噪聲習服及聽力損傷快速檢測儀的研制

季家紅,余文斌,郭軍濤

1.空軍總醫院 醫學工程科,北京 100142;2.空軍航空醫學研究所,北京 100142

噪聲習服及聽力損傷快速檢測儀的研制

季家紅1,余文斌2,郭軍濤1

1.空軍總醫院 醫學工程科,北京 100142;2.空軍航空醫學研究所,北京 100142

目的研制一臺集快速聽力損傷檢測及噪聲習服功能于一體的便攜裝備,以預防強噪聲給外場人員和飛行人員帶來的聽力損傷.方法采用基于ARM920T內核的Mini2440為主控核心,采用UCOS嵌入式最小操作系統進行任務調度,通過ADS軟件來編寫開發板程序,產生噪聲習服信號和測試信號,并自動完成聽力損傷自動檢測.結果儀器能夠按照GBZ49-2014《職業性噪聲聾的診斷》要求輸出穩定頻率和強度的音頻信號,實現聽力損傷自動篩查以及特定背景的噪聲習服功能.結論該檢測儀能夠按照設計要求實現聽力損傷自動篩查和噪聲習服的功能,整機具有穩定性好,擴展性強、界面友好等特點.

噪聲習服;噪聲預暴露;聽力損傷;嵌入式系統;聽力計

引言

噪聲引起的聽力損傷是人們聽覺長期遭受噪聲強烈影響而緩慢發生的一種進行性的感音神經性的耳聾[1],一直位居各種職業疾病的榜首,患病率也僅次于老年性耳聾[2].噪聲對人體各種機能的不利影響[3-4]、尤其是對人的聽力的損害是公認和嚴重的.隨著我軍戰機性能的提高,噪聲強度也大大增加.外場人員與飛行人員的工作環境遠遠超過了85 dB的噪聲接觸限值,極易導致聽力損傷[5-6].

強噪聲暴露下的聽力損傷,主要表現在永久聽閾偏移、毛細胞損失以及脂質過氧化物產物發生變化(濃度降低)等[7-8].國內外大量的動物實驗表明:對動物進行低頻聲預暴露,可以大大減輕隨后同一頻段的強噪聲對聽器損傷的程度,還對稍高頻率的中頻強噪聲也有保護作用,且這種保護作用可以持續相當長的一段時間[9-11].這被稱之為quot;噪聲習服quot;或quot;聲預處理quot;.噪聲習服是指機體噪聲適應訓練,目的是在機體本身不產生永久性聽閾偏移的基礎上,給予一定的刺激,使聽毛細胞對于其后聲刺激的保護性反應增強,以獲得對隨后高強度噪聲更大的耐受力,從而起到聽力保護的作用[11-12].

本課題研制的噪聲習服與聽力損傷快速檢測儀,依據最新國標GBZ49-2014《職業性噪聲聾的診斷》進行聽力損傷檢查[13],機內預存包括粉紅噪聲、中心頻率可調的1/3倍頻程濾波信號以及不少于10個不同噪聲環境的預暴露信號實行噪聲習服,達到減少噪聲引起聽力損傷的作用.

1 材料與方法

1.1 設計依據

國標GBZ49-2014《職業性噪聲聾的診斷》規定了職業性噪聲聾的診斷原則、診斷分級及處理原則.

聽力損傷分級需要產生高穩定度500、1000、2000、3000、4000以及6000 Hz的純音信號,輸出的聲音幅度在25、45、65 dB切換,受試者所有頻率聽閾均lt;25 dB為正常聽力,gt;25 dB即有聽力損傷,聽力損傷分級表,見表1.

表1 聽力損傷分級表

其分級規則如下:

Ⅰ級:語頻lt;25 dB,25 dBlt;高頻lt;45 dB.

Ⅲ級:語頻lt;25 dB,高頻gt;65 dB或者25 dBlt;語頻lt;45 dB,45 dBlt;高頻lt;65 dB.

