摘要耳声发射(Otoacoustic Emissions,OAEs)是目前对外周听觉系统是否完好无损评价的客观指标。在瞬态刺激诱发耳声发射(Transient Evoked OAEs,TEOAEs)的初始部分通常混杂有刺激伪迹成分(主要指耳道对刺激声直接反射的回声)，它阻碍了具有短潜伏期的高频耳蜗响应，这就使得OAEs的测量在临床使用中受到了很多的限制。我们提出了一种基于离散小波变换预处理的去除伪迹方法，该方法不仅能够有效地去除刺激伪迹，而且能够有效的提高耳声发射的信噪比。

Wavelet Application to Reduction of Stimulus Artifact

in Transient Evoked Otoacoustic Emissions Testing

Chai XinyuCheng JingzhiDong HongbinShou YonghuaDong Mingmin

Department of BME,Xi'an Jiaotong Univerisyt, Xi'an710049

Department of information & Detection Technology, Zhengzhou Univsity,Zhengzhou450052

Institute of Otolaryngology, Henan Medical Univeristy, Zhengzhou450052

AbstractOtoacoustic emissions(OAEs) are presently considered as an objective clinical test for assessing the integraity of peripheral hearing. Owing to the adding of the reflex waves of the stimuli, recordings of emissions evoked in response to transient stimuli are contaminated by an initial artifact, which inhibits the examination of high frequency cochlear responses that have short latencies. So OAEs testing is of serious limitation in most clinical environments. We propose an artifact reduction technique based on discrete wavelet transform pre-processing method and demonstrate empirically that the method not only improves artifact reduction but also enhances signal-to-noise ratio in the response region.

Key wordsOtoacoustic emissionSignal processingWavelet

1引言

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^［1］。OAEs可以根据刺激声的有无分为自发耳声发射(Spontaneous Otoacoustic Emissions. SOAEs)和诱发耳声发射(Evoked Otoacoustic Emissions, EOAEs)两类。EOAEs通常又分为四种。(1)瞬态诱发耳声发射(Transient EOAEs,TEOAEs)；(2)畸变产物耳声发射(Distortion Product Otoacoustic Emissions，DPOAEs)；(3)刺激频率耳声发射(Stimulus Frequency OAEs，SFOAE-s)；(4)电诱发耳声发射(Electricity Evoked OAEs,EEOAEs)。

TEOAEs是在短促脉冲刺激下诱发出来的，常用的有喀嗒声诱发的耳声发射(Click Evoked OAEs,CEOAEs)和短纯音诱发的耳声发射(Tone-burst Evoked Otoacoustic Emissions, TBOAEs)两种。对CEOAEs来说，它是耳蜗对短声刺激产生的响应，声刺激通过微型喇叭刺激到耳道中，同时通过放置在同一耳道中的高灵敏度麦克风来记录耳蜗响应，但麦克风同时不可避免地也记录了刺激声以及耳道壁对其反射的回声，它即是混杂在瞬态刺激诱发耳声发射初始部分的伪迹成分。伪迹掩盖了真实耳蜗响应的初始部分，而该区域很可能包含最高频率调谐耳蜗区域的作用。事实上，越接近耳蜗的入口处，该区域作用的延时越短，这些伪迹的存在可能会造成TEOAEs在临床上应用的一些限制，因此消除伪迹在临床上也显得特别有意义。

目前消除伪迹的方法是采用传统的非线性方法，即导出的非线性响应方法(Derived Nonlinear Response,DNLR)^［2］，它是由Bray,P和Kemp,D.T等学者于1987年提出的。在该方法中，假设几乎所有的声伪迹是线性的，相反，耳蜗的响应具有明显的非线性，而且随着刺激强度的减小其线性度下降。在实际应用中，由于DNLR方法简单且有效，因此它被广泛地应用于诱发的耳声发射记录中^［3］。

