块 S (t)通过50％交叠组成的，如式(1)所示：750S(t)= hann(t一0．32(i一1)，0．64)s (t)(1)式中：harm(t—tl，T)=『0．5{1一COS[27(t—t1)／ ]}，0

对于每一个 640 ms的时间块 ，可以先随机生成带宽为窄带噪声带宽一半的低通噪声，具体方法为令低通噪声在频域上幅频、相频函数如式(4)所示：fI FL( )l=1，∞ < ／2叮T ，¨ L L( )=rand(0，27) 斗，式中：B为窄带噪声带宽，rand(O，21T)为 0～2盯的随机函数。对 F ，( )求逆 FFT可得低通噪声，如式(5)所示：JS (t)= F71[F (∞)] (5)S (t)：S (t)sin(2wf~t) (6)然后如式(6)通过乘上频率为窄带噪声中心频率的正弦来调制为需要的带通窄带噪声。之后，计算每个时间块的能量强度，通过乘以校准数据调整为最终输出声压强度为 50 dB SPL的数据。

这样，将所有时间块如式(1)乘汉宁窗后 50％交叠相组合，就得到了强度为50 dB SPL、时长为 240 S、中心频率渐变的扫频窄带噪声。图 7为一例按照式 (1)至(6)合成好的中心频率由 1 000 Hz正向扫频到4 000 Hz的窄带噪声时频分析示意 图，其 中窄带噪声带宽为200 Hz，图片采用的分析方法为短时傅里叶变换，短时傅里叶变换分析中每个时间块的时长选择为 512 ms，50％交叠。尽管窄带噪声为预先生成 、强度固定的数据，但是实际测试中通过调整 ASIO驱动中噪声掩蔽信号这一通道的增益就可以简单地实现强度的变化。

2O0l60墨8O4O0000 2 000 3 000 4 000窄带噪声中心频率／Hz图7 快速 PTCs检测窄带噪声时频分析图Fig．7 Time一~equency analysis diagram of na~owband noise detection in fast PTCs4．3．3 双向平均处理算法对于正向测试和逆向测试结果的平均算法并不是简单地将 2次结果进行平均。因为掩蔽噪声中心频率扫描方向不同带来的影响主要体现在FFCs曲线在时间轴(冈为中心频率是随着时间渐变的，所以也即是频率轴)上有“左”／“右”的偏移，所以如果直接将 2次测试的结果强度平均则会造成 PTCs曲线的 V形尖端消失，同时曲线的 V形变宽，造成品质因素 Q值的估计错误。在软件中的平均算法是首先对测试曲线进行平滑处理，并寻找出2次测量结果的 V形尖端频率，然后将各 自的频率轴以找到的尖端频率进行归一化，之后分别将 2次测试的尖端频率进行平均以及将频率轴归一化的测试曲线进行平均，最后以平均后的尖端频率作为基准频率对平均后的频率轴归一化 PTCs曲线进行频率轴的逆归一化得到平均后的PTCs曲线。

4．3．4 检测部分的设计与实现心理物理调谐曲线检测的界面如图8所示，左边依然是“受试者信息”窗口；中间是“测试结果”区域，检测完成后会在此显示绘制的调谐曲线，可以通过其下部的3个选项卡分别切换显示正向检测结果 、逆向检测结果和平均检测结果；右边从上至下分别是“测试说明”窗口、“测试参数”区域和功能按钮区域；最下方是“测试进度”报告条，在检测时显示完成的进度。检测时，首先需要设定刺激声纯音的频率以及强度，如果对应频率的纯
2342 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷逆向扫描的PTC~!t]试结果窄带噪声tfJ． 频率／Hz(b)逆I 测试结果fb)Result ofbackward test双向平均的PTC~r]试结果窄带噪声中心频率／Hz(c)双向平均结果(c)Average result正向扫描的PTCil~J试结果窄带噪声中心频率／Hz(d)正向重复测试结果(d)Result ofthe repeated forward test逆向扫描的PTc测试结果窄带噪声中心频率／Hz(e)逆向重复测试结果(e)Result ofthe repeated backward test双向平均的PTc测试结果1 000 1 500 2 000 3 000 4 000窄带噪声中心频率／Hz(f]重复测试的．~lhl平均结果(D Average result ofthe repeated test图9 PTCs重复性测试结果Fig．9 Repeatability test result of PTCs图 10 平台结果与文献结果对比。实线为检测平台测试结果 ，虚线为 Sek文献[15]中一组快速 PTCs测试结果Fig．10 Comparison between the platform test result and thedata from journal article．Solid line represents the platform testresult，dash line represents a set of data from theliterature『15]of Sek6 结 论本研究研制出一套能够同时进行纯音测听和快速心理物理调谐曲线检测的综合检测平台，一方面弥补了纯音测听只能了解整体听阈信息而缺乏单个频率的频率分辨率信息的不足；另一方面通过利用高精度外置声卡以及计算机平台实现了简化纯音测听和心理物理调谐曲线检测分别需要不同的2套检测工具到一套检测平台的目的。此外 ，快速心理物理调谐曲线检测的算法也大大提高了传统心理物理调谐曲线检测的效率，为类似的心理声学的检测提供了一种行之有效的快速检测方法。

