生成和測量耳組織聲反射率曲線形狀的裝置和方法

2023-06-27 16:44:26 2

專利名稱：生成和測量耳組織聲反射率曲線形狀的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及為耳病診斷提供信息的裝置和方法。具體地說，本發明涉及測量耳組織的聲反射率的裝置和方法。
本發明的背景技術業已發現許多病症與人和動物的耳組織有關。較頻繁地診斷出的病理其中包括外耳道阻塞、外耳道閉鎖、鼓膜穿孔、鼓膜萎縮、各種形式的耳炎(粘連性的、有滲液的和無滲液的)、耳硬化症、鐙骨固定(fixation of the stapes)、和鼓室珠光瘤。對於兒童，中耳炎是最常見的病症之一。就病症本身而言，中耳炎是一種重要的病症(affliction)，如果沒有立即診斷和治療，可能導致長期嚴重地失去聽力和學習的能力。此外，中耳炎經常是其它病症的症兆，因此在診斷這些病症中是有用的。
這些耳病一般採用通用的診斷技術診斷，例如鼓室儀(tympanometry)、氣動耳鏡或直視耳鏡。雖然這些技術的效用已得到公認，但這些技術還有某些困難。例如，對於鼓室儀和耳鏡，進行試驗並解釋結果的人必須接受嚴格的培訓。由於這些技術不能由非醫務人員或缺乏經驗的人員完成，所以不可能用這些技術在家裡或學校對兒童或嬰幼兒進行有效的普查。
此外，病人必須與使用這些技術的人合作，而接受這些技術診斷的病人可能要經受相當大的不適。由於(1)為了獲得有用的測量結果需要氣密密封，(2)任何探針都必須插進耳道的深處，以及(3)耳道內的空氣壓力必須在大氣壓上下變化才能獲得有用的測量結果，所以經受鼓室儀或氣動耳鏡檢查特別不舒服。
採用常規診斷技術對幼兒作中耳炎診斷特別困難，因為許多這類技術會帶來恐懼、不適、甚至是痛苦。由於孩子不適，結果最好的情況是引起孩子亂動，使檢查結果受損，而最壞的情況是孩子拒絕進行檢查，所以常規技術檢查的效果往往被削弱。在進行批量普查時這個問題特別突出，例如當醫院門診必須在比較短的時間內診治大批病人時，就可能出現這個問題。
採用這些通用診斷技術所遇到的許多問題可以藉助於測量聲反射率的裝置得到解決，聲反射率是與中耳的複數聲阻抗相關的量。美國專利U.S4,601,295和U.S4,459,966(授權給John H.Teele)揭示並介紹了一種適合測量聲反射的裝置。這種裝置是工業產品，由ENT醫療設備公司和Endeco公司(ENT Medical Device Inc.ofWareham，Massachusetts，and Endeco Inc.，of Marion，Massachusetts)生產。在文獻中，這種診斷技術屬於聲反射技術並且這種裝置一般屬於聲反射儀或聲耳鏡。
聲反射儀涉及聲波(稱為入射波)通過耳道向鼓膜傳送。一部分入射波被鼓膜和耳組織的其它部分反射。入射波從包括鼓膜響應頻率在內的頻率範圍中選定；理論上入射波的振幅最好也同樣選定，但是這往往不能實現。這些反射波和入射波的矢量和被麥克風獲得。在頻率範圍內的入射波與反射波的矢量和的包絡(文中稱之為聲反射率曲線)有一凹谷(dip)，也被稱作靜值區。凹谷的「峰值」，實際上是最小值，被通稱為靜值。在文獻中和在它們的商業應用中，聲反射儀計算耳組織的聲反射率曲線並探測凹谷和靜值的存在和中心頻率。靜值是利用這種裝置診斷耳病的主要基礎。儘管Teele的專利說特徵凹谷的「形狀」能夠與該凹谷的出現、頻率和幅度一起測定，但是這些專利沒有討論特徵凹谷形狀的重要性，而只是說形狀意味著該凹谷是如何地明顯或陡峭。Teele的專利也沒有討論如何探測或測量凹谷形狀，以及其在診斷中的利用價值。
一種市售的聲反射儀是T形裝置，它能夠提供靜值的幅度和入射頻率(在它們出現時)，它利用一組水平二極體指示凹谷出現的頻率，用一組垂直二極體指示靜值。這種裝置，來自ENT醫療設備公司的501型聲學耳鏡，可以配備記錄儀或印表機，允許直觀地觀察完整的聲反射率曲線。
文獻中的幾篇文章敘述利用市售的裝置獲得的聲反射率曲線的靜值是怎樣同耳病相關的。特別是，嚴重的中耳滲液(MEE)通常造成高靜值，反之，正常耳組織的靜值都比較低。但是有一個重要的測量範圍，在這個範圍內的診斷是不確定的，即可能有中耳滲液，比如滲液恰好處於開始發展階段。這個不確定的範圍限制了該方法和裝置的靈敏度和專用性。文獻還包括幾項研究，這些研究獲得了各種關於MEE診斷裝置的專用性和靈敏度的結論。
業已發現，用聲反射儀獲得的靜值的測量精度取決於儀器端至鼓膜的視線。此視線是直線時，提供最精確的結果。由於不適當的瞄準或因為耳組織本身的原因不能獲得直線時，靜值的測量結果不大可能指出不健康的耳組織，更可能落在不確定範圍，僅僅說明有中耳滲液的可能。而不健康的耳組織有可能被診斷為健康的。
由於這個不確定的區間，市售的聲學耳鏡最後提供一些操作規程，指導用戶在聲學耳鏡與記錄儀或印表機聯合使用時觀察凹谷的輪廓形狀。規程指出在不確定區時靜值的探測法，稍微呈圓弧形的凹谷意味著耳內是乾燥的，或鼓膜後面是負壓但沒有滲液；陡峭的凹穀穀底意味著中耳部分充填空氣，部分充填液體。
這些操作規程都以Jerome T.Combs的研究報告為基礎，該報告題目是「Predictive Value of the Angle of Acoustic Reflectometry」，發表在雜誌「The pediatric Infectious Disease Journal」(Vol.10，no.3，pp.214-216，March 1991)上。這篇文章說明在靜值不確定的場合，聲反射率曲線的靜值位置形成的「角度」與靜值結合在區分健康的耳組織與不健康的耳組織時是有效的，該聲反射率曲線是501型聲學耳鏡在記錄儀上顯示的曲線。角度測量用量角器或測角儀在列印結果上人工完成。報告沒有敘述任何在列印曲線上定義待測角度採用的選擇點或線的方法。
這篇文章介紹了對203位兒童的406隻耳朵進行聲反射測量獲得的研究結果，這203位兒童中有96個女孩，107個男孩，年齡在4至16歲之間，測量採用帶記錄儀的501型聲學耳鏡。其中，A型鼓膜的耳朵75隻、B型鼓膜的耳朵149隻、C型鼓膜的耳朵182隻。這項研究的目的是確定聲反射率曲線中凹谷形成的角度是否具有預測價值。儘管文章得出結論說「角度」顯然具有預測價值，但是，該研究有兩個問題，這兩個問題意味著有關預測價值的結論性結果缺乏統計意義。第一，被分析的客體數量不是任意選擇的。客體的實際數量從統計上說不足。更具有統計說服力的取樣應該要大得多。第二，凹谷形成的角度是利用量角器在聲反射率曲線上人工測量的。由於報告沒有明確地說明定義角度時設置點的確定性方法，所以角度測量結果可能有頗大的方差，這進一步削弱了結果的統計意義。