Ⅳ級:25 dBlt;語頻lt;45 dB,高頻gt;65 dB.

Ⅴ級:語頻gt;45 dB,高頻gt;45 dB.

聽力損傷程度評定(適合30歲以下人員),見表2.

表2 聽力損傷程度評定

其中,單耳平均聽閾 (dB)= (HL500 Hz+HL1000 Hz+HL2000 Hz)/3.其中HL為聽力級,單位為dB.

雙耳平均聽閾 (dB)= (較好耳平均聽閾X4+較差耳平均聽閾X1)/5.

1.2 儀器構成

本儀器主要包括3個部分:聽力損傷檢查、聽力損傷預防、聽力保護知識.

研究區內基性超基性雜巖體[(262.5±2.5)Ma]主要出露于加當一帶[4]，露頭大小在20 m×60 m左右，最大者出露最寬100 m左右。基巖露頭在平面上呈不規則環狀展布的特點，且輝長巖分布在內環閃長巖分布在中心，在平面上從外環—內環—中心有超基性巖—基性巖—中性巖的分布規律，因此在三維空間上可能為巖盆狀，具有同源巖漿分異的特征。與圍巖接觸界線明顯，但未見明顯的構造接觸關系，也未見明顯的熱接觸變質作用現象。與夏日哈巖漿熔離型鎳礦床一致。是昆北巖漿弧帶相似類比夏日哈木巖漿熔離型硫化物礦床找礦的理想地區。

(1)聽力損傷檢查.依據國標GBZ49-2014《職業性噪聲聾的診斷》進行檢查,采用ARM9為主控系統,產生頻率可調、音量可調的純音信號;聽力損傷分級和聽力損傷程度評定模式則由微控制器ARM9完成,主要實現不同模式下的測試方式切換,并顯示測試、評定的結果.

(2)聽力損傷預防.同樣采用ARM9為控制系統,控制音頻解碼模塊,播放U盤中預存的,不少于10個不同噪聲環境的預暴露信號,播放時間在1～120 min可調,強度最高達到90 dB.

(3)聽力保護知識.預防聽力損傷需要參與者有主動意識.本機利用大屏優勢,預存聽力保護專業知識,以達引導鼓勵之用.

1.3 方案設計

聽力損傷檢查系統框圖,見圖1.聽力損傷檢查主要包括ARM9主控、音頻播放模塊;其中顯示部分采用LCD液晶屏顯示純音頻率音量,切換聽力損傷分級和聽力損傷程度評定模式等.

圖1 聽力損傷檢查系統框圖

聽力損傷防護系統,見圖2.該系統主要包括ARM9主控、顯示、按鍵、噪聲存儲、音頻解碼、播放等幾個模塊.其中ARM9主控主要用于控制存儲部分,提取相應的噪聲音頻文件,通過按鍵控制模擬不同環境噪聲的循環播放,音量0～90 dB可調,主控部分將提取的音頻文件傳輸給音頻解碼模塊,經解碼后通過播放模塊播放.

圖2 聽力損傷防護系統框圖

聽力保護知識編輯程序,采用ARM9實現文本閱讀,通過LCD屏顯示預存的聽力保護知識文本信息,經過按鈕的選擇實現對聽力保護知識的顯示,顯示本機使用說明及相關噪聲基本防護知識.

1.4 方案實現

聽力損傷分級需要產生6個高穩定度純音信號:500、1000、2000、3000、4000、6000 Hz,經隔離式耳機輸出,聲音幅度在25、45、65 dB切換,以3 s信號,3 s間歇的方式發送,聽到時按確認鍵.最后依照國標要求自動給出聽力損傷等級.左右耳能單獨測試.

系統采用Friendly ARM Mini2440 SBC開發板作為主控核心,Mini2440開發板,見圖3.