总之，综合检测平台不仅仅是实现了两种检测的软硬件平台的融合，而且实现了检测结果的融合 ：通过对照纯音测听的听阈结果和心理物理调谐曲线的频率分辨率鲫 加 ∞ 如 ∞ 如1d∽∞[p／ 瞪极棼第 10期 先 梦 等：纯音测听和心理物理调谐曲线检测平台的研制 2343结果，可以实现全面综合地了解受试者在检测频率处的强度情况和频率情况，在临床上为医师提供了更为丰富的信息，大大拓宽了对听觉系统状况的指导范围。

附 录：检测平台的校准无论是纯音测听还是心理物理调谐曲线检测都要求传到受试者鼓膜处的声压强度准确地为检测算法要求给出的强度，但是由图 1可知，程序给出的只是信号的数字量，需要经过声卡转换为电压量再经过扬声器转换为声压量，所以需要对检测平台进行校准，以清楚地知道各级的转换关系。校准所采用的二T=具是丹麦 B&K公司的电声校准系统，其与检测平台的连接如图 11所示。主控计算机上的软件平台输出纯音数字信号 Dn，通过外置声卡转换为电信号 ， 同时输出到电声校准系统的型号3160采集模块以获得其准确值以及微型扬声器以产生纯音声信号 s ，纯音声信号给到电声校准系统的型号 4157仿真耳以模拟声刺激在受试者耳道中的情况，仿真耳在模拟鼓膜处有一个标准高精度麦克风以获取声刺激信号的声压，再送到型号3 160采集模块，最后型号3 160采集模块将回采 的校准信号送人校准用笔记本，由其上 的pulse噪声振动多分析系统计算 、5 的准确值。这样 ，就获得了该刺激信号频率下数字量 D 、电压量 、声压量S 的对应关系。

校准用笔记本电压校准数字信号声压校准数字信号型号3160 I一_j 声压校准电信号采集模块 ————————一 图 11 平台校准结构图Fig．1 1 Calibration structure diagram of theintegrated detection platform整个校准将对 125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、3 000 Hz、4 000 Hz、6 000 Hz、8 000 Hz这 9个关键频率依次进行测试。在每个频率下，分别以 5 dBSPL为步长，依次产生20 dB SPL强度到90 dB SPL强度的声压级，同时记录各个节点的数据。这样，就可以知道9个频率 ×15个强度情况下各个环节的输入输出关系。

通过内插或外推就可以得到任意频率强度下各级硬件的输入输出关系。

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作者简介先梦，2010年于清华大学获得学士学位，现正在清华大学攻读硕士学位，主要研究方向为纯音测听、心理物理调谐曲线与耳声发射。

Xian Meng received B．Sc．degree from Ts—inghua University in 2010．He is now pursuingin Tsinghua University．His research interestsand OAE.

宫琴(通讯作者)，1991年于清华大学获得双学士学位，1994年于北京航空航天大学获得硕士学位，2001年于清华大学获得博士学位，现为清华大学博士生导师，主要研究方向为听觉和语音信号处理、听觉认知 、耳声发射、耳蜗移植 、听觉医学仪器设计等。

E—mail：gongqin### mail．tsinghHa．edu．cnGong Qin(Corresponding author)received B．Sc．degree fromTsinghua University in 1991，M．Sc．degree from Beihang Univer—sity in 1994，and Ph．D．degree from Tsinghua University in 2001.

She is a Ph．D．student supervisor in Tsinghua University．Her re—search interests include auditory and speech signal processing，hearing perception，speech recognition，otoacoustic emission，CO—chlear implant and biomedical instrument design.