儘管聲反射儀是一種有用的診斷工具，但是在實現精確診斷中還有一些未解決的問題。第一，缺乏經驗的人更可能獲得不精確的結果，因為聲反射靜值的精確測量仍然需要從儀器一端至鼓膜成一條直線。第二，得了相同的耳病的幼兒與年齡大的兒童相比，前者的耳組織反射入射波要少一些。特別是六個月以下的幼兒，其鼓膜與耳道呈較小的角度。在明顯情況下，鼓膜的這個位置阻礙獲得直線。這兩個因素可能導致虛假的靜值測量結果，將不健康的耳組織劃在「健康」之列。
本發明概要本發明涉及測量各種耳組織的聲反射率的設備和方法。根據本發明的一個方面，為了顯示耳組織狀況，本發明採用電子學的方法測量聲反射率曲線的區段形狀，耳組織狀況的指示標記實質上與聲源和鼓膜之間的視線無關。這種指示標記基於測量鼓膜或其它待分析的耳組織的諧振特性或運動遊隙。一種測量結果是聲反射率相對頻率的變化速率。由於諧振通常使靜值在聲反射率曲線中出現，所以這種變化速率的測量圍繞靜值進行是特別有意義的。圍繞靜值測出的變化速率可以表示成靜值形狀的角度測量、梯度或斜率測量、寬度測量、或另一種形式測量結果。在一個實施方案中，用靜值的兩側最陡峭的斜線定義角度，文中稱為頻譜梯度。耳病的診斷(如耳壓不正常或中耳出現液體，或者傳導性聽力下降)可以只以這種測量為基礎。
因為對於給定的耳組織，聲反射率測量結果的變化速率比較穩定，而與聲源至鼓膜的視線質量無關，所以在這種測量中用戶培訓的作用與早期技術相比大大降低。因此，本發明提出的方法和裝置在許多種耳病診斷中都是有效的，尤其對幼兒的常見耳病如中耳炎進行普查時特別有效，甚至可以用未受過培訓的人員進行滲析和普查。
因此，本發明的一個方面是一種分析有鼓膜的耳朵的聲反射率的裝置。這種裝置測量各種耳組織對多種頻率的聲反射率，其方法是用該裝置將來自聲源的聲音傳送至鼓膜，並探測反射的聲音，其中測出的聲反射率曲線具有某種形狀。被測的聲反射區的形狀用電子學的方法測量，以顯示耳組織的狀況，該顯示結果基本上與從聲源至鼓膜的視線無關。
本發明的另一方面是一種分析有鼓膜的耳朵的聲反射率的裝置。該裝置包括聲反射率測量系統，它將多種頻率的聲音傳送到鼓膜並探測由耳組織反射的聲音，以提供有某種形狀的聲反射率曲線。信號形狀分析儀有接收聲反射率測量結果的輸入部分和提供耳組織狀況指示標記的輸出部分，其中，該指示標記實質上與從聲源至鼓膜的視線無關。
本發明的另一方面是一種分析有鼓膜的耳組織的聲反射率的處理程序。該程序涉及測量耳組織對多種頻率的聲反射率，其藉助於將聲音從聲源傳送到鼓膜並探測由耳組織反射的聲音完成測量，所測出的是有某種形狀的聲反射率曲線。測出的聲反射率曲線形狀用電子學方法測量，以獲取耳組織狀況的指示標記，其中，該指示標記實質上與從聲源至鼓膜的視線無關。
在本發明的一個實施方案中，該指示標記是聲反射率相對頻率的變化速率的測量結果。具體地說，在給定的頻率和振幅下，測出的聲反射率有一個靜值，該靜值體現鼓膜諧振。對靜值區附近變化率的測量是特別有用的指示標記。
利用本發明的一個方面或幾個方面結合，通過產生多個入射聲波測量聲反射率，其中，每一種入射聲波都具有不同的基本頻率。來自聲源的聲波與耳組織反射的聲波都被接收並且合成，以提供指示接收到的聲波總和的電信號。該電信號的包絡提供聲反射測量結果。可以通過確定對應於入射聲波頻率的來自於傳送系統的電信號的頻域分量測量到該包絡。這種頻域分量可以通過計算電信號的能量而予確定，該能量對應於表示該電信號的傅立葉級數的第一係數。
所測到的聲反射率曲線的區段形狀的測量也可以利用測量聲反射率的頻域分量的變化速率的方式實現。該頻域分量可以是代表該聲反射的傅立葉級數的第一係數。在通過測量對應入射波基本頻率的電信號中的能量確定測到的聲反射率時，為了獲得形狀的度量，可以計算這個測出的聲反射率的微分。在一個實施方案中，用靜值周圍最陡峭的斜線定義一個角度，該角度提供需要的形狀的度量。
測出的形狀可以單獨作為診斷的基礎。這個測量結果可以簡單地向用戶顯示或者與一個或多個門限值進行比較，該門限值定義具體診斷的範圍，比如中耳炎，中耳滲液，中耳有不正常的耳壓或傳導性聽力下降。
附圖的簡要說明

圖1是耳組織的截面圖，它說明正常耳組織的聲反射原理；圖2是在多種頻率上典型的入射波與反射波矢量和的示意圖；圖3是圖2所示矢量和的包絡；圖4是耳組織的截面圖，它說明有滲液的耳組織的聲反射原理；圖5A-圖5D是說明由有滲液的耳組織得到的矢量和的典型包絡；圖6是在本發明中採用的試驗探頭；圖7是一張方框圖，它說明本發明的系統；圖8A-圖8C是電路框圖，該電路用於產生控制圖7所示聲頻換能器的電信號；
圖9A-圖9C是該組電路用於實現圖7所示的包絡探測器的電路框圖；圖10A-圖10B表示矢量和以及對應的聲反射率包絡，這是依據本發明的裝置對有滲液的耳朵獲得的試驗結果；圖11是用於對非線性聲學系統中探測到的包絡規範化的電路方框圖；圖12是規範化的包絡信號的一個實例；圖13是用於測量聲反射率曲線靜值區形狀的一個實施方案的電路方框圖；圖14A-圖14B的圖形說明進行角度測量的方法；圖15是直方圖，表示以聲反射率曲線靜值附近測出的角度為基礎得到的耳朵個數與最終診斷；圖16是直方圖，表示在靜值的基礎上對耳組織作出的大概的診斷，該靜值利用聲反射率曲線在靜值附近測出的角度作了校正，並且對不同的鼓膜類型作了比較；圖17是一個散布圖，圖示了一些患者的在靜值附近相對於音頻測聽門限值(用分貝(dB)表示)測出的角度的坐標關係；圖18A-圖18C是用於將聲反射率曲線的測量結果輸出以供顯示的電路方框圖；圖19是一個表，對頻譜梯度和反射率作了比較，數據來源於大量的耳朵的聲反射率曲線；
圖20A和圖20B示出了根據本發明的診斷儀器的外形；以及圖20C和圖20D示出了根據本發明的普查儀器的外形。
通過下面詳細的敘述並結合附圖將更完整地理解本發明，其中，相同的代號表示相同的結構。本發明的詳細描述首先結合圖1至圖5D敘述測量耳組織聲反射率的方法。圖1表示典型的耳組織100，它具有鼓膜102、耳道104、和中耳103。為了測量聲反射率，由聲頻換能器106產生給定頻率的低波幅的音波105。聲頻換能器產生多種頻率的聲波，通常是從500赫茲到20千赫。低幅聲波進入耳道並抵達鼓膜102。該聲波被耳組織吸收一部分、反射一部分，耳組織包括鼓膜、小骨(Oscicles)、中耳裂隙和其他的中耳組織。由這些組織反射的聲波的幅度和相位是使用測試頻率和耳組織結構的複數聲阻抗的函數。對於健康的耳組織，來自鼓膜和中耳的反射最小。中耳的複數聲阻抗依次取決於中耳內的情況、特別是中耳內究竟有無滲出物(如液體)或不正常的耳壓。正常的鼓膜振動大約吸收入射波的一半，導致微弱的反射波，如107線所示。麥克風108接收入射波105、反射波107、以及來自其它耳組織的反射波，最終獲得這些值的矢量和。
