听觉电生理动物实验平台组合
作者：郭梦和 黄以乐
单位：第一军医大学珠江医院耳鼻咽喉科(广州 510282)
关键词：
听力学及言语疾病杂志990221
常用的听觉电生理动物实验主要有听觉诱发电位、耳声发射、蜗内电位(EP)、毛细胞内电位、听觉核团内电位等慢变化电位或直流电位。通常要完成以上实验，需听觉诱发电位仪、耳声发射仪、谱分析仪、多道生理记录仪等实验设备。这些仪器价格昂贵，且存在参数设置范围小，数据储存简单，不能同时将每个实验记录的说明保存下来等缺点，不太适合于动物实验。我们借鉴国外的思路和常用的听觉生理实验的实际需要，用586微机开发成一套软件，配以必要的外部硬件设备，组合成“听觉电生理动物实验平台”，现介绍如下：
1 硬件要求
, http://www.100md.com
微机采用奔腾133以上(用IBM或Cyrix166+兼容机亦可)。
数据采样用12位AD/DA卡，16路输入，1路DA输出。采样速度100 kHz，输入电平±5 V。放大器根据需要，采用不同增益、不同共模抑制比的放大器。目前已开发听觉诱发电位放大器：共模抑制比为100 dB，输入阻抗5MΩ，放大器噪声折算到输入端为0.2 μV。增益60 dB、80 dB、100 dB分别可调。如需做细胞内电位、内淋巴电位，则需要一个高阻抗、低噪声、零飘移的微电极直流放大器。本系统自带短声刺激器，可选择疏波、密波和交替三种刺激相位。
为避免重复开发，声刺激器、函数发生器、电刺激器等，采用市售仪器。根据不同实验需要，采用积木组合来完成任务。
2 软件设计及功能
软件采用QUICK BASIC 4.5，汇编5.0以及TURBO C 2.0混合编程后编译、连接。其中QUICK BASIC用于编写主程序，汇编语言用于写采样子程度，C语言写FFT及数字滤波子程序，具有速度快，可读性强，易升级、易移植等优点。
, 百拇医药
实验中每一只动物建立一个数据文件，文件以动物名或动物编号命名，存盘时可输入该动物的实验目的及说明(64个字符)。每个动物在实验中可贮存50次实验结果(50条曲线)，每条曲线可输入说明文字，如实验参数、实验条件等。
数据贮存强调了个人化，即每个研究者的数据分别贮存在各自的子目录中，以免产生数据混乱或误删除他人数据。数据文件采用二进制随机文件贮存以节省磁盘空间，必要时可转换成文本格式以供其它软件(如作图、分析软件)共享数据。
2.1 听觉诱发电位模块(AEP)：主要用于听觉诱发电位的采集和分析。
2.1.1 采样参数设置范围：
扫描时间5 ms～1s，适合于测试微音器电位(CM)、耳蜗电图、听性脑干反应(ABR)、中潜伏期听觉反应(MLR)直至听觉皮层电位。
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采样重复率1～50次/s,对没有40 Hz重复率的声刺激器，也可利用本系统的“内触发”方式实现40 Hz听觉相关电位(40 Hz AERP)记录。
叠加平均次数1～30 000次任意设置，叠加过程中可暂停、退出叠加平均或继续叠加。因平均是按实际叠加次数计算的，所以中途退出叠加不会影响测试结果。
采样延迟0.1～500 ms，可利用延迟来避开外来声/电刺激引起的伪迹。如记录EOAE，电诱发耳声发射(EEOE)，电诱发听性脑干反应等。
触发方式有内触发(微机输出触发脉冲)和外触发(由声刺激器发出触发脉冲，输入到微机)两种方式。当采用的两台声刺激器，其中一台有触发输出，另一台有触发输入和延迟方式时，可实现两台声或电刺激器的分时刺激。这种情况适用于记录电刺激交叉橄榄耳蜗束后，用声刺激器诱发耳蜗电生理信号等实验。
伪迹的剔除采用溢出电平值来控制。溢出电平默认为±4伏(AD输入端)，使用者可根据信号源的信噪比来重新设置溢出电平。凡超过这一电平的值，计算机就认为是伪迹而拒绝接受。
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2.1.2 波形处理 叠加平均结束后立即显示波形。通过波形处理菜单可实现波形放大、缩小，曲线升、降，波形打印等功能。曲线数据可以存入数组，以便测试结束时存盘。也可用文本格式单独将该曲线存盘，供其它软件使用。当不慎将记录电极和参考电极接反，导致波形颠倒时，可利用本软件的“波形倒转”功能将其纠正，不必重新采样叠加，给测试者提供了方便。
