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1.空军总医院医学工程科,北京 100142;2.空军航空医学研究所,北京 100142

[摘要]目的研制一台集快速听力损伤检测及噪声习服功能于一体的便携装备,以预防强噪声给外场人员和飞行人员带来的听力损伤.方法采用基于ARM920T内核的Mini2440为主控核心,采用UCOS嵌入式最小操作系统进行任务调度,通过ADS软件来编写开发板程序,产生噪声习服信号和测试信号,并自动完成听力损伤自动检测.结果仪器能够按照GBZ49-2014《职业性噪声聋的诊断》要求输出稳定频率和强度的音频信号,实现听力损伤自动筛查以及特定背景的噪声习服功能.结论该检测仪能够按照设计要求实现听力损伤自动筛查和噪声习服的功能,整机具有稳定性好,扩展性强、界面友好等特点.

[关键词]噪声习服;噪声预暴露;听力损伤;嵌入式系统;听力计

引言

噪声引起的听力损伤是人们听觉长期遭受噪声强烈影响而缓慢发生的一种进行性的感音神经性的耳聋[1],一直位居各种职业疾病的榜首,患病率也仅次于老年性耳聋[2].噪声对人体各种机能的不利影响[3-4]、尤其是对人的听力的损害是公认和严重的.随着我军战机性能的提高,噪声强度也大大增加.外场人员与飞行人员的工作环境远远超过了85 dB的噪声接触限值,极易导致听力损伤[5-6].

强噪声暴露下的听力损伤,主要表现在永久听阈偏移、毛细胞损失以及脂质过氧化物产物发生变化(浓度降低)等[7-8].国内外大量的动物实验表明:对动物进行低频声预暴露,可以大大减轻随后同一频段的强噪声对听器损伤的程度,还对稍高频率的中频强噪声也有保护作用,且这种保护作用可以持续相当长的一段时间[9-11].这被称之为quot;噪声习服quot;或quot;声预处理quot;.噪声习服是指机体噪声适应训练,目的是在机体本身不产生永久性听阈偏移的基础上,给予一定的刺激,使听毛细胞对于其后声刺激的保护性反应增强,以获得对随后高强度噪声更大的耐受力,从而起到听力保护的作用[11-12].

本课题研制的噪声习服与听力损伤快速检测仪,依据最新国标GBZ49-2014《职业性噪声聋的诊断》进行听力损伤检查[13],机内预存包括粉红噪声、中心频率可调的1/3倍频程滤波信号以及不少于10个不同噪声环境的预暴露信号实行噪声习服,达到减少噪声引起听力损伤的作用.

1 材料与方法

1.1 设计依据

国标GBZ49-2014《职业性噪声聋的诊断》规定了职业性噪声聋的诊断原则、诊断分级及处理原则.

听力损伤分级需要产生高稳定度500、1000、2000、3000、4000以及6000 Hz的纯音信号,输出的声音幅度在25、45、65 dB切换,受试者所有频率听阈均lt;25 dB为正常听力,gt;25 dB即有听力损伤,听力损伤分级表,见表1.

表1 听力损伤分级表

Ⅱ级:语频lt;25 dB,45 dBlt;高频lt;65 dB或者25 dBlt;语频lt;45 dB,25 dBlt;高频lt;45 dB.

Ⅲ级:语频lt;25 dB,高频gt;65 dB或者25 dBlt;语频lt;45 dB,45 dBlt;高频lt;65 dB.

表2 听力损伤程度评定

其中,单耳平均听阈 (dB)= (HL500 Hz+HL1000 Hz+HL2000 Hz)/3.其中HL为听力级,单位为dB.

1.2 仪器构成

本仪器主要包括3个部分:听力损伤检查、听力损伤预防、听力保护知识.

(1)听力损伤检查.依据国标GBZ49-2014《职业性噪声聋的诊断》进行检查,采用ARM9为主控系统,产生频率可调、音量可调的纯音信号;听力损伤分级和听力损伤程度评定模式则由微控制器ARM9完成,主要实现不同模式下的测试方式切换,并显示测试、评定的结果.

(2)听力损伤预防.同样采用ARM9为控制系统,控制音频解码模块,播放U盘中预存的,不少于10个不同噪声环境的预暴露信号,播放时间在1～120 min可调,强度最高达到90 dB.

(3)听力保护知识.预防听力损伤需要参与者有主动意识.本机利用大屏优势,预存听力保护专业知识,以达引导鼓励之用.

1.3 方案设计

听力损伤检查系统框图,见图1.听力损伤检查主要包括ARM9主控、音频播放模块;其中显示部分采用LCD液晶屏显示纯音频率音量,切换听力损伤分级和听力损伤程度评定模式等.

图1 听力损伤检查系统框图

听力损伤防护系统,见图2.该系统主要包括ARM9主控、显示、按键、噪声存储、音频解码、播放等几个模块.其中ARM9主控主要用于控制存储部分,提取相应的噪声音频文件,通过按键控制模拟不同环境噪声的循环播放,音量0～90 dB可调,主控部分将提取的音频文件传输给音频解码模块,经解码后通过播放模块播放.

图2 听力损伤防护系统框图

听力保护知识编辑程序,采用ARM9实现文本阅读,通过LCD屏显示预存的听力保护知识文本信息,经过按钮的选择实现对听力保护知识的显示,显示本机使用说明及相关噪声基本防护知识.

1.4 方案实现

听力损伤分级需要产生6个高稳定度纯音信号:500、1000、2000、3000、4000、6000 Hz,经隔离式耳机输出,声音幅度在25、45、65 dB切换,以3 s信号,3 s间歇的方式发送,听到时按确认键.最后依照国标要求自动给出听力损伤等级.左右耳能单独测试.

