一种光束整形对光诱发听觉影响的测试系统和方法

摘要

本发明公开了一种光束整形对光诱发听觉影响的测试系统和方法，包括依次相连的激励信号源、光源及驱动模块、传输光纤、模式切换模块，模式切换模块将光纤传输的光信号输送给光束聚集整形模块或光束发散模块，实现发散光束和聚集光束之间的切换；光束聚集整形模块或光束发散模块的输出光照射用于测试动物听觉组织在发散光束和聚集光束下与不同声音对应的听觉反应的动物听觉测试模块，动物听觉测试模块将测得的数据传输给数据处理模块，数据处理模块负责处理采集到的听觉反应信号，得到发散光束和聚集光束可诱发听觉反应的光信号参数的差异。该测试系统和方法用于光诱发听觉系统研究，可测试或标定整形光束带给系统信号参数的变化。

说明书

技术领域

本发明公开了一种光束整形对光诱发听觉影响的测试系统和方法。

背景技术

近些年研究表明，光脉冲取代电脉冲可激发动物听觉神经的传导功能，具有用于人工耳蜗修复听觉的潜质。光纤脉冲激光照射耳蜗听神经组织可产生光声效应现象，该效应可通过测量动物听性脑干反应(ABR)来观察激光触发听神经的反应。从这类研究文献报道可知，已有多种波长的激光成功诱发听觉，如808nm，980nm,1850nm等，同时也有人研究激光其它参数变化(如脉宽、脉冲重复率等)对光刺激诱发听觉的影响。

激光需要经传输介质耦合后进入动物耳蜗，光纤是一种由玻璃或塑料组成的纤维，利用光的全反射原理传导激光，是理想的传输激光的材料。目前的研究报道都采用芯径较细的光纤传导光信号(例如200um、100um或更细)，且光纤出口对光束未做任何处理，可称为裸端口，这种端口在光束传输中可能带来一系列问题：

1，激光发散角变大导致激光能量发散，激光作用区域扩大，使光刺激精度下降，无法确定精确的刺激部位。

2，同等条件下，需采用较大能量的激光功率才能诱发出听觉现象，不利于激光光源、激光调制驱动电路结构的小型化。

3，光纤裸端口放置的距离和角度与光诱发的听觉效果高度相关，不易于精确控制。

4，光纤裸端口容易受到听觉组织液体的污染，易造成堵塞，阻碍光的输出，堵塞严重时会导致光纤端口损毁。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺陷，本发明公开了一种光束整形对光诱发听觉影响的测试系统和方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种光束整形对光诱发听觉影响的测试系统，包括依次相连的激励信号源、光源及驱动模块、传输光纤、模式切换模块、动物听觉测试模块和数据处理模块；所述的模式切换模块将传输光纤传输的动物听觉组织能识别的光信号输送给光束聚集整形模块或光束发散模块，实现发散光束和聚集光束之间的切换；所述的光束聚集整形模块或光束发散模块的输出光照射动物听觉组织相应位置，采用动物听觉测试模块来测试动物听觉组织在聚集光束和发散光 束下诱发的听觉反应信号，所述的动物听觉测试模块将测得的听觉反应数据传输给数据处理模块，所述的数据处理模块负责处理采集到的听觉反应信号，分析比较发散光束和聚集光束诱发听觉反应的差异。

所述的激励信号源，用于调制光源及驱动模块以产生能激活动物听觉组织的光信号；为输出参数可调的激励电信号发生器，或者是将声音按符合人耳听觉特性的对数尺度划分频段，通过设备处理后，转换为各通道的电信号的声音处理器。

所述的光源及驱动模块，用于产生光信号，为LED光源、连续或脉冲激光器及控制光源的驱动电路。

所述的连续或脉冲激光器为气体激光器、固体激光器或液体激光器。

所述的传输光纤，为用于传输光源及驱动模块产生的光信号的各种光纤，如：阶跃型光纤或渐变型光纤，单模光纤或多模光纤，等等。

所述的模式切换模块，实现光束聚集整形模块和光束发散模块之间的相互切换；实现的方式为：通过一个转接结构实现传输光纤在光束聚集整形模块和光束发散模块之间的相互切换，或者采用传输光纤与光束聚集整形模块或光束发散模块的光纤尾纤直接熔接的方式实现相互切换。

所述动物听觉测试模块，用于测试动物听觉组织在光束聚集整形模块和光束发散模块下输出不同光信号产生的听觉反应；其包括一个测试盒和一个听觉电生理测量仪，在所述的测试盒内盛放麻醉后已固定的被测动物听觉组织；所述的被测动物听觉组织的耳蜗相应感音位置在不同光信号照射下产生对应听觉反应，可通过听觉电生理测量仪测量其听觉反应。