圖3 Mini2440開發板

其微處理器是基于ARM9內核的三星32位芯片S3C2440.其內存控制器提供對外接內存的控制指令.系統由微處理單元、電源單元、UDA1341TS音頻電路和LCD顯示等接口電路等組成[14].

音頻模塊采用串口控制語音播放模塊,Mini2440開發板音頻部分電路圖,見圖4.純音信號主要由Mini2440開發板內部音頻部分產生,主要用于產生聽力檢測需要的純音信號.音頻播放模塊完成實現至少10種不同噪聲環境的存儲,具體實現采用Mini2440控制、優盤存儲、音頻解碼和音量控制來實現.

電源模塊包括升壓模塊和充電模塊,主要提供實驗系統的供電,其電路圖,見圖5.另外配備一塊兩萬毫安數字移動電源,便于長時間脫離主電源工作.屏幕采用群創7寸真彩觸摸屏,電路板采用Altium Desiger09硬件開發工具繪制.

系統程序通過ADS(Advanced Design System)軟件來編寫開發,開發板運行UCOS嵌入式系統進行多任務調度.程序任務主要由5部分組成,包括主任務main、屏幕任務、純音信號發生任務、音頻模塊串口控制任務、聽力檢測與評定算法任務等.其中主任務負責其他任務的調度,屏幕任務負責觸摸屏顯示部分.通過ADS軟件生成bin文件,bin可以燒寫到Mini2440中執行.程序燒錄通過mini Tools工具完成.

2 結果與討論

本課題設計的噪聲習服與聽力損傷檢測儀定位于聽力損傷的初步篩查與聽力損傷防護.采用高性能的隔離式耳機能基本隔離環境噪聲.使用場所要求簡單,只要無雜音的封閉室內、周圍無正常聽力可聽見的物體移動、環境噪聲低于35 dB即可,這是本儀器有別于專業診斷用聽力計的地方.

圖4 Mini2440開發板音頻部分

圖5 電池充電電路

本儀器另一個特點是具有噪聲習服功能,即噪聲預暴露功能.用于預暴露的噪聲信號有3種,第一種是粉紅噪聲信號;第二種是粉紅噪聲經過中心頻率分別為500、1000、2000和4000 Hz的1/3倍頻程濾波器產生的信號;第三種是各種具體場景信號.采用提前錄制的方法儲存為音頻文件,根據需要進行播放,播放強度30～90 dB可調.特別是前兩種信號,除了作為預暴露信號外,也為日常聲學研究提供了極大的便利.

本儀器的不足之處是聲壓級的校準.儀器是通過隔離式耳機輸出的,因此由于耳機之間存在差異,每次更換耳機均需要聲壓級重新校準.為此儀器設置了聲壓級校準功能.校準時以純音頻率為主,每頻率設置了3個校準點,分別是25、45和65 dB,但由于各音頻輸出的聲壓級與電路增益之間并非完全的線性關系,因此在聽力損傷程度確定方面存在誤差.如何通過編制程序進行誤差補償是儀器今后需要改進的地方.這也是本儀器定位于聽力損傷初步篩查的因素之一.

早期國內大多數純音聽力篩查儀器都是采用模擬技術,通過機械調節方式設計而成,后來又升級為以單片機控制芯片為核心模塊[15],前期我們也曾基于ARM7架構的LPC為主控芯片設計了一款聽力損傷快速篩查儀[16-17].與之前這些方法相比,本儀器功能絕大部分通過軟件設計和編制程序得以實現.系統功能更強大、穩定性更高,功能再拓展也更為方便.輸出音頻的聲壓級通過了解放軍聲學研究所的檢測,達到了設計要求,儀器目前仍在試用當中.

[1] 宋軍芬,譙鳳英.噪聲性聽力損失及防護措施[J].職業與健康,2016,32(14):2009-2012.

[2] Sliwinska-Kowalska M,Pawelczyk M.Contribution of genetic factors to noise-induced hearing loss: a human studies review[J].Mutat Res,2013,752(1):61-65.