但是，DNLR方法有两个主要的限制^［2］，一方面，在任何刺激强度下，通过DNLR方法获得TEOAEs比一般同步平均方法获得的TEOAEs的信噪比(signal-to-noise.SNR)要低，尤其是当刺激强度较小时SNR的降低更加显著，因此DNLR的可检测性明显降低；另一方面，刺激强度越低，响应的线性度越大，因此在这个强度范围内，DNLR的幅度肯定要明显减小，当刺激伪强度差别变大时，它表现出明显的非线性。换言之，在整个刺激强度范围内，耳声发射并不是完全非线性的，刺激伪迹也不是完全线性的，因此，DNLR方法虽然消除了在伪迹中占主要的线性成分，但同时也消除了耳声发射中有价值的线性成分，使其SNR降低，而伪迹中的非线性成分仍不能消除。

我们的主要目的在于提出一种基于二进小波变换预处理的去除伪迹方法，该方法不仅能够有效地去伪迹，而且能够保持耳声发射的信噪比。

2方法

2.1TEOAEs的提取

如图1所示，我们采用Otodynamic公司制造的ILO88型耳声发射分析仪，一台安装了相应软件的IBMPC586计算机，一套瞬态诱发耳声发射微型探头，分析仪通过打印电缆联接到计算机的打印接口上，探头插入具有正常听力的待测者外耳道内。

图1基于计算机的瞬态诱发耳声发射测量装置示意图

Fig 1Schematic diagram of a computer-based TEOAE-measurement device

测试对象为4个正常成年人(具有正常听力且无听力疾病史)，刺激为不同强度线性喀答声和非性喀答声(clicks)，分别采用线性方法(同步平均)及非线性方法(DNLR)在不同刺激强度下记录了8只耳朵的耳声发射响应，分别用CEOAEs及DNLR表示。测 试工作在声屏蔽室内进行，数据采样率为25 KHz，12位A/D转换，采样时间20 ms，采样长度是512点，带通滤波器的频带是600～6000 Hz，低频截止是为了抑制发射声波的直接反射伪迹、环境及体内噪声，高频截止一方面用于作FFT时抗混迭，同时也用来抑制仪器噪声。

2.2CEOAEs的指数方法时频分布

为了能够有效地确定在不同刺激强度下刺激伪迹在时频域中的成分及区域，需要计算CEOAEs和DNLR的时频分布，由于耳声发射响应是时变生理信号，显然用传统的短时傅利叶变换时频分析是不合适的，而Wigner-Vill分布又存在有交叉项，为了消除交叉项，因此我们采用由Choi和Williams于1989年提出的一种具有指数类型核的新型分布，这种分布被称作指数分布(exponential distribution, ED)^［4］。其表示为：

(1)

具有滑动窗的离散时间、离散频率的ED形式：

我们根据公式(2)计算了不同强度刺激诱发的CEOAEs和DNLR的时频分布等高线，如图2所示，在计算中平滑参数σ=1，滑动窗M=28，左边图(a)、(c)、(e)、(g)表示四个不同强度刺激诱发CEOAEs的时频分布等高线，右边图(b)、(d)、(f)、(h)表示同样四个不同强度刺激诱发DNLR的时频分布等高线。

2.3CEOAEs的二进小波变换

小波分析法是近年来发展起来的一种随机信号的时间尺度分析法，信号f(t)的连续小波变换为^［5］：

(3)

图2左、右图分别为在不同刺激强度下用线性和DNLR方法获得耳声发射的时频分布等高线

Fig 2Contour maps of the CEAOEs(left) and the DNLR (right) at various stimulus intensities

其中(4)

ψ(t)被称为分析小波；τ为位移；a为尺度因子。

在实际应用中，我们采用二进小波变换，即取a=-2^j(j∈Z)，时间t也离散化，其离散化表达式为：

(5)

小波变换必须满足二尺度特性(φ(t)为尺度函数)，即

上述关系可以用正交镜像滤波器组实现，不必求出ψ(