圖2表示掃描幾個頻率的矢量和，沿橫坐標頻率降低。這張示意圖說明從測量仿真耳獲得的矢量和的時域原始數據數據。上升、急劇回落到靜值，然後再上升是耳內鼓膜的特徵諧振響應，在此例中，則是仿真耳的響應。然後確定這條曲線的包絡以便提供聲反射率測量結果。這條包絡可以用多種方式確定。對應圖2曲線的包絡示於圖3。圖3的曲線中，縱坐標表示包絡的數值，橫坐標表示入射波的波長。該圖類似於501型聲學耳鏡在記錄儀上的列印輸出。在包絡上觀察到靜值點111。在所示標尺上這個靜值的大小大約是2.0個單位。
現在參照圖4，該圖表示耳組織100有滲出物110。中耳的滲出物限制鼓膜振動，引起反射波增強，反射波幅度增大，如109所示。入射波105和反射波109的矢量和的包絡在四分之一波長處達到靜值，如圖5A所示。在圖5A中，反射率的最大值，即矢量和包絡的最小值，利用市售的501型聲學耳鏡作參照系統，大約是7.2個單位，如112所示。在這個實例中，最低值(即最高反射率)點是在來自麥克風的矢量和信號包絡的所有頻率上的最小值。在501型聲學耳鏡的標尺上，靜值點的反射率在大於5.0個單位時通常表明中耳有問題。
在本發明中，至少由曲線上的兩個點定義的聲反射率曲線的區段形狀，是用電子學的方法測量，以獲得耳組織的情況的指示標記，該指示標記實質上與聲源與鼓膜之間的視線無關。這個指示標記可以是靜值的任一側或兩側，或靜值周圍的聲反射率相對頻率變化的變化速率的度量值，也可以作為曲線其它區段或整條曲線的反射率變化速率的度量值。靜值周圍的區域是曲線具有較大的負斜率的區域，它定義進入靜值區的入口點恰好在靜值之前，並且在靜值之後，曲線具有較大的正斜率，它定義了靜值的出口。靜值通常發生在耳組織的諧振頻率附近。現在說明這種測量的重要性。
當入射到鼓膜的聲波接近四分之一波長時的頻率時，反射波的振幅與入射波的振幅疊加結果接近振幅的零點。一般地說，正常的耳鼓在中耳內沒有液體也沒有不正常的壓力，它顯示比較平緩的靜值。反之，耳內有液體或不正常的壓力引起較強的反射，因此有比較深的靜值。但是靜值的深度取決於視線。業已發現，對於中耳有液體或有不正常的壓力的耳組織，在靜值的入口和出口之間聲反射率的變化(速率)與健康的耳組織相比要急劇。進一步發現，由視線變化引起的這種變化速率的差別對於說明滲出物或不正常壓力並沒有什麼影響。
現在參照圖5B，這張圖說明帶記錄儀的501型聲學耳鏡對於有滲出物的耳組織的典型的檢測結果。測量由有經驗的使用者進行，他將視線直接指向鼓膜。但是，圖5C表示對同一耳組織、故意地降低視線的質量獲得的輸出。最後是圖5D，它表示對同一耳組織，由典型的沒有經驗的使用者操作所獲得的輸出。比較圖5B至圖5D可知，同一耳組織輸出的振幅，按501型的標尺從圖5C中的114點得到的是2.7，而圖5D中的115點對應的5.0，圖5B中的113點則為7.6(通常被認為是嚴重的中耳有滲出物)；反之，在靜值前後的變化率，即斜率(用作包絡形狀的指示值)基本保持不變。
隨入射聲波自由振動的鼓膜(即健康的鼓膜)不僅產生較淺的靜值，而且在靜值頻率附近的斜率較平緩，因此產生較小的頻譜梯度。相對於接近靜值的頻率，不受限制的運動產生較低反射率(值)，因此產生較低的表觀斜率。
當鼓膜運動受限制(即耳組織不健康)時，靜值周圍斜率增大。因為聲反射率與鼓膜的複數聲阻抗相關，因此測量它相對於頻率輸入的變化速率與測量電路的「Q」值相似。所以，限制鼓膜導致較高的聲阻抗和較敏銳的Q值。對於給定的阻抗，不管由於視線限制引起的輸入能量如何變化，Q值相對恆定。
現在介紹按照本發明的裝置。圖6是依據本發明製作的儀器的測試頭的剖面圖。測試頭12包括換能器21，它在聲腔23內建立聲場。聲腔23中的聲音通過探針25到耳道290附近。探針25有一個漏鬥形的部分251和任選的線性部分252。部分252的大小可以選擇，使之與典型的受試的健康耳道的大小相匹配。藉此使探針的頭部與典型的耳道的阻抗匹配。對於兒童，探針的線性段252的長度A最好接近1cm，內徑B應當介於0.25至0.75cm之間。類似地，當探針漏鬥形部分251側面長度C大約是5cm、與聲腔連接的探針大頭直徑D接近7cm時，能夠獲得好的結果。採用適當的補償，可以使用其它外徑的頭部。探針的延伸段不需要插入耳道。實際上，在測試頭探針頂端27與耳道290入口之間有狹窄的縫隙28。用裝配在探針頭部27上的海綿橡膠頭(未示出)可以很方便地控制這個縫隙。
在測試頭中，換能器21產生的入射聲波從測試頭探針25的頂端27發出，進入耳道290。然後，一部分入射波被耳組織反射。來自健康的耳組織的反射極微弱，可以通過適當的選擇探針頭部內徑(比如對於兒童將它增大到1.0cm)得到抑制。
部分反射波從頂端27進入測試頭的空心線性段252。麥克風24位於探針25內部，位於線性段252與漏鬥形部分251的銜接處。所以，麥克風24實際上測量這個點的淨聲壓；這個淨聲壓是入射信號和反射信號的矢量和。為了減少測試頭內部的反射和諧振，可以用吸音材料充填聲腔23。
現在已經敘述了聲反射儀的一般原理以及在聲反射儀中使用的測試頭，下面將結合圖7至圖12介紹適合本發明的電子電路。現在結合圖7介紹按照本發明製作的設備的簡要方框圖，包括設備的電路部分和機械部分。電路部分除了顯示器、聲換能器、和麥克風之外都可以採用微處理器，也可以用模擬電路。圖7中，音調發生器121包括聲音發生器120，它產生供給音頻換能器122(如圖6中的測試頭的換能器21)的電信號。音頻換能器對電信號作出響應，產生施於外耳道的低音量聲波(圖1和圖4中的105)。音頻換能器122可以是電子耳機、電磁耳機、或者其它類型的換能器。換能器也可以是小型揚聲器，如在高保真頭帶送受話器中使用的小型揚聲器。
如上所述，入射聲波被耳組織反射。由麥克風108(如圖6中的麥克風24)將這些反射波與入射波疊加。麥克風可以是電容式話筒、靜電式話筒或者其它類型的話筒。由麥克風輸出的信號代表入射波和反射聲波的矢量和，其電壓與反射波的振幅成反比，如圖2所示。
包絡探測器124將矢量和轉換成包絡信號，前者由麥克風的輸出信號表示，後者用隨入射波頻率變化的電壓表示。包絡探測器124可以是峰值包絡探測器、均方根(RMS)電壓探測器、或者模擬-數字轉換器，如適當的可編程微處理器。作為本發明的一個方面(下面將詳細介紹)利用關於矢量和的頻譜資料探測包絡。這樣探測出的包絡被稱之為聲反射率曲線。
為了獲得耳組織情況的指示標記，形狀分析器126用電子學方法測量聲反射率曲線的區段形狀，該形狀本質上與從聲源到鼓膜的視線無關。該信息可以是對包絡形狀的一種或多種測量，包括對聲反射率相對頻率變化的變化速率的測量，頻率變化指的是靜值周圍、靜值的任一側、或者一段曲線或整條曲線的頻率變化。例如，這種測量可以是角度、梯度、斜率、寬度、或者其確定方式下面將敘述的聲反射率曲線形狀的其它度量參數。然後以適當的方式通過顯示部分130將這個信息顯示出來。