2.1.3 波形分析
测潜伏期、振幅 用双色游标标定要测试的波形，可立即显示相对潜伏期和振幅(两游标间的差)，以及绝对潜伏期、振幅(从0电位及起始点潜伏期到游标的值)。
频域分析 本软件有较强的频域分析功能。作FFT分析时可选择加或不加海宁窗，并同时计算出幅值谱、功率谱、AR谱、相位谱和自相关函数。其中幅值谱和功率谱是传统的谱分析方法。AR谱是现代谱分析，其优点为谱峰更平滑，避免了伪峰。相位谱在听生理研究中非常重要，尤其是在细胞水平的研究中，不同相位刺激会引起毛细胞的不同反应。相同的刺激，由于毛细胞的功能改变(包括离子通道的改变)亦会引起不同的反应，在相位谱上表现出来。自相关函数是反映信息的时序相关，但信息来自FFT的频域数据，在听生理研究中已有报道，本软件在两个窗口上同时显示上述图形，可用游标测量各谱峰的确切频率，可打印图形或用文本格式存盘后用其它软件作图。
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数字滤波 采用两种算法：高通、低通和带通滤波采用有限冲激响应(FIR)算法，具有稳定性好，容易做到线性相位等优点。自适应滤波采用最小均方(LMS)算法。当噪声频谱与信号频谱相重叠时，带通滤波就无能为力，自适应滤波可滤除与信号带通相重叠的噪声信号。
2.1.4 资料检索
当输入实验者的子目录名后，以每屏22条记录显示已存盘的动物实验记录，其中包括动物编号，实验目的及说明，实验日期等。输入记录号后，逐屏显示该动物的所有曲线。输入曲线号，显示该曲线的实验条件、参数，并可调入该曲线进行波形处理及分析。此外，还可将其中任意两条曲线相加或相减。亦可删除不再需要的曲线。
2.1.5 辅助功能
输入输出函数曲线 通过键盘或存盘数据文件输入数据后，可立即作出输入输出函数曲线。
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调谐曲线 用键盘输入或调存盘文件输入数据后可作出调谐曲线图形，计算出Q10 dB值，高频端斜率、低频端斜率，特征频率和特征频率掩蔽声级。
2.2 F F T 实时分析仪模块
2.2.1 实时采样、分析
采样菜单设置 扫描时间范围、叠加平均次数范围、采样延迟设置同AEP模块。菜单可设置要或不要海宁窗、选择幅值谱或功率谱。重复默认值30次/s。
叠加平均方式 采用两种方式，①时域平均，通常诱发电位仪所采用的叠加平均方式。时域平均必须相位同步信号，否则叠加后信号会减弱。当采用F1、F2两个不同频率信号刺激时，即使有同步信号，也只能与其中一个频率信号相位同步，另一个信号仍然不能锁相，所以会影响测试结果。②频域平均，每一次采样512点数据后，作FFT，频域数据放入寄存器内，将其叠加平均。适用于用F1、F2两个频率纯音诱发耳声发射及其畸变产物时应用。如用通常的时域平均方式，其叠加结果会趋向于零。国外的做法是信号用Lock in放大器处理。但Lock in 放大器耗资几千美元。频域叠加可省去Lock in放大器。频域叠加平均是本软件的特色之一。
, 百拇医药
频谱坐标可动态变化。实时采样中，如开始设定的频率范围不合适，可随时变换频率刻度，而不中断实时频谱显示。采样过程中可选择幅值谱或功率谱两种谱显示方式。频谱显示速率可随意设定，也可随时冻结图形，测量谱峰频率和幅值。每只动物(每个数据文件)可保存50幅谱图。
2.2.2 资料调用
同AEP模块一样，进入资料调用过程后，逐屏显示所有作频谱分析动物资料目录(包括该动物实验目的、说明)。调用某动物资料后，逐屏显示该动物所有谱图信息。打入需调用的谱图号后，立即屏幕显示谱图，可用游标测量谱峰的频率、幅值，也可将谱图数据转换成文本格式贮存，供其它软件应用。
2.3 四道生理记录仪模块
2.3.1 数据采样
通道设置 实验者可使用0～3四个通道中任意1～4个通道组合，不使用的通道自动关闭。采样过程中可随时改变振幅的显示比例。
