由Chirp刺激聲誘發(fā)的聽性腦干反應 — Chirp刺激聲的設計及其效能測試

聞雨婷 摘譯 黃文達 審校

奧迪康國際貿易(上海)有限公司(上海 201203)

1 Chirp刺激聲的設計

通過測量單個聽神經纖維或一組聽神經纖維的神經活動，可以獲得相應的神經反應，因此可將耳蝸看作是一個節(jié)段性延時器(tapped delay line)；然而，由于寬頻聲誘發(fā)的聽覺復合動作電位(ACAP)或ABR是由聽神經纖維的整體活動形成的，又可將耳蝸看作是一個雙端系統(tǒng)(two-port system)。Fobel和Dau(2004)通過Von Bèkèsy等(1960)的觀察方法或通過測量單個神經纖維或神經纖維組的反應獲得基底膜上各位置的反應潛伏期，所得到的潛伏期用于描述耳蝸雙端系統(tǒng)，并以此為基礎設計了Chirp刺激聲。用這種方法得出的行波延遲可用于描述耳蝸雙端系統(tǒng)(線性)的組延遲(Dau等, 2007; Wegner和Dau, 2002; Elberling等, 2007)。然而，無論耳蝸中產生神經反應的實際位置如何，這一方法將耳蝸的每個頻率段(derived-band)對應一個神經反應模式，每個刺激聲的頻率成分都在所對應的頻率分段范圍之內。因此，各個頻率段(derived-band)的潛伏期可用于定義耳蝸雙端系統(tǒng)的組延遲，這里涉及到的頻率段是指刺激聲頻率，而非耳蝸的頻率分段。這種組延遲描述了不同的頻率組成分(如寬頻Click)及其產生的神經反應是如何從耳蝸雙端系統(tǒng)的輸入端到輸出端發(fā)生延遲的。組延遲的結果可用于設計Chirp聲以補償各個頻率段(derived-band)的延遲。

本研究中也采用了這一方法，以Elberling等(2007)描述的頻域方法生成Chirp。Chirp和Click兩種刺激聲的時間特性不同。因此，在比較兩個刺激聲的效能時需要保證兩個聲音的幅度頻譜一致，僅在相位頻譜方面存在差異。Click和Chirp的聲音波形和幅度頻譜如圖1所示。

圖1上圖為Click和Chirp的時間波形刺激聲經帶寬限制處理，頻率范圍為200～10 000 Hz。Chirp的幅度經2倍放大。兩個刺激聲在時間軸上對齊，因此二者在10 000 Hz的相位延遲都為0。下圖為兩個刺激聲的幅度頻譜(二者的頻譜一致)

2 測試Chirp刺激聲的效能并與Click比較

2.1對象 受試組由10名正常聽力受試者組成。其中男性5名，女性5名，年齡24～42歲。所采用的正常聽力標準為：500～4 000 Hz純音聽閾不超過10 dB HL，6 000～8 000 Hz的純音聽閾不超過15 dB HL。全部受試者的兩側耳分別接受測試。

2.2刺激聲 兩個測試聲分別為100 μs的疏波Click和相應的Chirp聲(200～10 000 Hz)。通過ER-2插入式耳機發(fā)放刺激聲。刺激率為27次/秒(刺激聲間隔37 ms)，刺激聲強度為60和50 dB nHL。

2.3ABR記錄 通過丹麥國際聽力(Interacoustics)的Eclipse EP25 ABR系統(tǒng)進行測試記錄。測試過程中受試者躺在電磁屏蔽室內的躺椅上。ABR的記錄電極放置在前額正中發(fā)際下方(Fz)，同側參考電極(M1或M2)放置于乳突部，接地電極放置在前額下部(Fpz)。EEG經100～3 000 Hz濾波，濾波斜率為12 dB/倍頻程。在ABR的記錄中應用了噪聲預估技術(Elberling和Don, 1984)和計權平均技術(Elberling和Wahlgreen, 1985; Don和Elberling, 1994)。這些技術減小了受試者自身的生物電噪聲波動對ABR疊加的影響。在曲線疊加過程中，當預估殘余背景噪聲達到40 nV (rms)及以下時停止數(shù)據(jù)采集。所有測試曲線在經過3 150次疊加后的平均殘余背景噪聲達到34.6 nV。

2.4V波參數(shù) 識別并自動測量測試曲線V波的峰-谷幅度和峰潛伏期。將所有潛伏期值減去0.86 ms，以補償聲音在ER-2耳機導聲管內的延遲。在其中一個受試者的6次測試記錄中，V波后面的波谷都被高強度的耳后肌(PAM)電位掩蓋，因此無法進行自動幅度測量。對此病例，由兩名獨立的觀察人員分別辨認波谷位置。采用Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗(Siegel, 1956)分析各測試情況下的V波參數(shù)值。結果表明，所有數(shù)據(jù)的均值和標準差分布都未顯著偏離高斯分布。因此可假定本研究中的全部數(shù)據(jù)呈近似正態(tài)分布，這一結果也驗證了使用正常值的有效性。然而，由于不同測試情況下樣本的方差不同，本研究在統(tǒng)計分析中應用了非參數(shù)檢驗：Wilcoxon配對秩和檢驗用于分析配對數(shù)據(jù)， Mann-Whitney U成組秩和檢驗用于分析非配對數(shù)據(jù)(Siegel, 1956)。