所述的光束发散模块，为端口未做任何处理、直接输出光信号的裸端口光纤。

所述的光束聚集整形模块，包括一个裸端口光纤，在裸端口光纤的信号输出端安装有一个光学整形元件，通过光学整形元件，将发散角较大的光束整形为准直性好、发散角小的光束。

所述的光束聚集整形模块和光束发散模块安装在一个用于准确调节输出光束的三维坐标的可调支架上。

所述数据处理模块负责处理采集到的听觉反应信号，经听觉电生理测量仪处理，记录测量曲线或数据，再存入计算机分析对比，得出光束整形前、后可诱发听觉反应的光信号参数的差异。

所述的光束整形对光诱发听觉影响的测试系统进行测试的方法如下：

步骤1.激励信号源输出的电信号在光源及驱动模块中电控电路作用下，将电信号转换 成对应的光脉冲信号，光信号经耦合送入输出光纤中；

步骤2.测试经光束聚集整形模块和光束发散模块不同的光路输出的光束；在相同激励信号源驱动下，产生的光信号功率无明显损耗，以验证光束整形处理对光输出的无损性。

步骤3.使所述动物听觉测试模块中的动物待测听组织照射部位暴漏出来；

步骤4.安插并检查测试盒中动物听觉电生理测量仪的测量电极；

步骤5.进行光路光束聚集整形模块和光束发散模块的切换，用可调固定支架对照射光纤固定，保持光纤出光口与听觉组织被照射部位之间的距离和光斑的稳定；

步骤6.设定激励信号源和光源及驱动模块的参数，实施光信号照射；

步骤7.开启听觉电生理测量仪，记录测量波形并保存；

步骤8.在各组激励信号和不同测距条件下，依次测出光束聚集整形模块和光束发散模块下的听觉反应曲线，并对数据进行对比分析,得出光束整形前、后可诱发听觉反应的光信号参数的差异。

本发明的有益效果如下:

本发明根据动物耳蜗内的感音听神经分布和传导的拓扑结构具有位置选择性，提出光束整形可改进光信号刺激选择性的设想，并设计一种检测光束整形对光诱发听觉影响的测试系统和方法；光纤输出端口的光束整形，对光信号无损耗，但可减小激光发散角，通过光纤输出光路的切换，比较不同光路模式能诱发动物听觉反应的光信号参数的变化。与光纤裸端口输出相比，整形后的激光输出效率更高，激发出动物听觉反应所需的激光功率阈值更低；同时，在同样光功率下，光纤输出端口与听神经组织的距离可近可远，可同样诱发听觉反应。

该测试系统和方法用于光诱发听觉系统研究，可测试或标定整形光束带给系统信号参数的变化。光束整形有利于光信号在耳蜗内感音频率上的选择性，易于装置系统小型化，准直的光束，有利于作用距离的灵活控制。

附图说明

图1测试系统构成框图；

图2(a)为光束整形前传输示意图；

图2(b)为光束整形后传输示意图；

图3动物听觉测试模块示意图。

图4光束聚集束与发散对光斑(即光束作用区域选择性)的影响情况；

图5相同光强下，光束聚集与发散产生的OABR信号强度与光作用距离的关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，光束整形对光诱发听觉影响的测试系统，该测试系统用于光诱发听觉系统研究，可测试或标定整形光束带给系统信号参数的变化。光束整形有利于光信号在耳蜗内感音频率上的选择性，易于装置系统小型化，准直的光束，有利于作用距离的灵活控制，具体结构如下：

其包括依次相连的激励信号源、光源及驱动模块、传输光纤、模式切换模块，模式切换模块将光纤传输的光信号输送给光束聚集整形模块或光束发散模块，实现发散光束和聚集光束之间的切换；光束聚集整形模块或光束发散模块的输出光照射用于测试动物听觉组织在发散光束和聚集光束下的听觉反应的动物听觉测试模块，动物听觉测试模块将测得的数据传输给数据处理模块，所述的数据处理模块负责处理采集到的听觉反应信号，分析得出发散光束和聚集光束可诱发听觉反应的光信号参数的差异。

该系统中光纤输出端口的光束整形，对光信号无损耗，但可减小激光发散角，通过光纤输出光路的切换，比较不同光路模式能诱发动物听觉反应的光信号参数的变化。在同样光功率下，与光纤裸端口输出相比，整形后的激光输出效率更高，激发出的听觉反应响应曲线更佳,同时,光纤输出端口与听神经组织的距离更加灵活(可近可远),如图5可见。