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采样速度设置 最快可设置成每秒采样40点，最慢每分1点。采样过程中可随时敲一键来改变采样速度，速度改变事件由微机自动记录并标记出来。无论是实时采样还是资料调用，均可查出当时采样速度。采样时也可暂停采样，以便对动物进行处理，如补充麻醉药品等。
事件标记 实验中往往需对动物进行处理，如给以不同条件、药物等，以及动物对处理的反应。此时只要敲一键(敲通道号)就可对该通道进行标记。程序自动记录该时刻的实际时间，与采样起始点的距离(采样点数)，以便后续作进一步处理分析。
2.3.2 资料检索：
本过程对已存盘资料的调用及处理可逐屏显示四个通道的记录图形，可查看任一事件标记点的情况，包括当时时间、采样速度、距起始点的距离等。
数据裁剪 对某一通道数据感兴趣的部分，可用两个游标标定范围后“裁剪”下来，以文本格式存盘。以便用其它软件作出更精美的附图，也可改变其坐标显示方式(如将线性坐标改为对数坐标)，供发表论文时使用。存盘时包含了时间坐标和电位两部分，对采样中速度变化事件，时间坐标上亦自动反应出来。
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3 本系统特色
3.1 本实验平台功能相当于市售的3～4台仪器，可部分或全部实现听觉诱发电位仪、频谱分析仪、耳声发射仪、多道生理记录仪和Lock in放大器的功能。通过积木式组合，可完成部分动物的听生理实验。
3.2 在资料保存上，强调了个人资料保管和实验记录的保存。每只动物、每次测试均可输入实验目的、实验条件和参数变化，并自动记录实验日期、时间。
3.3 全过程方便实验者的设计，从采样、实验参数设计、实验记录到论文发表都尽可能考虑到给研究者提供方便。
3.4 在FFT分析仪部分采用了频域平均方式，这种特点只有在高档的新型频谱仪上才有。
3.5 本系统仅给实验者提供一个环境而不能代替严谨的实验设计，精细的实验操作。更不能代替您丰富的专业知识对实验结果的意义作出判断，故仅称之为“平台”。根据实验者的思路，知识面，能利用外部设备进行巧妙的组合，设计出更多的可利用本系统的实验。
鸣谢：本系统开发过程中承蒙王锦玲教授、李兴启研究员的指导以及陈洪文高级工程师提供调谐曲线各参数的算法，特此致谢!
(1998-07-07收稿 1998-09-25修回), 百拇医药
单位：第一军医大学珠江医院耳鼻咽喉科(广州 510282)
关键词：
听力学及言语疾病杂志990221
常用的听觉电生理动物实验主要有听觉诱发电位、耳声发射、蜗内电位(EP)、毛细胞内电位、听觉核团内电位等慢变化电位或直流电位。通常要完成以上实验，需听觉诱发电位仪、耳声发射仪、谱分析仪、多道生理记录仪等实验设备。这些仪器价格昂贵，且存在参数设置范围小，数据储存简单，不能同时将每个实验记录的说明保存下来等缺点，不太适合于动物实验。我们借鉴国外的思路和常用的听觉生理实验的实际需要，用586微机开发成一套软件，配以必要的外部硬件设备，组合成“听觉电生理动物实验平台”，现介绍如下：
1 硬件要求
, http://www.100md.com
微机采用奔腾133以上(用IBM或Cyrix166+兼容机亦可)。
数据采样用12位AD/DA卡，16路输入，1路DA输出。采样速度100 kHz，输入电平±5 V。放大器根据需要，采用不同增益、不同共模抑制比的放大器。目前已开发听觉诱发电位放大器：共模抑制比为100 dB，输入阻抗5MΩ，放大器噪声折算到输入端为0.2 μV。增益60 dB、80 dB、100 dB分别可调。如需做细胞内电位、内淋巴电位，则需要一个高阻抗、低噪声、零飘移的微电极直流放大器。本系统自带短声刺激器，可选择疏波、密波和交替三种刺激相位。
为避免重复开发，声刺激器、函数发生器、电刺激器等，采用市售仪器。根据不同实验需要，采用积木组合来完成任务。
2 软件设计及功能
软件采用QUICK BASIC 4.5，汇编5.0以及TURBO C 2.0混合编程后编译、连接。其中QUICK BASIC用于编写主程序，汇编语言用于写采样子程度，C语言写FFT及数字滤波子程序，具有速度快，可读性强，易升级、易移植等优点。
, 百拇医药
实验中每一只动物建立一个数据文件，文件以动物名或动物编号命名，存盘时可输入该动物的实验目的及说明(64个字符)。每个动物在实验中可贮存50次实验结果(50条曲线)，每条曲线可输入说明文字，如实验参数、实验条件等。
