（生物医学工程专业论文）喉动态观测与分析系统研究初步.pdf

山东大学硕卜学位论文 喉动态观测与分析系统研究初步 导师：潘燕 研究生：赵敬 摘要 喉动态观测与分析系统是中国分析测试协会资助项目。该项目的研究目标是 自行开发一套喉动态观测仪器系统、及基于虚拟仪器技术的具有声门图像分析与 嗓音分析功能的计算机软、硬件系统。本文主要讨论有关的软件功能与部分基础 实验的结果和意义。 喉动态镜，又名动态喉镜。通过它可以清楚地观察到复杂的声带振动模式， 为喉疾病的早期诊断、治疗及预后提供科学依据。近年来，随着电子技术和计算 机技术的发展，声学测试和声门图像分析等客观、定量分析技术在喉疾病的诊断 中得到了应用，这些技术与方法为喉疾病的诊断提供了量化指标。 喉动态观测分析系统的硬件主要包括：微机、闪光及平光光源、c c d 摄像头、 录像机、麦克风、监视器或电视屏幕、硬管喉镜或纤维喉镜等。 系统软件由汇编语言及l a b w i n d o w s c v i 语言编制而成。汇编语言程序用于 完成喉动态观测部分的自动控制。应用l a b w i n d o w s c v i 虚拟仪器开发语言编程 实现嗓音声学分析功能和声门图像分析功能。嗓音声学分析系统可进行声音信号 的采集、存储以及频率微扰商、振幅微扰商，谐噪比等声学参数的提取分析；声 门图像分析系统可进行声带振动图像的静相、动相显示或帧图像冻结显示，并可 对图像信号进行声门长度、声门面积等参数的提取。 为探讨喉动态镜成像大小与被检测对象间距离及角度的关系及关系的密切 程度。本研究进行了一系列基础实验，使用基于虚拟仪器的喉动态观测系统，测 量一大小固定的物体，取不同距离、不同角度时所呈现的图像的面积与长度。结 果证明当被测物体大小固定时，测量距离对被测物体所呈现的喉镜图像的面积和 长度有显著影响：而测量角度对被测物体所呈现的喉镜图像的面积和长度无显著 影响。 本系统完成后将综合喉动态镜观察、声学测试、声门图像分析三大技术，以 实现目前国内外多种仪器的功能 第l 页 山东大学硕十学位论文 关键词：喉动态镜虚拟仪器l a b w in d o w s c vl 嗓音声学分析声门图像分析 山东大学碗十学位论文 t h ep r e l i m l n a r yr e s e a r c ho fl a r y n x d y n a m i c o b s e r n ga n da n a l y z i n gs y s t e m d i r e c t o r ：p a ny a n p o s t g r a d u a t e ：z h a oj i n g a b s t r a c t t h ep r o j e c to fl a r y n xd y n a m i co b s e r v i n ga n da n a l y z i n gs y s t e mw e r e s u b s i d i z e db yc h i n aa s s o c i a t i o nf o ri n s t r u m e n ta n a l y s i s t h eu l t i m a t eg o a lo ft h i s p r o j e c ti st od e v e l o pt h el a r y n xd y n a m i co b s e r v i n ga n da n a l y z i n gi n s t r u m e n ts y s t e m a n dt h ec o m p u t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e mw i t ht h ef u n c t i o no ft h ev o i c e a c o u s t i ca n a l y s i sa n dt h eg l o t t a li m a g ea n a l y s i st h a tb a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n i q u e t h ef u n c t i o no ft h es o f t w a r e ，r e s u ra n ds i g n i f i c a n c eo fs o m eb a s i c e x p e r i m e n t sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h el a r y n g o s t r o b o s c o l o e ，w h i c hi sa l s ok n o w na sl a r y n xs t r o b o s c o p e ，c a nh e l pt o o b s e r v et h ec o m p l i c a t e dv i b r a t i o no fv o c a lc o r d s i th a sb e e nw i d e l yu s e di n e x a m i n a t i o na n dd o c u m e n t a