[3] 吳迪,胡建安,柳祎.我國職業性噪聲與高血壓關系的研究:Meta分析[J].實用預防醫學,2014,21(12):1464-1467.

[4] 張曉玲,黃春香.噪聲對潛艇輪機兵血糖及血脂影響的調查[J].沈陽部隊醫藥,2011,24(2):88

[5] GBZ 2.2-2007,中華人民共和國衛生部.工作場所有害因素職業接觸限值,第2部分:物理因素[S].北京:人民衛生出版社,2007:9-12.

[6] 陸強.某民用飛機場接觸噪聲作業工人純音聽閾測試分析[J].職業與健康,2011,27(15):1723-1724.

[7] 張劉洋,吳銘權,翟所強,等.噪聲習服對豚鼠耳蝸miRNA183表達的影響[J].中國煤炭工業醫學雜志,2014,17(4):621-624.

[8] Hong O,Kerr MJ,Poling GL,et al.Understanding and preventing noise-induced hearing loss[J].Dis Mon,2013,59(4):110-118.

[9] Niu X,Canlon B.Protecting against noise trauma by sound conditioning[J].J Sound Vib,2002,250(1):115-118.

[10] 彭建華,陳建福,黃治物.噪聲習服對耳蝸外毛細胞生理特性的影響[J].聽力學及言語疾病雜志,2009,17(5):481-484.

[11] 章建程,王曉花,周宏元,等.中等強度噪聲預暴露對強噪聲致豚鼠聽力損失恢復的影響[J].海軍醫學雜志,2014,35(3):174-178.

[12] 左紅艷,吳銘權,崔博,等.噪聲習服對聽覺損傷保護作用[J].中國公共衛生,2006,22(1):64-65.

[13] GBZ49-2014,中華人民共和國國家職業衛生標準《職業性噪聲聾的診斷》[S].中華人民共和國衛生部.

[14] S3C2440A.32-Bit CMOS Microcontroller User's Manual Rev1[EB/OL](2004).http://www.Samsungsemi.com.

[15] 李瑩,鐘波.純音聽力計中純音信號發生器的設計與實現[J].計算機測量與控制,2010,18(3):721-722.

[16] 季家紅,郭軍濤,田曉東.強噪聲引起的聽力損傷預防和快速初篩儀的研制[J].中國醫療設備,2009,24(2):35-37.

[17] 季家紅,郭軍濤,余文斌.基于嵌入式系統噪聲引起聽力損傷快速篩查儀的研制[J].醫療衛生裝備,2009,30(4):22-24.

本文編輯 王婷

Development of Quick Detector for Hearing Loss and Sound Conditioning

JI Jiahong1, YU Wenbin2, GUO Juntao1
1.Department of Medical Engineering, General Hospital of Air Force, Beijing 100142, China;2.Institute of Aviation Medicine of Air Force, Beijing 100142, China

ObjectiveTo develop a portable and quick detector for noise-induced hearing loss and sound conditioning which is suitable for airman and ground crew.MethodsIn the present research, the Mini2440 with ARM920T core was used as a main control board, and the UCOS minimum embedded system was used as multitask scheduler. Meanwhile, by using ADS software, the detector could write the development board program, generate the noise acquisition signal and test signal, and automatically complete the automatic hearing damage detection.ResultsThe system could produce audio signals of stable frequency and intensity according to Diagnosis of occupational noise-induced deafness (GBZ49-2014), and realize automatic screening of hearing damage and the function of noise acquisition in a certain background.ConclusionThe detector works well and has the characteristics of good stability, strong expansibility and friendly interface.

sound conditioning; noise preconditioning; hearing loss; embedded system; audiometer

R764

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.10.008

1674-1633(2017)10-0030-03

2017-01-25

2017-02-19

作者郵箱:jjh8767@sina.com