在圖7中，可以增加存儲器(未表示)，以便存儲一條聲反射率曲線的處理結果。有這樣的存儲器，電路運行時能夠對耳組織自動地依次完成多次試驗，將這一系列試驗中的最好的結果保存下來，其餘的可以丟棄。例如，最好的結果可以定義為靜值最低的聲反射率曲線的形狀測量結果。以這種方式，設備用戶稍加努力就可以獲得最好的結果。
現在結合圖8A至圖8C較詳細地介紹聲音發生器120。聲音發生器120的輸出供給音頻換能器122，該輸出是一系列擴展到不同頻率範圍的正弦波。通常擴展範圍介於500赫茲至20千赫之間。頻率範圍在1千赫至15千赫之間，在1.8千赫至7千赫之間，在1.8千赫至4.4千赫之間都是可以接受的。對所有頻率掃描一次典型的周期是從20毫秒至大約10秒。但是這些圖僅僅是一些示範圖。一般地說，應當有頻率輸出，該頻率輸出覆蓋耳道「傳送線」上的一個或多個諧振點，該傳送線以中耳作為終點。這些諧振點按照四分之一波長的倍數有規律地出現。業已發現下述諧振點對於掃描分級特別有用，它們是1/4波長、1/2波長、3/4波長以及一個波長。在正常的成人耳組織中，這些波長對應的頻率近似於3.5千赫、7千赫、10.5千赫、和14千赫。
在圖8A中，利用斜率信號發生器140作為聲音發生器120(圖6)。斜率信號發生器產生斜率信號141，即單調信號，該信號驅動電壓控制振蕩器(VCO)142。斜率信號還被包絡探測器124和顯示器130利用，下面將有介紹。電壓控制振蕩器142對斜率信號作出響應，提供一展開的正弦波，其頻率展開的範圍由斜率信號定義。展開的正弦波供給音頻換能器122。
圖8B是一個實施方案中的聲音發生器120的方框圖，該實施方案利用帶連續掃描系統的模擬技術。展開的頻率源31在312線上提供擴展的頻率輸出。掃頻信號本身作為輸出在311線上出現，該信號用於控制包絡探測器124和顯示器130。通過將來自測試頭在322線上的信號反饋到衰減器32而使來自換能器的聲壓波長保持恆定。在這個實施方案中控制電壓的衰減器能夠連續地調整，使最大值為20分貝。衰減器的輸出供給功率放大器33，功率放大器馬區動換能器。
在圖8C的實施方案中，採用一系列的脈衝信號，每個脈衝的頻率各不相同。零部件代碼與結合圖8C進行討論時用的代碼一一對應，代碼的作用與圖8B的討論相似。但是，在圖8C所示的實施方案中，給測試頭的信號源於脈衝-掃描發生器51。這個脈衝掃描發生器提供一系列脈衝，其中，每個脈衝寬度近似為10毫秒，脈衝再現率近似為100赫茲。每個脈衝有不同的中心頻率，第一個脈衝頻率近似1.8千赫。每個後續脈衝的中心頻率都按比例地高於前一個脈衝，直至給定的脈衝序列中的最後一個脈衝的頻率到達近似4.4千赫。大約44個不同頻率的脈衝組成一個序列是適當的。用大約0.5秒長的由這些正弦波脈衝組成的脈衝串能夠進行完全的掃描測量。最好用微處理器以離散定時步進將每個正弦波頻率的若干個周期的脈衝串同步。該脈衝序列供給信號衰減器32，信號衰減器的輸出供給寬頻帶功率放大器331。來自脈衝掃描發生器的輸出信號313由顯示器130使用。
應當理解，這些聲音發生器120的實施方案都僅僅是示範方案。其他的實施方案也可能採用。例如，用於產生包絡的頻域法不需要在每個離散的頻率上依次產生進行單獨測量的探針頻率。在感興趣的頻率範圍內，以適當的能量分布獲取寬頻帶聲激勵並通過對頻域進行變換(如傅立葉變換或類似的其它變換)，也能導致良好的頻域測量結果。自噪聲信號發生器可以實現這種能譜分布。
現在結合圖9A至圖9C詳細介紹包絡探測器124。在圖9A所示實施方案中，包絡是利用均方根至直流(RMS-to-DC)轉換確定的。在圖9A中，麥克風的輸出在從測試頭34引出的341線上經前置放大器35被送到帶通濾波器36。帶通濾波器通常允許50赫茲至20千赫的信號通過。帶通濾波器36的輸出與RMS-to-DC轉換器371的輸入耦合，該轉換器的輸出是來自麥克風的各種入射聲波頻率矢量和信號總能量的度量值。在這個實施方案中，RMS-to-DC轉換器371受掃頻輸出信號311(比如來自圖8B的掃頻源)控制。
圖9B所示實施方案基於峰值檢測。在與圖9A相似的圖9B中，寬頻帶前置放大器35接受麥克風的輸出。前置放大器的輸出通過帶通濾波器36。帶通濾波器的輸出與峰值檢測器372的輸入耦合，該峰值檢測器針對每種入射聲波頻率提取峰值，由此產生包絡。這個峰值檢測器可以控制，例如受觸發輸出信號(比如來自圖8C的脈衝掃頻發生器)控制。在這個實施方案中有一個困難，即對於噪聲瞬變特別敏感。
圖9C所示實施方案使用矢量和的頻域信息確定包絡。這個實施方案基於頻譜分析原理，即聲音信號以及它的電模擬信號都可以用一系列不同頻率的正弦波(如傅立葉級數)表示。每個頻率都與一組係數聯繫，這組係數確定其總幅度。對傅立葉級數的所有的係數求和再現原始的波形。第一個係數對應基本頻率。純正弦波的高階係數是零。在這個實施方案中，聲反射儀產生的一系列聲波是一系列正弦波脈衝，每個脈衝包含若干個周期的正弦波，而且每個脈衝中的頻率不同。識別每個脈衝的基本頻率，那個頻率信號的第一個係數僅僅代表基本頻率。所有其它的頻率都可以忽略。
忽略所有的不同於基本頻率的頻率，收到的矢量和信號的能量可以被表示成基本頻率的傅立葉係數的平方和。這些係數是矢量和信號與基本頻率的正弦和餘弦的乘積。因此，能量由式(1)定義Ef＝[∑Vxsin(2πf)]2+[∑Vxcos(2πf)]2(1)其中，Ef是入射頻率為f的信號能量，Vx是在入射頻率處的矢量和電壓。求和符號表示針對矢量和信號的整數周期上的每個矢量和電壓取樣計算這個乘積。聲波的基本頻率的能量由圖9C中的能量測量部分37測量。能量值Ef的平方根給出信號分量的均方根值(RMS)，該信號只包含基本頻率。包絡由各種入射頻率的均方根值定義。
這個實施方案的一個優點在於針對基本頻率測量在數個周期上求矢量和的信號能量應當大大減少外部噪聲的影響，並且給出與頻率相關的有意義的定量數值。因此，響應一系列入射聲波在每個入射頻率處測出的能量給出了鼓膜諧振特性的包絡，而且該包絡基本無噪聲。如果來自哭鬧兒童的聲音和周圍房間的噪聲的頻率不在待測量的基本頻率上，那麼這些聲音都被排除在外。
考慮到獲取矢量和的聲學系統(包括麥克風、換能器、聲腔和探針頭)並不理想，在本發明中對包絡探測器124測出的包絡作規範化處理也頗有效果。規範化的基礎是假定如果將入射聲波傳送給開放空間，那麼應當沒有反射被測量到。因此，最終的矢量和曲線和它的包絡都應當是平直的。但是，由於聲學系統不理想，所以最終獲得的曲線一般並不平直。