激励信号源为信号发生器，信号发生器输出参数可调的激励电信号，或者是声音处理器，声音处理器将声音按符合人耳听觉特性的对数尺度划分频段，通过带通滤波器组滤波等一系列处理后，转换为各通道的电信号。

激励信号源输出的刺激信号，用于调制对应光源驱动电路以产生相应的光信号。

光源及驱动模块可以是LED光源、连续或脉冲激光器

连续或脉冲激光器为气体激光器，固体激光器或液体激光器；固体激光器包括半导体激光器。

传输光纤可以是各种类型的光纤(如阶跃型光纤、渐变型光纤；单模或多模光纤等)。

模式切换模块：传输光纤通过转接结构与不同模式的光纤输出端口相连接；模式包括：模式1：光纤传输的光直接从裸端口输出的发散光；模式2：光纤传输的光经光束整形处理后再输出的聚集光。

转接结构可采用通用的光纤耦合器件，其中包含多种，如SC光纤耦合器、FC光纤耦合器、LC光纤耦合器、ST光纤耦合器；也可采用传输光纤与带模式1或模式2的光纤尾纤直接熔接。

光束聚集整形模块和光束发散模块依次安装在一个可调固定支架上，用于调节光纤输出 光束的三维坐标，使光斑对准照射位置，固定支架可以是各种类型的三维立体定位仪；光束聚集整形模块和光束发散模块通过一个可调节的光纤夹安装在三维立体定位仪的z轴上，且光纤夹的上下可调。

如图2(b)所示，光束聚集整形模块，对光纤输出的光束进行整形的光学结构；通过光学整形元件或结构，将发散角较大的光束，整形为准直性较好、发散角较小的光束，使光束在一定传输范围内(例如零微米～十几毫米)没有明显损耗，避免光束发散。光束聚集整形模块采用的光学整形元件可以多种，如渐变折射率透镜，固定折射率透镜，自聚焦光纤等；整形结构可通过光纤加工工艺实现；

如图2(a)所示，光束发散模块为端口是裸端口的光纤，该模块的光束没进行整形，其输出的光束随距离增加逐渐发散，照射光斑与光束聚集整形后的光斑有较大差异。

动物听觉测试模块如图3所示，包括一个测试盒和一个听觉电生理测量仪，在测试盒内盛放麻醉后已固定的被测动物听觉组织，光束聚集整形模块输出的激光光斑照射测试盒中被测动物耳蜗相应感音位置(如耳蜗圆窗膜、底转或中转听毛细胞或螺旋神经节)，并通过听觉电生理测量仪测量其听觉反应。所述听觉反应可以是耳蜗听神经复合动作电位(CAP)，也可以是听性脑干反应(ABR)和下丘神经元反应。

数据处理模块：负责处理采集到的听觉反应信号，经听觉电生理测量仪处理，记录测量曲线或数据，再存入计算机，以便分析对比。所述听觉电生理测量仪是可用于测量动物或人的听觉反应指标的各种电生理测量仪，例如美国Intelligent Hearing System公司的ABR测量仪、美国Nicolet公司的电生理测量仪等。

测试步骤和方法：

1.激励信号源输出的电信号在光源及驱动模块中电控电路作用下，将电信号转换成对应的光脉冲信号，光信号经耦合送入输出光纤中。光信号输出可由电信号控制，在脉冲宽度、脉冲重复率、脉冲幅度多个参数上任意调节。

2.用光功率计测试，经模式1和模式2不同的光路输出的光束，在相同激励信号源驱动下，产生的光信号功率无明显损耗，以验证光束整形处理的无损性。

3.通过手术暴露出动物待测听组织照射部位

4,安插并检查测试盒中动物听觉电生理测量仪的测量电极，确保牢固、有效。

5.以无损连接方式进行光路模式1、模式2的切换，以可调固定支架对照射光纤固定，保持光纤出光口与听觉组织被照射部位之间的距离和光斑的稳定。

6.设定信号源和光源参数，实施光信号照射

7.开启听觉反应测量记录仪，记录测量波形并保存

8.在各组激励信号和不同测距条件下，依次测出模式1和模式2下的听觉反应曲线，并对数据进行对比分析,便可得出光束整形前、后可诱发听觉反应的光信号参数的差异。

测试结果： 

与模式2相比，模式1整形后的激光光束输出效率更高，光斑面积更集中，能激发动物听觉反应所需的激光功率阈值更低；同时，在同样光功率下，整形后的光束与听觉组织的作用距离可近可远、更加便于控制距离，如图4所示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。