t i o no fl a r y n g e a ld i s e a s e s i nr e c e n ty e a r s 1 i t l lt h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dw i d e l ys p r e a du s eo fc o m p u t e r , t h e o b j e c t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y t i c a lt e c h n i q u e , l i k et h ev o i c ea c o u s t i ca n a l y s i sa n d t h eg l o t t a li m a g ea n a l y s i st e c h n i q u ee t c w e r eu s e dt ot h ed i a g n o s i so ft h el a r y n g e a l d i s e a s e s a l lt h e s et e c h n i q u ea n dm e t h o d sp r o v i d eq u a m i f i e a t i o n a lp a r a m e t e r st o d i a g n o s el a r y n g e a ld i s e a s e s t h em a i nh a r d w a r es y s t e mo f t h el a r y n xd y n a m i co b s e r v i n gs y s t e mi sc o m p o s e d o fam i c r o c o m p u t e r , c o n t i n u o u sa n df l a s hl i g h t u r c e s ，ac c d ( c h a r g e - c o u p l e d d e v i c e ) t y p eo f c a m e r a , av i d e or e c o r d e r , am i c r o p h o n e ，am o n i t o ro rt e l e v i s i o ns c r e e n , r i g i dt e l e s c o p ea n d o raf i b e r s c o p e t h es o f t w a r es y s t e m i s p r o g r a m m e d w i t h a s s e m b l yl a n g u a g e a n d l a b w i n d o w s c v l t h ea s s e m b l yl a n g u a g ep r o g r a mw a su s e dt oa u t oc o n t r o lt h e l a r y n xd y n a m i co b s e r v i n gs y s l e m t h ef u n c t i o no fv o i c ea c o u s t i ca n a l y s i sa n dt h e 第3 页 山东大学硕十学位论文 g l o t t a li m a g ea n a l y s i sa r er e a l i z e db yu s i n gt h el a b w i n d o w s c v lv i r t u a li n s t r u m e n t p r o g r a m m i n gl a n g u a g e t h ev o i c ea c o u s t i ca n a l y z i n gs y s t e mm a ys a m p l ea n ds t o r e v o i c es i g n a l s ，p i c ku pa n da n a l y z es e v e r a lp a r a m e t e r ss u c ha sf p q 、a p q 、h n re t e t h eg l o t t a li m a g ea n a l y z i n gs y s t e mm a yo b s e r v et h ei m a g eo fas l o w l yc o n t i n u o u s m o v e m e n to fv i b r a t i n gv o c a lc o r d so rt h em o r p h o l o g i cc h a n g e so fg l o t t a l w h e nt h e v i b r a t i n gv o c a lc o r d s 撒i l l u m i n a t e di n as t r i c t l ys y n c h r o n o u sm a n n e rb yt h e i n t e r m i t t e n tl i g h ts o u r c e ，t h ei