例如，採用連續掃描的音調發生器的裝置將聲音傳送到開放的空間，該裝置獲得的實際矢量和如圖10C所示。在這張圖中，橫坐標表示遞增的時間或入射波頻率，坐標的單位是任選的。縱坐標表示由麥克風輸出的矢量和的幅值，坐標的單位是任選的。圖10D表示這個矢量和的包絡，它是採用結合圖9C說明的方法得到的。在這張圖中橫坐標表示遞增的時間或入射波頻率，坐標的單位是任選的。縱坐標表示包絡的幅度，單位是任選的。值得注意的是圖10D所示的包絡中的不規則性。
圖10A表示從仿真耳獲取的矢量和，該仿真耳是一個機械結構，它在聲學特性上與真實的耳組織相似。在這張圖中，橫坐標表示時間增加或入射波頻率，坐標的單位是任選的。縱坐標表示由麥克風輸出的矢量和的幅度，單位是任選的。圖10B說明圖10A所示矢量和的包絡，該包絡是採用結合圖9C說明的方法得到的。在這張圖中，橫坐標表示時間增加或入射波頻率，坐標的單位是任選的。縱坐標表示包絡的幅度，坐標單位是任選的。
在分析圖10B所示曲線的形狀之前，最好利用有關聲學系統不規則性的知識(如圖10D所示)將圖10B中所示的包絡規範化。因此，對於其數據已為聲學系統在開放空間時所存儲的每個頻率的數據(來自圖10D)而言，每個頻率的包絡的數值互逆，被用於換算對於給定的耳組織獲得的曲線中的相應頻率處的包絡的數值(來自圖10B)。
實現這種規範化的電路如圖11所示。包絡探測器124的輸出送入多路調製器(MUX)或其它的選擇器123，該調製器或選擇器受來自123A線的模式選擇信號控制。在被稱作規範化模式的第一操作模式中，讓裝置將聲音傳送到開放空間並且將包絡探測器的輸出經多路調製器123供給存儲器125，在那裡將數據保存起來。在被稱作測量模式的第二操作模式中，在完成對耳組織的測量後，包絡探測器的輸出經多路調製器123供給換算部分127。針對每個施於耳組織的入射波頻率，藉助存儲在存儲器125中的相同頻率的存儲數據的反數，對在該頻率處的包絡的數值進行換算，以提供規範化的包絡輸出。經過規範化的示範包絡示於圖12。在這張圖中，橫坐標表示遞增的頻率，坐標的單位是任選的。縱坐標表示包絡的幅度，單位是任選的。注意，圖12中的曲線實質上比圖10B中的包絡光滑。
進一步的數位訊號處理可以在規範化的包絡上完成，以降低曲線中的噪聲，或者降低曲線中感興趣的區段的噪聲。例如，可以在靜值前的負斜率區段完成低通濾波，比如採用三通濾波器(athree-tap filter)。在靜值之後的正斜率區段也可以經過濾波，比如採用五通低通濾波器(five-tap low pass filter)。如果獲取的靜值幅度不足，還可以捨棄完整曲線的信息。這些類型和其它類型數字濾波都可以採用。例如，為了用於角度測量中和繪製波形，聲反射率的包絡還可以分度。
現在較詳細地介紹適當的形狀分析器126。形狀分析器126採用電子學的方法測量聲反射率信號的區段形狀。可能有許多區段是感興趣的區段。主要感興趣的區段是靜值附近的區段。此外，在靜值區段入口處的負斜率區段可能也是重要的，而且包含著對診斷有用的信息。靜值之後的正斜率和諧振波形的峰-峰幅值可能也有用。形狀分析器126可以用電子學的方法確定被測波形的靜值的位置和幅度，這些工作由靜值探測器完成，該探測器探測波形並測量最低的電壓值。
有若干種測量聲反射率曲線的區段形狀的方法，包括測量梯度或斜率。定義凹谷區域形狀可以採用考核凹谷兩側的梯度或斜率的方法，或者採用測量凹谷定義的角度的方法，或者採用測量凹谷的寬度的方法。
首先討論聲反射率曲線上靜值附近區段的形狀的測量方法。這些方法與測量靜值兩側曲線斜率有關，比如，麥克風輸出的矢量和是用電壓度量的，那麼就要確定曲線段上每伏電壓對應的頻率，即頻率/電壓。
在本發明的一個實施方案中，靜值區形狀測量結果是聲反射率曲線中由靜值區形成的角度的測量結果，就如同在501型聲學耳鏡的記錄儀列印的曲線上測量角度一般。為了實現這個目的，聲反射率曲線需要換算，以與501型聲學耳鏡的標尺匹配。為了完成這個換算，橫坐標表示頻率f，每個頻率的實際位置L由下式確定
L＝(f-f0)*W/fr其中，f0是待顯示曲線範圍中的第一頻率，fr是曲線的頻率範圍，W是曲線圖寬度，比如84mm。每個對應的反射率數值R按照下式計算R＝A*H/A1800其中，A是幅值，H是曲線圖高度，如40mm。這些分度公式僅僅是針對501型聲學耳鏡的說明。其它的分度公式也可以使用。
象501型聲學耳鏡那樣給定適當的參考系之後，靜值區的角度測量或其它形狀測量以及聲反射率曲線的其它區段的形狀測量都可以計算。
第一種方法涉及頻率梯度/幅度參考系。首先確定靜值頂點的幅度值。其次測量靜值兩側位置的頻率，在這個位置上，幅值高於靜值一個已知的電壓增量。該電壓增量通常可以是包絡探測器124(圖7)可能實現的電壓輸出範圍的20％左右。一般地說，對於不健康的耳組織獲得的曲線，這個電壓增量應當在曲線上提供一個點，這個點位於靜值區入口之後且在非常接近靜值點曲線變平之前。例如，電壓增量可以與501型聲學耳鏡上的兩個反射率數值相對應。電壓增量也可以與靜值電壓成比例以保證規範化的效果。在這個電壓下的頻率可以藉助對音頻發生器120(圖7)或斜率信號發生器140(圖8A)的輸出採樣予以確定。兩個頻率的差值即為需要的結果。
第二種方法涉及頻率增量測量。更具體地說，是確定靜值頂點處的頻率。然後在高於頂點頻率一已知頻率增量處測量相對幅值。在低於峰值頻率一已知頻率增量處找出對應的相對幅值。一般地說，對於不健康的耳組織獲得的曲線，這個頻率增量應當在曲線上提供一個點，這個點位於靜值區入口之後且在非常接近靜值點曲線變平之前。頻率增量通常可以介於10赫茲至1000赫茲之間。相對幅值和對應的頻率的矢量和是需要的結果。
第三種方法被稱之為積分法測量(integration measurement)。採用這種方法，在確定靜值頂點的幅度之後，進行頻率掃描，從靜值一側的電壓增量的門限值掃到靜值另一例相同或類似的電壓值。電壓增量可以與第一種方法採用的電壓增量相同。在兩個門限值之間，電流積分器被激活。積分獲得的電壓作為相對數值使用。另一種替代方法，是可以在靜值兩側對音頻發生器120(圖7)的輸出或斜率信號發生器140(圖8A)的輸出進行採樣，差值也可以作為需要的結果使用。在圖13中，形狀分析器的探測器126由靜值幅度探測器144實現，它用於確定靜值電壓。靜值電壓輸送給電壓比較器146，該比較器還接受偏置電壓。靜值電壓與偏置電壓結合起作用，將控制信號反饋給斜率信號發生器140(經由146A線)，其用途將在後面敘述。類似地，控制信號輸送給積分器148，其理由也將在後面敘述。矢量和還可以從麥克風108傳送給積分器148。