数据贮存强调了个人化，即每个研究者的数据分别贮存在各自的子目录中，以免产生数据混乱或误删除他人数据。数据文件采用二进制随机文件贮存以节省磁盘空间，必要时可转换成文本格式以供其它软件(如作图、分析软件)共享数据。
2.1 听觉诱发电位模块(AEP)：主要用于听觉诱发电位的采集和分析。
2.1.1 采样参数设置范围：
扫描时间5 ms～1s，适合于测试微音器电位(CM)、耳蜗电图、听性脑干反应(ABR)、中潜伏期听觉反应(MLR)直至听觉皮层电位。
, http://www.100md.com
采样重复率1～50次/s,对没有40 Hz重复率的声刺激器，也可利用本系统的“内触发”方式实现40 Hz听觉相关电位(40 Hz AERP)记录。
叠加平均次数1～30 000次任意设置，叠加过程中可暂停、退出叠加平均或继续叠加。因平均是按实际叠加次数计算的，所以中途退出叠加不会影响测试结果。
采样延迟0.1～500 ms，可利用延迟来避开外来声/电刺激引起的伪迹。如记录EOAE，电诱发耳声发射(EEOE)，电诱发听性脑干反应等。
触发方式有内触发(微机输出触发脉冲)和外触发(由声刺激器发出触发脉冲，输入到微机)两种方式。当采用的两台声刺激器，其中一台有触发输出，另一台有触发输入和延迟方式时，可实现两台声或电刺激器的分时刺激。这种情况适用于记录电刺激交叉橄榄耳蜗束后，用声刺激器诱发耳蜗电生理信号等实验。
伪迹的剔除采用溢出电平值来控制。溢出电平默认为±4伏(AD输入端)，使用者可根据信号源的信噪比来重新设置溢出电平。凡超过这一电平的值，计算机就认为是伪迹而拒绝接受。
, 百拇医药
2.1.2 波形处理 叠加平均结束后立即显示波形。通过波形处理菜单可实现波形放大、缩小，曲线升、降，波形打印等功能。曲线数据可以存入数组，以便测试结束时存盘。也可用文本格式单独将该曲线存盘，供其它软件使用。当不慎将记录电极和参考电极接反，导致波形颠倒时，可利用本软件的“波形倒转”功能将其纠正，不必重新采样叠加，给测试者提供了方便。
2.1.3 波形分析
测潜伏期、振幅 用双色游标标定要测试的波形，可立即显示相对潜伏期和振幅(两游标间的差)，以及绝对潜伏期、振幅(从0电位及起始点潜伏期到游标的值)。
频域分析 本软件有较强的频域分析功能。作FFT分析时可选择加或不加海宁窗，并同时计算出幅值谱、功率谱、AR谱、相位谱和自相关函数。其中幅值谱和功率谱是传统的谱分析方法。AR谱是现代谱分析，其优点为谱峰更平滑，避免了伪峰。相位谱在听生理研究中非常重要，尤其是在细胞水平的研究中，不同相位刺激会引起毛细胞的不同反应。相同的刺激，由于毛细胞的功能改变(包括离子通道的改变)亦会引起不同的反应，在相位谱上表现出来。自相关函数是反映信息的时序相关，但信息来自FFT的频域数据，在听生理研究中已有报道，本软件在两个窗口上同时显示上述图形，可用游标测量各谱峰的确切频率，可打印图形或用文本格式存盘后用其它软件作图。
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数字滤波 采用两种算法：高通、低通和带通滤波采用有限冲激响应(FIR)算法，具有稳定性好，容易做到线性相位等优点。自适应滤波采用最小均方(LMS)算法。当噪声频谱与信号频谱相重叠时，带通滤波就无能为力，自适应滤波可滤除与信号带通相重叠的噪声信号。
2.1.4 资料检索
当输入实验者的子目录名后，以每屏22条记录显示已存盘的动物实验记录，其中包括动物编号，实验目的及说明，实验日期等。输入记录号后，逐屏显示该动物的所有曲线。输入曲线号，显示该曲线的实验条件、参数，并可调入该曲线进行波形处理及分析。此外，还可将其中任意两条曲线相加或相减。亦可删除不再需要的曲线。
2.1.5 辅助功能
输入输出函数曲线 通过键盘或存盘数据文件输入数据后，可立即作出输入输出函数曲线。
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调谐曲线 用键盘输入或调存盘文件输入数据后可作出调谐曲线图形，计算出Q10 dB值，高频端斜率、低频端斜率，特征频率和特征频率掩蔽声级。