m a g ew i l la p p e a rt ob es t a t i o n a r yb e c a u s et h es a m e p h a s eo f t b ec y c l ew i l la l w a y sb ei l l u m i n a t e d a n yp h a s e i no n ec y c l ec a l lb eo b s e r v e d i tm a y p i c kl l pa n da n a l y z es e v e r a lp a r a m e t e r so f i m a g es i g n a l ss u c h a sg l o t t a ll e n g t h 、 g l o t t a la r e ae t c w h i l eo b s e r v e dd i r e c t l y , t h eg l o t t a li m a g e sc a l lb ed i s p l a y e do ns c r e e n a n db es t o r e db yd i g i t a lv i d e oc a m e r ai no r d e rt or e s t o r ea n da n a l y z eb yc o m p u t e r t or e s e a r c ht h ec o r r e l a t i o no fm e a s u r ed i s t a n c ea n da n g l ew i 也t h ei m a g eo f l a r y n g o s t r o b o s c o p ea n dt h ed e g r e eo ft h e i rc o r r e l a t i o n ，as e r i e so fb a s i ce x p e r i m e n t s h a sb e e nd e s i g n e dt om e a s u r et h ea r e aa n dl e n g t ho ft h ei m a g eo faf i x e ds i z eo b j e c t f r o md i f f e r e n td i s t a n c ea n da n g l eb yt h es y s t e mo fl a r y n xd y n a m i co b s e r v i n gw h i c h b a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n t s t h er e s u l ts h o w nw h e nt h es i z eo fo b j e c tw a sf i x e d ， t h ea r e aa n dl e n g t ho f t h ei m a g eo f t h el a r y n g o s t r o b o s c o p ea r eo b v i o u s l yr e l a t e dw i t h m e a s u r ed i s t a n c e b u tn o tr e l a t e d 埘t l lt h em e m c a la n g l e c o m p a r e d t oc o n g e n e rp r o d u c t s ，t h i ss y s t e mp o s s e s s e st h em u l t i p l ef u n c t i o n sa n d i se x p e c t e dt ob ee a s y - t o - u s e ，l o wc o s t , c a p a b l eo fa u t o m a t i cq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s w i t hp e r f e c tp e r f o r m a n c ee t e i tw i l lb ea ni d e a li n s t r u m e n tf o rt h em o d e r n i z a t i o no f l a r y n g o l o g ya n dv o i c em e d i c a ls c i e n c e k e yw o r d s ：l a r y n g o s t r o b o s c o p e ； v i r t u a l i n s t r u m e n t ； l a b w i n d o w s c v l ；v o i c e a c o u s t i c a n a l y z i n g ； g l o t t a li m a g ea n a l y z i n g 第4 页 山东大学硕l 学位论文 喉动态观测与分析系统研究初步 导师：潘燕 研究生：赵敬 1 前言 喉动态观测对多种喉疾病的诊断具有重要的意义动态喉镜自发明以来已有 一百多年的历史，期间经历了从机械到电子发展过程。