現在介紹斜率信號發生器140、電壓比較器146、以及積分器148的工作情況和它們的合作情況。它們合作提供上述的積分方法。在檢測到靜值電壓之後，確定高於靜值電壓的偏置電壓。讓斜率信號發生器再工作一段時間，掃過該組頻率。當麥克風的輸出電壓與偏置電壓相符時，積分器148啟動並開始積分，此時電壓下降到靜值電壓，然後再上升到偏置電壓。在第二次升至偏置電壓之後，此時積分器的輸出信號提供一個與靜值的角度成正比的數值。這個值供給電壓比較器150，該比較器提供的輸出說明該角度究竟是小於還是大於一個或多個角度門限值。這些輸出供顯示(如發光二極體152和154)使用。
還有一種方法叫做斜率測量。在確定靜值角度頂點的頻率之後，可以用與曲線上另一個點的頻率差除以對應的電壓差來確定該角一個邊的斜率(反之亦然)。斜率差作為需要的結果使用。超越函數可以用於將這個數值變成角度。例如，已知頻率生成和靜值電壓標定值就允許測量角度斜率或梯度(參照圖14)。靜值處的幅度值(V0)和相應的頻率(f0)存儲在存儲器中。然後測量對應給定的偏置電壓的兩個頻率f1和f2。參照圖14，角度α1＝arctan[(f1-f0)/V0]，和α2＝arctan[(f2-f0)/V0]。靜值角α是α1與α2的和。當用於表示聲反射率曲線的分度與501型聲學耳鏡所用的分度相同時，這樣測出的角度與在501型聲學耳鏡上出現的角度相對應。
還有另一種測量靜值區形狀的方法，該方法涉及頻域分析，諸如傅立葉變換或其他的變換，在此稱之為頻譜梯度測量。傅立葉變換是一種按頻域分析電信號的數學方法，它相對於更常用的時域分析法。當矢量和的包絡以傅立葉級數表示(如前面結合圖9C所述)時，計算變換後的信號差值導致該信號中的頻率梯度的直接測量。將靜值兩側最大的負梯度和正梯度對應的角度加起來得到靜值角的直接測量。為了說明，假定點A和點B是梯度最大的兩個點，梯度分別用a和b表示(如圖14B所示)。定義靜值區形狀的角度α是角度α1和α2的和。在這個實施方案中，α1＝π/2-arctan(a)，α2＝π/2-arctan(b)(與圖14A對比)。
另一種測量形狀的方法是包絡的子波分析(a waveletanalysis)。採用子波分析能夠從包絡中提取多個特徵。如此獲得的特徵是包絡有特色的特徵，因為它們能夠用於定義包絡。然後，將這些特徵用作診斷的基礎。這樣的特徵還允許利用中性網絡法(neural network)和/或其它的圖形識別方法對各種類型的包絡分類。圖形識別方法也可以用於從包絡上提取特徵。
給出聲反射率曲線的形狀測量獲得的信息，儀器就有可能以診斷的形式輸出這些信息。例如，普查模塊430可以用於將輸入的形狀測量結果與門限值432進行比較(如圖18A所示)。比較的結果能夠告知用戶「健康」或「不健康」。另一種則是使用形狀信息(如待加權的角度)校正獲得的反射率和靜值。這種校正考慮到視線差異造成的誤差。校正模塊434接收靜值和形狀信息(如角度)然後計算待輸出的校正結果。圖18C將普查模塊430和校正模塊434結合起來。
現在詳細地介紹校正模塊434。這個模塊能夠以許多不同的方式實現，並且能夠以許多不同的方法進行校正。利用測出的角度校正聲反射率的適當的校正函數(ACR)的典型公式如下ACR＝AR*N/(M+Angle)其中，AR是靜值處的聲反射率；N是選定的因子(常數)；M是選定的常數；而Angle是測出的靜值角。在N和M分別為200和118時，這個公式在82°角處建立一個中點發射值為0.5的門限值，下面將詳細敘述。這個函數中的參數選擇可以通過實驗選定，以使給定門限值的靈敏度最大且最有專用性。
為了實現該加權函數，當角度和反射值是輸入時，採用微處理器利用上述公式計算校正值。但是，完成上述校正和進行端點校正將導致不必要的複雜性。進行這樣的實時計算需要複雜的微處理器，這將大大增加儀器成本和電路需要的功率。成本低的替代方案是利用只讀存儲器查表，它的輸入地址是兩個可變的數值，梯度和反射率，校正值存儲在只讀存儲器的與輸入地址相對應的位置。給定輸入地址，相應的加權值就提供給輸出，用於顯示或列印。
本發明是很適合供非醫務人員使用的普查儀器。這種普查儀器使用至少一個用於形狀測量的門限值以提供簡單的輸出，如「健康」、「繼續觀察」、或「送交」醫生。這是通過實驗確定的，如圖1 5所示，形狀測量得出的角度表示，或者說門限值或適當的分界點(在這個點以上耳組織是健康的)，大約是95度，角度測量採用上述的頻譜梯度法。圖15是一張直方圖，它表示具有給定的頻譜梯度測量結果的患者的數目(總數498人)，並且按照診斷分組，即按患者最後確診是患有中耳炎還是健康的進行分組。有斜線的直方條(如160)表示患者數，這些患者都具有該給定的頻譜梯度測量結果並被診斷患有中耳炎。有垂直線條的直方條(如161)也表示患者數，這些患者具有該給定的頻譜梯度測量結果並被確定耳組織是健康的。分界點是通過定義診斷門限值建立起來的。適當的門限值是95度和75度，高於95度時，判斷患者是健康的概率很高；低於75度時，判斷患者患有中耳炎的概率很高(大約是90％)。在75至90度之間表示患者應當繼續觀察，中耳炎有可能發展。其他的低於75度的門限值(比如65度和55度)也可以使用，以提高診斷概率。這些門限值是通過實驗選定的，所以靈敏度和專用性都最佳。
圖16是一張以聲反射率測量結果為基礎的直方圖，它是對1393個患者的耳組織進行測量的結果，並利用實測的頻譜梯度進行了校正，而且依據鼓膜類型進行分類。校正利用上述公式進行。在這張圖中，曲線133對應A型鼓膜(647個患者)，曲線131對應C型鼓膜(462個患者)，曲線132對應B型鼓膜(257個患者)。這張圖表示聲反射率數值大於5便能夠清楚地區分正常的耳組織和不健康的耳組織。這個數值作為門限值，可獲得的靈敏度為0.94，專一性為0.97。連續地採用兩個或多個門限值是有利的。非醫務人員使用的儀器也可以利用這些信息作為診斷基礎。
選擇參照圖17，說明傳導性聽力下降與靜值區定義的角度相關性。圖17是一張散布圖，它以聲反射率測量的靜值區定義的角度和音頻聽力計門限值測量結果為基礎，對68個患者進行測量。在這張圖中表明，聽力計門限值為25dB或高於這個值的患者的靜值角測量結果都低於90度。對於這個數據組，靈敏度達到1.0。因此，適合非醫務人員使用的檢查傳導性聽力下降的儀器也能製作。
現在參照圖19介紹在擺脫視線影響方面所作的改進，為了診斷目的採用上述的跨越靜值的頻譜梯度測量。在收集圖19數據的試驗中，對每隻耳朵至少測量4次。計算出靜值和頻譜梯度的平均值，然後最大值和最小值參照該平均值以獲得平均值以上、平均值以下和散布的值。散布值是最小值和最大值與平均值的差值的和。確定每隻耳朵散布值的變化，它表示從靜值到頻譜梯度測量結果在分散程度方面的改進。