系统采用Friendly ARM Mini2440 SBC开发板作为主控核心,Mini2440开发板,见图3.

图3 Mini2440开发板

其微处理器是基于ARM9内核的三星32位芯片S3C2440.其内存控制器提供对外接内存的控制指令.系统由微处理单元、电源单元、UDA1341TS音频电路和LCD显示等接口电路等组成[14].

音频模块采用串口控制语音播放模块,Mini2440开发板音频部分电路图,见图4.纯音信号主要由Mini2440开发板内部音频部分产生,主要用于产生听力检测需要的纯音信号.音频播放模块完成实现至少10种不同噪声环境的存储,具体实现采用Mini2440控制、优盘存储、音频解码和音量控制来实现.

电源模块包括升压模块和充电模块,主要提供实验系统的供电,其电路图,见图5.另外配备一块两万毫安数字移动电源,便于长时间脱离主电源工作.屏幕采用群创7寸真彩触摸屏,电路板采用Altium Desiger09硬件开发工具绘制.

系统程序通过ADS(Advanced Design System)软件来编写开发,开发板运行UCOS嵌入式系统进行多任务调度.程序任务主要由5部分组成,包括主任务main、屏幕任务、纯音信号发生任务、音频模块串口控制任务、听力检测与评定算法任务等.其中主任务负责其他任务的调度,屏幕任务负责触摸屏显示部分.通过ADS软件生成bin文件,bin可以烧写到Mini2440中执行.程序烧录通过mini Tools工具完成.

2 结果与讨论

本课题设计的噪声习服与听力损伤检测仪定位于听力损伤的初步筛查与听力损伤防护.采用高性能的隔离式耳机能基本隔离环境噪声.使用场所要求简单,只要无杂音的封闭室内、周围无正常听力可听见的物体移动、环境噪声低于35 dB即可,这是本仪器有别于专业诊断用听力计的地方.

图4 Mini2440开发板音频部分

图5 电池充电电路

本仪器另一个特点是具有噪声习服功能,即噪声预暴露功能.用于预暴露的噪声信号有3种,第一种是粉红噪声信号;第二种是粉红噪声经过中心频率分别为500、1000、2000和4000 Hz的1/3倍频程滤波器产生的信号;第三种是各种具体场景信号.采用提前录制的方法储存为音频文件,根据需要进行播放,播放强度30～90 dB可调.特别是前两种信号,除了作为预暴露信号外,也为日常声学研究提供了极大的便利.

本仪器的不足之处是声压级的校准.仪器是通过隔离式耳机输出的,因此由于耳机之间存在差异,每次更换耳机均需要声压级重新校准.为此仪器设置了声压级校准功能.校准时以纯音频率为主,每频率设置了3个校准点,分别是25、45和65 dB,但由于各音频输出的声压级与电路增益之间并非完全的线性关系,因此在听力损伤程度确定方面存在误差.如何通过编制程序进行误差补偿是仪器今后需要改进的地方.这也是本仪器定位于听力损伤初步筛查的因素之一.

早期国内大多数纯音听力筛查仪器都是采用模拟技术,通过机械调节方式设计而成,后来又升级为以单片机控制芯片为核心模块[15],前期我们也曾基于ARM7架构的LPC为主控芯片设计了一款听力损伤快速筛查仪[16-17].与之前这些方法相比,本仪器功能绝大部分通过软件设计和编制程序得以实现.系统功能更强大、稳定性更高,功能再拓展也更为方便.输出音频的声压级通过了解放军声学研究所的检测,达到了设计要求,仪器目前仍在试用当中.

[1] 宋军芬,谯凤英.噪声性听力损失及防护措施[J].职业与健康,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] 吴迪,胡建安,柳祎.我国职业性噪声与高血压关系的研究:Meta分析[J].实用预防医学,2014,21(12):1464-1467.

[4] 张晓玲,黄春香.噪声对潜艇轮机兵血糖及血脂影响的调查[J].沈阳部队医药,2011,24(2):88

[5] GBZ 2.2-2007,中华人民共和国卫生部.工作场所有害因素职业接触限值,第2部分:物理因素[S].北京:人民卫生出版社,2007:9-12.

[6] 陆强.某民用飞机场接触噪声作业工人纯音听阈测试分析[J].职业与健康,2011,27(15):1723-1724.

[7] 张刘洋,吴铭权,翟所强,等.噪声习服对豚鼠耳蜗miRNA183表达的影响[J].中国煤炭工业医学杂志,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] 彭建华,陈建福,黄治物.噪声习服对耳蜗外毛细胞生理特性的影响[J].听力学及言语疾病杂志,2009,17(5):481-484.

[11] 章建程,王晓花,周宏元,等.中等强度噪声预暴露对强噪声致豚鼠听力损失恢复的影响[J].海军医学杂志,2014,35(3):174-178.

[12] 左红艳,吴铭权,崔博,等.噪声习服对听觉损伤保护作用[J].中国公共卫生,2006,22(1):64-65.

[13] GBZ49-2014,中华人民共和国国家职业卫生标准《职业性噪声聋的诊断》[S].中华人民共和国卫生部.

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

[15] 李莹,钟波.纯音听力计中纯音信号发生器的设计与实现[J].计算机测量与控制,2010,18(3):721-722.

[16] 季家红,郭军涛,田晓东.强噪声引起的听力损伤预防和快速初筛仪的研制[J].中国医疗设备,2009,24(2):35-37.

[17] 季家红,郭军涛,余文斌.基于嵌入式系统噪声引起听力损伤快速筛查仪的研制[J].医疗卫生装备,2009,30(4):22-24.

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

Abstract: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.

Key words:sound conditioning; noise preconditioning; hearing loss; embedded system; audiometer