随着光源和喉镜系统及摄 像、录像技术的发展和完善，动态喉镜与间接喉镜、直接喉镜、纤维喉镜及手术 显微镜的相互联接，使动态喉镜临床应用的适应症不断被扩大【1 4 l 。 喉是发声的主要器官，而声带贝q 是声音产生的关键部位，同时声带也是语音 器官中最易受损伤和发生病变的部位，因此对声带振动和发声的研究成为了语言 学、语音学、喉科学和嗓音医学等学科的重要课题1 5 , 6 】。声带是一个由被膜层和 本体层组成的双重振动体7 一，两层结构具有不同的体积、质量和流变学特征， 是产生声带振动和粘膜波动的组织学基础。被膜层质地松软易弯曲变形，当声带 振动时，围绕着本体层的表面形成可传播的水样波动，即粘膜波动。本体层主要 由声带肌组成，较硬，决定声带的张力，影响声带的形态，并决定粘膜被盖层的 波形。双重振动体是声带振动的组织学基础。发音时，声门下气流吹开声带，引 起松软的粘膜被膜层从声带下缘向上缘传播的水浪样波动。声带粘膜层的任何病 变都会导致被膜层变硬、僵直，被动伸张和变形能力降低。粘膜的浅层病变对声 带振动的影响较小，当病变在粘膜层不断发展加重，涉及全层时，由于重力影响， 整个声带显得僵硬，粘膜波动消失，声带振动明显减弱或消失，此时为癌变的危 险信号 9 1 。有研究表明，声带振动模式的变化可以客观地反映疾病变化的病理过 程，根据声带振动模式的改变可以推论声带病变的性质，对早期声带癌的诊断具 有重要意义 声带是一种运动功能器官，声带振动的频率可达几十至上千赫兹不等 ( 8 0 3 4 0 0 h z ) n 4 4 。声带振动的频率较高，声带的质量、韧性、覆盖粘膜的病变等 均会影响其振动的频率、振幅和持续时间。由于发音器官解剖结构上的限制和声 带的高速、复杂的振动，造成了信号获取和声带振动理论研究的困难。根据人眼 第s 页 山东大学硕i | 学位论文 ! ! ! ! i ：，i 视觉残留原理( 详见附页) ，一般情况下肉眼根本不能看清声带振动时的清晰图 像，因此利用普通光源观察声带( 临床上一般采用电灯光线或自然光，现在多用 冷光光源) 的方法来诊断声带病变是非常困难的i 1 0 1 医生只是根据声带的颜色 和形态变化等来诊断声带疾病。然而，某些声带疾病的早期，声带的颜色和形态 并无明显变化，但其振动功能却首先表现出异常；又有一些疾病，虽然声带形态 和颜色变异非常相似，但其振动功能表现却明显不同。因此，观察声带振动功能， 对研究声带疾病具有非常重要的意义动态喉镜作为一种既能够方便医生对喉的 状况进行观察，又能清晰地展现声带的振动情况及声带上可能发生盼各种病理改 变的仪器，已经成为喉科医生不可却少的助手。 临床上对声带振动功能的检查主要有三种方法1 5 t 16 】：包括喉动态镜检查，声 门图检查和超高速摄影。超高速摄影由于费时，操作繁琐，价格昂贵，目前尚未 广泛应用于i 临床，只用于少数的研究工作中1 。声门图检查1 1 1 9 , 2 0 】包括电声门图 ( e g g e 1 e c t r 0 9 1 0 t t o g r a p h ) 和光声门图( p g g - - p h o t o g l o t t o g r a p h ) 检查等 多种方法。其中，p g g 为一种入侵性的检测方法，而其他几种声门图检查法在临 床应用中都存在一定的困难。e g g 则在临床中得到了广泛的应用，e g g 是一种无 入侵性、直接、定量的，通过声门接触面积的变化来研究声带振动的新技术。电 声门图检查在不影响发声的条件下，能够无损伤地检测声带振动的规律性、声门 的开启与关闭、声带振动的不同方式，可反映声带振动每一周期中闭合阶段的特 点，能对喉镜检查做实质性的补充，特另q 适合儿童和各种不适宜用喉镜检查的患 者。但是由于其为厨接检测技术，有其局限性。首先缺少直观性，对病变部位、 大小、形态缺少精确了解：其次测试结果易受诸多因素影响，如声门间粘液、电 极位置、头位移动、是否正确发音等均可影响其结果，故尚有待临床操作规范化 及标准的制定。 喉动态镜法【2 1 埘l ，利用照明的间断频率和声带振动频率同步的原理，使声带 振动产生一个静止或缓慢振动的图像，从而使正在发声的器官的结构能够被清晰 的观测到声带由渐开相至完全分开，再至完全闭合，是声带振动的一个周期 这个周期重复进行，构成了声带的振动，形成一个人声音的基本频率f 将此周 期用波形表示，波形每个相位对应声带振动过程中声带的不同状态( 详见附页) 当采用与声带振动频率同步的闪光时，看到的总是各个周期中的同相位，即相 第6 页 山东大掌硕十擘位论文 同位置的声带形态，我们称之为看到了正在发声的声带静态结构影像静相； 若改变闪光频率，使它与声带振动的频率略有差异，不同相位的声带振动形态被 照亮，就可以看到声带振动的“慢动”假象，我们称之为动相观察。因此我们就 能详细的观察到声带快速、复杂而细微的振动过程f 1 8 】喉动态镜在医学科学发 展中已成为检查喉功能必不可少的精密仪器，它可以观察到声带振动过程中的振 动规律，对喉科疾病提供科学的诊断依据和鉴别诊断；可对声带手术的术前、术 后观察和术中指导提供客观指标；对发音障碍的治疗及发声训练提供依据。它在 喉科学、病理嗓音学、艺术嗓音学、语言病理学等领域占有重要位置【j 。 动态镜最早的结构1 2 5 。