重要的發現在於當反射率的散布值增大(列號500)時，頻譜梯度測量結果的散布情況卻逐步得到改善(列號502)。這種改進是由反射率的散布值與頻譜梯度的散布值的比值的平均值定義的。即，比值(列號502)是靜值的散布百分比除以頻譜梯度的散布百分比。對於聲反射率散布值為50％或更高的耳朵而言，頻譜梯度的測量結果改進了散布情況，平均提高45.9個百分點；對於聲反射率散布值為30％或更高的耳組織，頻譜梯度的散布情況得到改進，平均提高25.4個百分點。因此，對於聲反射率散布值為30％或更高者，平均改進接近3比1。
現在結合圖20a至圖20d敘述儀器的實施方案，為了向用戶提供診斷輸出，這些儀器都分析聲反射率，以便獲取形狀測量(包括頻譜梯度測量)的結果。應當理解，這些實施方案僅僅是一些範例而不是對本發明的約束。可能有其他的結構，並且這些結構將取決於具體的需要診斷的病症，如中耳炎、滲出物、聽力下降、耳壓不正常或其他的症狀，還與用戶，如醫生、經過培訓的人員、或者沒受過培訓的人員有關。
圖20a至圖20b說明依據本發明的儀器的一種實施方案。這個實施方案的目的是作為診斷產品供醫院或臨床使用，由經過培訓的專業人員(如醫生和其他的醫務工作者)用於耳病診斷。這個裝置最好是電池供電，並且採用低功率的電路和功率轉換技術以使功率消耗最低。例如，電路只是在需要時才被使用，不用時系統自動進入待機模式。
在這個實施方案中，儀器有手柄400和可更換的端頭402，該端頭與患者接觸。手柄的形狀要較嚴格地模仿耳鏡手柄。觸按式測量按鈕403通過振蕩器啟動掃頻以獲取測量結果。
這個儀器的輸出類似於市售的501型聲學耳鏡，但是增加了曲線形狀測量。它可以顯示靜值的數值，或校正後的靜值。所以，這種手持儀器在它的低功率LCD圖形顯示屏418上顯示其輸出412，包括顯示聲反射率曲線414和數字結果416，採用相對的單位並與文獻中報導的數字對應。與501型聲學耳鏡輸出相比，在儀器上有完整的聲反射率曲線圖形顯示，不再需要顯示耳道長度的數值。
提供附加的存儲器(未示出)存儲以後需要檢索的數據也是符合需要的。提供足夠的存儲器，可以在手持儀器的存儲器中存儲多組測量數據供以後繪製曲線。可以提供控制數據存取的按鈕。例如，可以提供左耳按鈕420和右耳按鈕422。這兩個按鈕可以用於將靜值寄存到指定的存儲位置，該位置存儲最後的峰值數據供以後列印。在列印記錄上可以區分被測試的耳朵是左耳還是右耳。
作為附加特徵，還可以提供兩種或多種可更換的端頭和規範化數據，以便選擇受試的年齡組。例如，同時按壓左右耳按鈕可以在兒童(C)和嬰兒(I)端頭標定結果之間切換。當嬰兒端頭調整耳道長度並修正聲阻抗時，切換到嬰兒運行，選擇較高的掃頻範圍和內部電路的增益。適合兩種類型端頭的規範化數據被存儲在永久性存儲器中，每次更換端頭不需要重新規範化。儀器的標定狀態也可以顯示，例如在圖形顯示器上和在繪出的曲線上顯示相應的字樣「C」或「I」。
圖20c和圖20d說明依據本發明的儀器的另一種實施方案。當兒童應當接受診斷和處理時，這種儀器能夠用於確定兒童何時應當接受診斷和治療，並且可以確定治療的效果。依據本發明的這種普查儀器旨在成為低成本的、適合普查的儀器，並由非專業人員使用。普查儀器的主要用途是對六個月以上的兒童進行普查，檢查慢性中耳炎(MEE)或不正常的耳壓。這種裝置最好是低功率的、可以獨立應用的、並且由電池供電的儀器，採用可更換的電池和可充電電池。它採用低功率的電路和功率轉換技術以使功率消耗最低。例如，電路只是在需要時才被使用，不用時系統自動進入待機模式。
在較佳的實施方案中，儀器有手柄400和可更換的端頭402，該端頭與患者接觸。手柄的形狀要較嚴格地模仿耳鏡手柄。觸按式測量按鈕403通過振蕩器啟動掃頻以獲取測量結果。
為了普查目的，這種儀器的輸出可以是雙色顯示。輸出404為彩色燈光顯示綠色的發光二極體406表示正常，紅色的發光二極體410表示聽力下降或其它病症。有三種或多種燈光的篩分裝置是符合需要的。例如，這種裝置可以有各種燈光顯示紅色表示要看醫生；琥珀色或黃色，意味著要重新測試或要繼續觀察；綠色表示聽力正常。在這種裝置中，將採用兩個門限值，通常，一個在70至90度之間(如75度)，另一個在80至100度之間(如95度)。有其它病症存在也可以用這類顯示指出。校正的靜值也被使用並且與門限值進行比較，以便提供類似的顯示。
應當理解，圖20a至圖20d所示的儀器都是示範實例。按照本發明能夠製作其他的儀器並提供給特殊的用戶，或者提供待採用的或改進的診斷功能。
雖然本文已經介紹了幾種實施本發明的方案，但熟悉本技術領域的技工應當清楚前面的內容僅僅是說明性的，本發明並不僅限於已經提出的示範例。許多改進方案和其他的實施方案都只在技巧上略有變化但並未超出權利要求書規定的發明範圍。
權利要求
1.一種用於分析有鼓膜的耳朵的聲反射率的裝置，其特徵在於包括測量耳組織對多個頻率的聲反射率的裝置，它將聲音從聲源送至鼓膜並探測反射的聲音，其中，被測量的聲反射率曲線有某種形狀；以及用電子學方法測量聲反射率曲線的形狀以顯示耳組織的狀況的裝置，該顯示結果基本與從聲源到鼓膜的視線無關。
2.根據權利要求1的一種裝置，其中所述的測量裝置包括用於測量聲反射率相對頻率的變化速率的裝置。
3.根據權利要求2的一種裝置，其中所述的被測量的聲反射率在給定的頻率和幅值處有一體現鼓膜諧振特性的靜值，並且該測量裝置用於測量靜值周圍的變化速率。
4.根據權利要求1的一種裝置，其中所述的測量聲反射率的裝置還包括一種產生多種入射聲波的裝置，其中，每種入射聲波的基本頻率各不相同；一種換能器，該換能器用於接收來自聲源的聲波和耳組織反射的來自聲源的聲波並且將這兩種聲波合併，其中，該換能器產生指示標記被接收聲波之和的電信號；以及一種探測包絡的裝置，該裝置檢測自換能器的電信號包絡，以提供被測量的聲反射率。
5.根據權利要求4的一種裝置，其中所述的探測包絡的裝置包括確定來自換能器的電信號的頻域分量的裝置，所述頻率分量與入射聲波頻率相對應。
6.根據權利要求5的一種裝置，其中所述的確定頻域分量的裝置包括計算電信號的能量的裝置，該能量與描述該電信號的傅立葉級數的第一係數相對應。
7.根據權利要求4的一種裝置，其中所述的用於測量聲反射率曲線形狀的裝置包括測量來自換能器的電信號的頻域分量的變化速率的裝置。
8.根據權利要求7的一種裝置，其中所述的頻域分量是定義來自換能器的電信號的傅立葉級數的第一係數。
9.根據權利要求1的一種裝置，其中所述的測量聲反射率曲線某一區段的形狀的裝置包括被測聲反射率的頻域分量的變化速率的裝置。
10.根據權利要求9的一種裝置，其中所述的頻域分量是定義被測聲反射率的傅立葉級數的第一係數。
11.一種用於分析有鼓膜的耳組織的聲反射率的處理，其特徵在於包括下述步驟測量耳組織對多種頻率的聲反射率，其方法是將聲音從聲源傳送到鼓膜並探測反射的聲音，其中，被測量的聲反射率曲線有某種形狀；以及採用電子學方法測量聲反射率曲線形狀，以便顯示耳組織的狀況，這種顯示基本上與從聲源到鼓膜的視線無關。