2.2 F F T 实时分析仪模块
2.2.1 实时采样、分析
采样菜单设置 扫描时间范围、叠加平均次数范围、采样延迟设置同AEP模块。菜单可设置要或不要海宁窗、选择幅值谱或功率谱。重复默认值30次/s。
叠加平均方式 采用两种方式，①时域平均，通常诱发电位仪所采用的叠加平均方式。时域平均必须相位同步信号，否则叠加后信号会减弱。当采用F1、F2两个不同频率信号刺激时，即使有同步信号，也只能与其中一个频率信号相位同步，另一个信号仍然不能锁相，所以会影响测试结果。②频域平均，每一次采样512点数据后，作FFT，频域数据放入寄存器内，将其叠加平均。适用于用F1、F2两个频率纯音诱发耳声发射及其畸变产物时应用。如用通常的时域平均方式，其叠加结果会趋向于零。国外的做法是信号用Lock in放大器处理。但Lock in 放大器耗资几千美元。频域叠加可省去Lock in放大器。频域叠加平均是本软件的特色之一。
, 百拇医药
频谱坐标可动态变化。实时采样中，如开始设定的频率范围不合适，可随时变换频率刻度，而不中断实时频谱显示。采样过程中可选择幅值谱或功率谱两种谱显示方式。频谱显示速率可随意设定，也可随时冻结图形，测量谱峰频率和幅值。每只动物(每个数据文件)可保存50幅谱图。
2.2.2 资料调用
同AEP模块一样，进入资料调用过程后，逐屏显示所有作频谱分析动物资料目录(包括该动物实验目的、说明)。调用某动物资料后，逐屏显示该动物所有谱图信息。打入需调用的谱图号后，立即屏幕显示谱图，可用游标测量谱峰的频率、幅值，也可将谱图数据转换成文本格式贮存，供其它软件应用。
2.3 四道生理记录仪模块
2.3.1 数据采样
通道设置 实验者可使用0～3四个通道中任意1～4个通道组合，不使用的通道自动关闭。采样过程中可随时改变振幅的显示比例。
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采样速度设置 最快可设置成每秒采样40点，最慢每分1点。采样过程中可随时敲一键来改变采样速度，速度改变事件由微机自动记录并标记出来。无论是实时采样还是资料调用，均可查出当时采样速度。采样时也可暂停采样，以便对动物进行处理，如补充麻醉药品等。
事件标记 实验中往往需对动物进行处理，如给以不同条件、药物等，以及动物对处理的反应。此时只要敲一键(敲通道号)就可对该通道进行标记。程序自动记录该时刻的实际时间，与采样起始点的距离(采样点数)，以便后续作进一步处理分析。
2.3.2 资料检索：
本过程对已存盘资料的调用及处理可逐屏显示四个通道的记录图形，可查看任一事件标记点的情况，包括当时时间、采样速度、距起始点的距离等。
数据裁剪 对某一通道数据感兴趣的部分，可用两个游标标定范围后“裁剪”下来，以文本格式存盘。以便用其它软件作出更精美的附图，也可改变其坐标显示方式(如将线性坐标改为对数坐标)，供发表论文时使用。存盘时包含了时间坐标和电位两部分，对采样中速度变化事件，时间坐标上亦自动反应出来。
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3 本系统特色
3.1 本实验平台功能相当于市售的3～4台仪器，可部分或全部实现听觉诱发电位仪、频谱分析仪、耳声发射仪、多道生理记录仪和Lock in放大器的功能。通过积木式组合，可完成部分动物的听生理实验。
3.2 在资料保存上，强调了个人资料保管和实验记录的保存。每只动物、每次测试均可输入实验目的、实验条件和参数变化，并自动记录实验日期、时间。
3.3 全过程方便实验者的设计，从采样、实验参数设计、实验记录到论文发表都尽可能考虑到给研究者提供方便。
3.4 在FFT分析仪部分采用了频域平均方式，这种特点只有在高档的新型频谱仪上才有。
3.5 本系统仅给实验者提供一个环境而不能代替严谨的实验设计，精细的实验操作。更不能代替您丰富的专业知识对实验结果的意义作出判断，故仅称之为“平台”。根据实验者的思路，知识面，能利用外部设备进行巧妙的组合，设计出更多的可利用本系统的实验。
鸣谢：本系统开发过程中承蒙王锦玲教授、李兴启研究员的指导以及陈洪文高级工程师提供调谐曲线各参数的算法，特此致谢!
(1998-07-07收稿 1998-09-25修回), 百拇医药