矧是机械式的，物理学上用来测量物体运动的速度，即 “闪光测速”。1 8 2 9 年由物理学家p l a t e a n 首次介绍和使用，用于观察物体有规 律的快速周期性的活动。自从将高压气体电光管用作光源以来，喉动态镜的发展 进入了一个新的阶段。k a l l e r 阐明了频闪电子管观察声带原理。s m i t h 于1 9 5 4 年制成了电子动态喉镜，1 9 6 1 年l e d e n 介绍了具有拾音器，光源，电控制组合 和脚踏开关四部分的t i m c k 式电子动态喉镜。电子动态喉镜有很多优点，主要包 括：首先闪光时间短促，这样就能在高频下看到喉的清楚图像：其次在人的整个 音域以内，光亮度恒定：同时借拾音器使音频和光频保持一致，可随意延长闪光 间隔的时间以不同速度观察声带振动的过程即动像，也可随意移动触发闪光的相 位点以观察一个振动周期中不同时刻的声带结构即静像b a r t h 于1 9 7 6 年把喉 动态镜与手术显微镜、支撑喉镜相连，进行喉显微外科手术，使喉显微外科1 2 3 】 得到快速的发展。 我国动态喉镜起步较晚【5 0 年代宋牧( 1 9 5 7 ) 与张乃华( 1 9 5 9 ) 分别在上 海和西安自制快象盘动态喉镜用于i 临床。1 9 7 4 年，邵庆余1 3 4 - 3 7 1 等首先研制成功 了我国第一台电子动态喉镜d d j 一1 型，随后的d d j - - 2 型电子动态喉镜投入临床 应用。d d j 一2 型的测频显示、移相控制、闪光亮度、连续闪光时间等主要指标 都达到了当时的国际先进水平8 0 年代上海医科大学研制成功纤维动态喉镜。 随后电视动态喉镜，录像动态喉镜等相继问世9 0 年代初王家宝等1 3 8 】研制成功 微电脑控制的频闪喉镜仪，由z 一8 0 实现对闪光频率的控制。现在的动态喉镜， 其辅助装置可自动记录频率和强度的变化，以供比较或作为永久贮存资料喉镜 的发展经历了由一般喉镜至纤维频闪喉镜和硬管频闪喉镜的发展过程3 9 - 4 2 1 。 第7 页 山东大学硕十学位论文 嗓音声学分析是借助各种仪器对声音信号进行定量分析的方法。随着电子技 术的迅速发展，嗓音客观检查也进一步发展完善起来，常用的检测参数有：基频 值( f o ) 、频率微扰( p p q ) 、振幅微扰( a p q ) 、噪声测试( n n e ) 等。近年来在嗓音分 析中越来越多地采用计算机为主的分析系统1 4 3 - 5 0 ) ，利用计算机可以采集、存储嗓 音信号，反复进行复杂的处理运算，具有独特的特点计算机嗓音检测系统是一 种无创的、非侵入性的嗓音疾病检测的手段。计算机嗓音分析【5 l 弓q 改变了以往嗓 音疾病缺乏客观评估指标的局面，为喉科学提供了定量化研究的工具。5 0 6 0 年代，w i n k e l 、n e s s e l 、柳原等应用声谱仪对嗓音进行研究；6 0 7 0 年代， l i e b e r m a n 、k o i k e 、北岛等研究了声波的频率微扰与各种声带疾病的关系1 5 1 ； y u m i 使用数字声谱仪对嗓音嘶哑程度做定量分析，并指出近8 0 的病理嗓音的 声样可由两个声学参数检测出1 5 8 】：从1 9 8 6 年以来，中国医科大学的杨式麟，北 京中日友好医院的刘永祥等学者相继进行了微机分析嗓音的研究。这些研究极大 的促进了喉科学的研究进程。 随着计算机技术在喉科领域中的广泛应用，计算机喉部图像的信息摄取正逐 步从定性观察向定量分析发展。天津的杨宝琦等学者进行了声门动态图像微机分 析的研究i 卯l 。动态声门图法是利用计算机对动态喉镜录制的声门图像进行声门 图像的量化和数据处理i 似7 2 1 ，提取相应参数的一种研究方法，它可以进行声门图 像的实时观察与回放并采用计算机磁盘存储图像资料，利用计算机图像处理软件 对喉镜图像进行处理，使图像更清晰：并可播放和截取具有临床诊断价值的图像 进行观察分析动态声门图法是对喉动态镜技术的进一步发展，它不仅为喉动态 镜提供定量数据，为使用喉动态镜诊断疾病提供量化指标，也为临床保存资料提 供了方便7 3 1 已有的研究主要集中在对声带振动功能参数的测定p , 7 4 1 。原山东医 科大学生物医学工程研究所9 1 年开发了喉疾病微机检测分析系统 7 5 - 7 8 | ，可实现 声音信号采集、储存；声音频谱，相关、信噪比分析；三维声图显示及任选时一 频点数据分析这些研究极大的促进了我国喉科学定量化研究进程。 目前在临床工作中存在着体内测量的归一化闯题，即由于喉镜图像与被测目 标的大小及喉镜与被测目标的距离及角度有密切的关系。而喉镜的位置在同一受 检者不同次检查，以及不同受检者之间，难以同一陴】。因此临床喉镜检查时， 检查者在确定喉部结构与病变部位大小时，采用的是与周边组织比较后的相对 第8 页 山东大学硕i 一学位论文 值。由于测量上的难度，以往临床上对喉部疾病和呼吸功能的评估主要是观察声 门裂的大小，与之比较本研究参照相关文献i 】，以声门长度为校准，标化声 门图像参数，测其相对值，如用声门面积声门长度来标化声门面积比值。并针对 被预4 目标的大小及喉镜与被测目标的距离及角度的关系进行了基础实验研究。 数字图像处理技术起源2 0 世纪2 0 年代。