12.根據權利要求11的一種處理，其中所述的測量步驟包括測量聲反射率相對頻率的變化速率。
13.根據權利要求12的一種處理，其中所述的被測量的聲反射率在給定的頻率和幅值下有一體現鼓膜諧振特性的靜值，並且所述測量步驟包括測量靜值周圍的變化速率。
14.根據權利要求11的一種處理，其中所述的測量聲反射率的步驟還包括下述步驟產生多種入射聲波，其中，每種入射聲波的基本頻率各不相同；用換能器接收來自聲源的聲波和耳組織反射的來自聲源的聲波並且將這兩種聲波合併，其中，該換能器產生一體現被接收聲波之和的特徵的電信號；以及探測來自換能器的電信號的包絡，以提供被測量的聲反射率曲線。
15.根據權利要求14的一種處理，其中所述的探測包絡的步驟包括確定來自換能器的電信號與入射聲波頻率對應的頻域分量。
16.根據權利要求15的一種處理，其中所述的確定頻域分量的步驟包括計算電信號的能量的步驟，該能量與描述電信號的傅立葉級數第一係數相對應。
17.根據權利要求14的一種處理，其中所述的測量聲反射率曲線區段形狀的步驟包括測量來自換能器的電信號的頻域分量的變化速率的步驟。
18.根據權利要求17的一種處理，其中所述的頻域分量是定義來自換能器的電信號的傅立葉級數的第一係數。
19.根據權利要求11的一種處理程序，其中所述的測量聲反射率曲線區段形狀的步驟包括測量聲反射率頻域分量的變化速率的步驟。
20.根據權利要求19的一種處理程序，其中所述的頻域分量是定義聲反射率的傅立葉級數的第一係數。
21.一種用於分析有鼓膜的耳朵的聲反射率的裝置，其特徵在於包括一個聲反射率測量系統，該系統將多種頻率的聲音送至鼓膜並探測由耳組織反射的聲音，以便提供具有某種形狀的被測聲反射率曲線；以及一個信號形狀分析器，該分析器的輸入端接收被測量的聲反射率曲線，輸出端提供耳組織狀況的指示標記，其中，所述指示標記本質上與從聲源到鼓膜的視線無關。
22.根據權利要求21的一種裝置，其中所述的信號形狀分析器包括用於測量聲反射率相對頻率的變化速率的裝置。
23.根據權利要求22的一種裝置，其中所述的被測量的聲反射率在給定的頻率和幅值下有一體現鼓膜諧振特性的靜值，而且其中的測量裝置測量靜值周圍的變化速率。
24.根據權利要求21的一種裝置，其中所述的聲反射率測量系統還包括一個聲源，該聲源產生多種入射聲波，其中，每種入射聲波的基本頻率各不相同；一個換能器，該換能器的位置和結構適合接收來自聲源的聲波和耳組織的反射聲波並且將這兩種聲波合成，而且該換能器產生體現被接收聲波之和的電信號；以及一個包絡探測器，該探測器接收來自換能器的電信號並提供被測量的聲反射率輸出。
25.根據權利要求24的一種裝置，其中所述的包絡探測器包括用於確定來自換能器的電信號的頻域分量的裝置，該頻域分量與入射聲波頻率相對應。
26.根據權利要求25的一種裝置，其中所述的確定頻域分量的裝置包括計算電信號的能量的裝置，該能量與描述電信號的傅立葉級數第一係數相對應。
27.根據權利要求24的一種裝置，其中所述的信號形狀分析器包括測量來自換能器的電信號的頻域分量變化速率的裝置。
28.根據權利要求27的一種裝置，其中所述的頻域分量是定義來自換能器的電信號的傅立葉級數的第一係數。
29.根據權利要求21的一種裝置，其中所述的形狀分析器包括測量聲反射率的頻域分量變化速率的裝置。
30.根據權利要求29的一種裝置，其中所述的頻域分量是定義聲反射率的傅立葉級數的第一係數。
31.一種獲取有鼓膜的耳朵的狀況信息的裝置包括一個聲源，用於產生包含多種頻率分量的聲波，並將該聲波向鼓膜發送；一個換能器，用於接收兩種聲波，一種來自聲源、另一種來自耳組織，並且用於產生電信號，該電信號表現出兩種聲波之和的特徵；以及一個包絡探測器，用於接收來自換能器的電信號並提供輸出，該輸出表現耳組織的聲反射率；該裝置的特徵在於包括一個信號形狀分析器，用於接收包絡探測器的輸出信號並測量該輸出信號的形狀，以提供耳組織狀況的顯示，其中，形狀分析器的輸出本質上與從聲源到鼓膜的視線無關。
32.一種由聲反射率信息獲取關於有鼓膜的耳組織狀況信息的處理包括下述步驟用一個聲源產生多種聲波，其中每種聲波的基本頻率各不相同；接收來自聲源和來自耳組織(反射時耳組織作為第二聲源)的兩種聲波並將它們合併，以產生表現它們的和的電信號；探測該電信號的包絡，該包絡體現耳組織的聲反射率特性，該處理的特徵在於用電子學的方法測量聲反射率信號的區段形狀以獲取體現耳組織狀況的信息，並且該信息本質上與從聲源至鼓膜的視線無關。
33.一種測量有鼓膜耳組織的聲反射率裝置包括一個聲源，用於產生包含多個頻率分量的聲波，並將該聲波向鼓膜發送；一個換能器，用於接收兩種聲波，一種來自聲源、另一種來自耳組織，並且用於產生電信號，該電信號表現出兩種聲波之和的特徵；該儀器的特徵在於包括一個包絡探測器，它用於接收來自換能器的電信號並至少選擇一個與入射波頻率對應的電信號頻域分量作為代表耳組織聲反射率特徵的電信號包絡的指示標記。
全文摘要
一種分析耳組織聲反射率的裝置或方法,該裝置(或方法)涉及將聲波引入耳道,聲波頻率覆蓋引起耳組織(如鼓膜)諧振的頻率範圍。測量時裝置不壓迫耳道,裝置與耳組織之間不需要氣密。因此,在使用該裝置檢查時患者基本上沒有不適。該裝置探測入射聲波和反射聲波並將它們結合起來,以便產生所謂的聲反射率曲線。採用電子學的方法測量聲反射率曲線的區域以顯示耳組織狀況,該顯示實際上與聲源至鼓膜的視線無關。這種顯示以測量被分析的鼓膜和其它耳組織的諧振特性或自由移動為基礎。一種測量結果是聲反射率相對於頻率的變化速率。由於諧振通常使靜值出現在聲反射率曲線上,所以,如果在靜值周圍測量,這種變化速率的測量結果是特別有益的。靜值周圍變化速率的測量結果可以表示為靜值區形狀的角度測量結果、梯度或斜率測量結果、寬度測量結果、或者其它形式的測量結果。在一個實施方案中,靜值兩側的最大斜率被用於定義一個角度,文中稱該斜率為頻譜梯度。耳病的診斷(如不正常的耳壓或中耳內有液體或傳導性聽力下降)可以單獨以這種測量為基礎。因為對於給定的耳組織聲反射率的變化速率的測量結果相對穩定,且與至鼓膜的視線質量無關,所以在這種測量中要求培訓使用者的作用(如果有)大大減小。因此,本發明提出的方法和裝置在許多類型的耳病診斷中是有效的,在幼兒常見病(如中耳炎)的普查方面特別有效,甚至可以由未受培訓的人員進行。
文檔編號G01H15/00GK1169774SQ9619163
公開日1998年1月7日 申請日期1996年1月26日 優先權日1995年1月26日
發明者傑羅姆·T·科姆斯, 休·W·伯希 申請人:Mdi儀器公司