到2 0 世纪6 0 年代，第三代计算机 的发明使数字图像处理技术得到迅速发展，并广泛应用于工业、军事，医学、文 艺等领域。数字图像处理的主要内容有：图像信息的获取，图像信息的存储，图像 信息的传送，图像信息处理，图像信息的输出和显示。其方法主要有空域法和变换 域法，其中空域法包括邻域处理法和点处理法。邻域处理法的主要方法有梯度运 算、拉普拉斯算子运算，平滑算子运算和卷积运算等。点处理法的主要内容有灰 度处理，面积、周长、体积、重心运算等。变换域法包括滤波、数据压缩、特征 提取等处理等姐耵。数字图像的特点：信息量大；占用频带宽：各个像素不独立， 相关性很大；处理结果需要人的观察评价，受人的主观因素影响较大。自从2 0 世纪7 0 年代初，x - c t 的发明以来，数字图像处理技术在核共振成像、超声成像、 数字射线照相术、发射型计算机成像和核素成像等医学图像处理领域也得到广泛 应用。这些技术的广泛应用使临床医生对人体内部病变部位的观察更直接、更清 晰，确诊率也更高。随着计算机技术的发展，计算机医学图像处理技术在临床诊 断中起着越来越重要的作用。 虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅 助测试领域的一项重要技术嘲。美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简 称n i ) 自1 9 7 6 年成立以来，致力于测量与工业自动化领域的软硬件开发。i 在全球率先提出了虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 的概念，即“软 件就是仪器的思想。基于计算机的虚拟仪器技术以其强大的数据采集、分析处 理和控制传输功能在现代检测技术中得到了广泛应用i 引】。虚拟仪器的实质是利 用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检 测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用 i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算 机仪器系统 l a b w i n d o w s c v i ( cf o rv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 是面向仪器的交互式c 第9 页 山东大学碗十学位论文 mm 语言开发平台，它将功能强大、使用灵活的c 语言平台与用于数据采集、分析和 表达的测控专业工具有机结合起来它的集成开发平台、交互式编程方法、丰富 的功能面板和库函数大大增强了c 语言的功能，为熟悉c 语言的开发人员建立检 测系统、自动测试系统、数据采集系统、过程监控系统等提供了一个理想的软件 开发环境【柏l 。l a b w i n d o w s c v i 软件的重要特征就是使c 语言编程环境与内部编 译、连接查错、代码产生工具和内部功能库结合成一体，在w i n d o w s 和平台上简 化了图形用户接口的设计，同时为使用者提供了灵活的内置式数据采集、分析和 显示功能，以便用户可以随心所欲地设计自己的测量系统它由功能各异的4 个编辑器组成：项目文件编辑器、用户界面编辑器、源码编辑器和功能面板编辑 器。它提供的功能库包含：用户界面、( 高级) 分析、数据采集板系统、v x i 、 g p i b g p i b 4 8 8 2 、r s - 2 3 2 、d d e 、t c p i p 、文件i o 、标准c 等。在l a b w i n d o w s c v i 软件平台中设计完成的虚拟仪器由四个文件组成，如图1 1 所示。 图1 1 用l a b w i n d o w s c v l 设计的虚拟仪器软件组成框图 f i g 1 1t h eb l o c kd i a g r a mo fv i r t u a li n s l y u m c n ts o r w a r e p m g r a r n m c db yl a b 、斩n d o w s ，c v i 本研究利用功能强大的l a b w i n d o w s c v i 软件自行设计制作“喉动态观测分 析系统”，它是一套集喉动态镜实时观察，声学测试、声门图像分析三大功能于 一体的喉疾病辅助诊断系统 临床上声带动态观察和微机分析属两种独立的方法，采用了两套不同的仪器 系统。目前我国部分大医院和研究机构为提高研究水平进口了上述仪器系统。如 从美国进口的k a ym o d e l5 5 0 0 型声信号分析系统，价值为四万多美元，从丹麦 进口的b r i e l & l g a e r4 9 1 4 型电视喉动态镜价值为五万多美元以上两套仪器 系统总价值折合人民币7 0 多万元而两套系统都有放大部分、显示器、专用机 第l o 页 山东大学硕 学位论文 控制部分等，如采用通用微机控制r 两套系统合为一体，则可节省重复部分这 样就能较大幅度地降低成本，提高仪器系统的稳定性，减少操作步骤( 因大多数 情况下，病人需同时做声带检查与嗓音分析才能确定病症) 。因此，本研究的目 的在于，根据虚拟仪器新概念研制以便携机为主体的动态观察与嗓音分析、图像 分析合为一体的喉动态观测分析仪器系统。这样，既简化了操作，又提高了检测 效果，降低了设备费用。 2 系统设计 2 1 整体设计 喉动态观测分析系统仪器图见图2 1 示 2 2 系统硬件设计 喉动态观测分析系统主要实现三部分功能，即实时观测功能、声音信号处理 功能和声门图像处理功能。组成框图如图2 2 示。实时观测是由医生使用动态喉 镜观察声带运动过程，检查声带振动功能，辅助喉部疾病的诊断。可以说这是整 个系统的核心组成部分。检查时，嘱被检查者发i ：音1 7 9 , 1 ，声音信号经过拾音 器( 或麦克风) 转化为电压信号。此时的信号比较微弱，一般只有几十毫伏到一 百毫伏的范围，且不同频率混杂。因此信号要首先经过信号预处理电路进行放大、 滤波，再经单片机控制系统采样，提取信号基频，计算并输出闪光脉冲控制闪光 灯，实现动态观察的功能医生检查过程中，可以首先采用平光对喉部进行大体 的观察，在医生认为有必要的情况下再选择动态观察声带振动过程的方法，或静 相观察，或动相观察 声音信号处理是将声音信号存储到计算机，由计算机进行声音信号的声学参 数提取、分析由信号预处理电路放大后的声音信号，达到一定幅度，由计算机 进行采样、模数转换为数字信号，存入计算机。这样就可以对声音信号的频谱、 微扰等各种声学参数进行分析，提供喉疾病客观、定量的诊断依据 将摄像头固定于喉镜上，在医生观察声带振动的过程中，声带振动的图像还 可通过显示器实时显示，既方便观察，又可以直接用于教学、会诊等；如果医生 第l i 页 图2 1 喉动态观测分析系统 f i g2 1 t h el a r y n xd y n a m i co b s e r v i n ga n da n a l y z i n gs y s t e m 认为有必要，就可以开始录像，将声带的振动过程录取下来，再转存到计算机内。 一方面，声带的振动过程可通过显示器回放出来，便于仔细观察和永久存放，另 0 一方面，信息存入计算机，就可以实现图像的后处理功能，为喉疾病的诊断提供 更多的可靠依据。 系统硬件主要包括以下各部分： ( 1 ) 电源部分：供给闪光灯高压、平光灯低压及电路各种直流电压。 第1 2 页 山东大学硕 。学付论文 i 图2 2 喉动态观测分析硬件系统组成 f i g2 2 t h eh a r d w a r es y s t e mo f l a r y n xd y n a r a i co b s e r v i n ga n da n a l y z i n g ( 2 ) 拾音器麦克风：在隔音条件下( 环境噪声4 5 d b 以下) ，被测者取端坐位， 口距麦克风1 0 c m ，以舒适自然声强及音调发元音a 音、i ：音，经过自行研制 的信号放大器放大后通过1 2 位数据采集卡( n i ，n a t i o n a li n s t r u m e n t 数据采 集卡) 将声音信号 d 转换为数字信号输入计算机，持续采样3 s 5 s 的时间 此声音信号的采集，作为声学参数分析之用。同时，将拾音器固定于喉镜入口处 采集元音i ：音，经过自行研制的信号放大器放大和模拟滤波器滤波，用以提取 基频信号麦克风采用6 u a r d a 删一8 9 0 8c a r d i o i dd y n a m i cm i c r o p h o n e ，频响 为2 0 h z - - 2 0 k h z 。 ( 3 ) 信号预处理电路：自制，包括放大电路和滤波电路，实现声音信号的放大和 滤波。 ( 4 ) 单片机主控电路：自制，由a t 8 9 c 5 2 作为微处理器构成单片机系统，实现 对信号预处理电路的控制和i ：音信号的分析，提取声带振动频率基频，由 基频进行分频计算、移相控制，最终输出频闪脉冲，控制闪光源以特定频率闪光， 观察声带振动的动相和静相过程。 ( 5 ) 喉镜：采用杭州好克( h a w k ) 光电仪器有限公司t 8 1 9 7 硬管喉镜，7 0 。视角， 垂8 嗍x1 9 0 ；配备p i s 0 1 导光束，由4 x 1 8 0 0 m m ，外径l o r e ；防水型硬镜c c d 接 口f 7 2 0 1 ，( m 1 5 0 5 ) ，焦距规格1 8 m ( 6 ) 光源：平光光源使用杭州好克光电仪器有限公司h 1 | 一2 0 0 高亮度冷光源。该 冷光源为2 4 w 弧光灯，整机功率4 5 w ，色温6 5 0 0 k ，灯泡寿命8 0 0 小时( 连续时 问) ；自锘口高频频闪电路，频闪频率可达l o o h z 。具有闪光频率高、闪光时间长、 第1 3 页 山东大学够p 学竹论文 例光延迟时问短、亮度高及亮度恒定等优点。光源通过导光纤维把声带照亮，声 带图像通过导光纤维导出至摄像镜头，亦可通过直接喉镜摄取声带动相，此图像 通过n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 视频信号采集卡输入计算机，使用高分辨率图 像显示器显示声带运动的静相、动相过程。 ( 7 ) 发光二极管：采用深圳鑫辉电子有限公司产的x h - 3 3 3 w 2 c 一0 4 型5 m m 圆形白色 发光二极管。光强1 0 0 0 0 m e d ，半功率角度2 0 d e g ，正向电压3 4 v ，反向电流1 0 0 i ia ，消耗功率l o o m w ，峰值正向电流l o o m a ，工作温度一4 0 一8 0 。其优点为消耗 功率低，可靠性和稳定性高，在光学设计和机械设计中灵活性大。 ( 8 ) 摄像头：采用索尼微型c c d 摄像头摄像系统在硬管喉镜的目镜端，可以对 声带运动进行录像( 清晰、精细，可长期保存) 并将其重放。 ( 9 ) d a q 数据采集卡和双缓存数据采集：我们采用n i 公司生产的1 2 位 p c i m i o - 1 6 e - 4 数据采集卡，它是一种高性能即插即用型数据采集卡，基于p c i 总线技术，具有模拟、数字和时钟输入输出功能它的主要性能有：软件可选 1 6 路单端，1 6 路伪差分或8 路差分模拟量输入；逐次逼近型：1 2 位分辨率：最 大采样速率2 5 0 k b s ；输入o l o v 或o 5 v 。其采样速率、采样周期数、通道 选择等参数的设置可通过软件设置完成。我们利用双缓冲技术实现了连续采集以 及在高速采集的同时，实时显示采样数据的连续波形。双缓冲模式下，采集数据 用环状缓冲区，数据写到缓冲区结尾处就回到开始部分继续写，冲掉1 日的数据 在逻辑上，这块缓冲区被分成相等的两段。我们实现了信号的实时采集和显示功 能，是基于双缓存( d o u b l eb u f f e r e d ) 的数据采集和p m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 传输技术其基本原理是数据采集卡先往第一个缓存区存储采集的数据，第一个 缓存区写满后，自动向第二个缓存写数据，同时置位缓冲区满标志，计算机采用 d m a 高速读取第一个缓存区的数据后，缓冲区满标志自动复位；当第二个缓存区 写满后，自动向第一个缓存区写数据，同时置位缓冲区满标志，计算机读取并处 理第二个缓存区的数据。如此循环操作，只要保证在数据写往某缓存区之前，该 缓存区的数据已被计算机读取( 计算机采用d m a 读取该组数据的时间极短) ，就 能完全保证对信号的不丢失实时采集和显示。n i d a q 驱动程序是软件和硬件接 口之间的桥梁它具有通用的应用编程接口( a p i ) ，能够通过接口把硬件设备和 计算机相连接，交换数据借助于n i - d a q ，利用开发的各种实际应用程序，可 第1 4 页 山东大学硕十学位论文 以支持多种操作系统，可移植性强 ( 1 0 ) i m a qp c i - 1 4 1l 图像采集卡：i m a qp c i 1 4 ll 视频采集卡是美国n i 公司的 视频采集产品，它是配合基于虚拟仪器开发的软件平台和图像处理软件平台 i m a qv i s i o n 软件包的8 - b i t 快速模一数转换高质量图像采集接口。i m a qp c i - 1 4 11 充分利用计算机的p c i 总线的功能，支持r s - 1 7 0 总线的功能完成图像的高质量 采集、数据变换和传输。该视频卡支持r s - 1 7 0 、p a l 制式的视频信号格式，进行 四路视频信号的同时采集处理，并且能够进行实时f r a m e 传送和直接写入内存操 作该硬件主要有以下特点：支持外部时钟和同步输入，时钟和水平、垂直同步 复合同步信号的输入，对4 路视频信号和触发信号进行快速转换。支持对增益和 偏置的编程。使用p c i 接口和d m a 控制技术保证数据在p c i 总线和f i f o 存储器 之间的快速交换。4 路视频信号和触发信号进行r t s i 总线的触发、延迟、捕捉， 通过n n i - i t a o 编程利用软件控制实现。接收窗口控制和视频参数的编程：内部时 钟1 1 1 6 5 m h z 可以校正外部像素传输率、活动像素区、垂直同步信号、扫描线、 扫描制式、活动采集区、3 种采集模式分别是：( 1 ) 标准模式( 2 ) 外部复合同步接 收复合同步信号产生水平垂直像素时钟信号( 3 ) 外时钟模式直接用外部信号进 行a d 转换。n i i m a o 驱动软件包是与i m a qp c i 一1 4 1 1 视频采集卡配套的视频 采集驱动软件平台，它包括配合基于虚拟仪器开发的软件平台和图像处理软件平 台i m a qv i s l 0 n 软件包的快速图像采集接口的多种驱动程序。充分利用虚拟仪器 的技术和总线的功能。从应用程序库中直接调用库函数，对视频制式、图像采集 ( 连续或单帧) 、内存缓冲、触发控制、板卡控制、接收存储等进行编程计算 机应用环境和i m a qp c i 一1 4 1 1 之问的程序中断、d m a 控制也通过n i - i m a q 进行。 ( 1 1 ) 计算机显示系统：系统可配备双显示系统，一个显示器显示声门图像，另 一显示器显示操作菜单实现图像的分析处理 2 2 1 嗓音分析功能硬件组成 声音信号采集示意图如图2 3 所示嗓音分析是将声音信号存储到计算机， 由计算机通过虚拟仪器程序进行声音信号的声学参数提取、分析。信号采集在隔 音条件下进行，声音信号经麦克风通过专用数据传输线和1 2 位n i 数据采集卡采 集，然后通过1 2 位a d 转换卡将模拟的声音