2.5結果 表1列出了全部四組測試結果(10個受試者)的峰-谷幅度的均值和標準差。在60和50 dB nHL刺激強度時，Click和Chirp的結果有顯著性差異：Chirp誘發(fā)的V波幅度顯著高于Click(P<0.001, Wilcoxon配對秩和檢驗)，Chirp誘發(fā)的V波潛伏期顯著短于Click(P<0.001, Wilcoxon配對秩和檢驗)。而Chirp V波幅度的相對標準差與對應的Click幾乎相同，Chirp V波潛伏期的標準差顯著大于對應的Click[P<0.001 (60 dB nHL) 和P<0.05 (50 dB nHL)，F(xiàn)檢驗]。

表1 60和50 dB nHL的Click和Chirp ABR誘發(fā)的波V峰-谷幅度和峰潛伏期(n=20耳)

圖2 60 dB nHL(左圖，平均值=1.54)和50 dB nHL(右圖，平均值=1.78)的Chirp和Click ABR V波幅度比的累計分布情況(N=20耳) 圖中顯示了各幅度比的分布，以及相應平均值和標準差(見表1)的連續(xù)高斯分布。為進行比較，圖中以虛線顯示Don等(2009)得出的60 dB nHL時模型Stacked ABR和Click ABR幅度比的連續(xù)高斯分布

本研究計算了60和50 dB nHL時Chirp V波與Click V波的幅度比，并在表1中列出了比值的均值和標準差。60 dB nHL和50 dB nHL的幅度比均值分別為1.54和 1.78。圖2顯示了這兩個幅度比的累積分布和推算的高斯分布情況。

圖3 60 dB nHL和50 dB nHL的Click ABR(左圖)和Chirp ABR(右圖)的總平均波形(N=20耳) 為進行比較，以虛線顯示相應的總平均Click ABR和模型Stacked ABR(來源于Don等(2005)對60 dB nHL的原始記錄)：左圖為Click ABR，右圖為模型Stacked ABR。二者的波形已經過文中所描述的縮放和時移處理

為研究ABR的波形形態(tài)，本研究以下述方法得到總平均ABR：首先，對每個記錄進行時移，讓V波的潛伏期與實際記錄的平均潛伏期(表1所示的每個刺激類型和強度的平均潛伏期)一致。然后，對每組20個時移后的記錄進行平均運算。圖3顯示了4個經總平均后的波形。為進行比較，本研究還通過上述方法對Don等(2005)在60 dB nHL記錄的Click ABR和 Stacked ABR進行了總平均運算，并在圖3中顯示總平均曲線。因此后二者的峰潛伏期與本研究中的一致。另外，本研究對總平均Click ABR和Stacked ABR(Don等, 2005)進行了縮放處理(縮放因子0.88)，以使總平均Click ABR的峰-谷幅度和本研究中的總平均Click ABR一致(R2=0.90)。由于經時相和幅度調整的總平均Click ABR(Don等, 2005)的波形與本研究中的波形相似，可將60 dB nHL的Click ABR作為參照物來比較Chirp ABR和Stacked ABR。經比較發(fā)現(xiàn)60 dB nHL時Stacked ABR的波形略大于Chirp ABR(R2=0.80)，而在50 dB nHL時兩個波形更為相近(R2=0.85)。

3 討論

與其他學者(Dau等, 2000; Fobel和Dau, 2004; Elberling等, 2007)的研究結果一致，我們發(fā)現(xiàn)Chirp ABR的幅度高于相應的Click ABR幅度。60 dB nHL的Chirp/Click幅度比值低于50 dB nHL(分別為1.54和1.78,P<0.01, Wilcoxon配對秩和檢驗)。因為當刺激聲的強度由60降到50 dB nHL時，Click ABR的幅度下降，而Chirp ABR的幅度升高。這一發(fā)現(xiàn)與Fobel和Dau(2004)的研究結果一致，可從他們的結果(應用M-Chirp)中計算出兩個刺激強度的幅度比：分別為1.42(60 dB SL)和2.05(50 dB SL )。

應該注意到，雖然Chirp ABR的潛伏期較短，但其標準差卻明顯大于Click ABR。然而對這些數(shù)據(jù)的分析表明，對于Chirp ABR的潛伏期，60 dB nHL和50 dB nHL兩組測試結果之間存在高度相關性(R=0.95)；而對于Click ABR，這一相關性則較弱(R=0.80)。相關性越高，差異反而越大，其原因在于受試者間存在個體差異。該結果提示，至少對于本研究中所采用的兩個刺激強度，Chirp ABR更能突出每個測試的個體化特征。

Elberling等在2007年的研究中介紹了“輸入補償”和“輸出補償”的概念：輸入補償發(fā)生在聲音輸入耳蝸的階段，是通過Chirp刺激聲補償耳蝸的行波延遲；輸出補償發(fā)生在耳蝸輸出神經信號的階段，是采用Stacked ABR的方法補償耳蝸的行波延遲。在Don等(2009)的研究中，通過39名正常聽力受試者的測試結果，對60 dB nHL的Click ABR和對應的Stacked ABR進行評估，并設計了三種不同的Stacked ABR。其中一種稱為模型Stacked ABR，其設計目的是模擬Chirp刺激聲的效果。Chirp刺激聲對行波延遲的補償與基于相同的平均潛伏期 - 頻率模型的Stacked ABR相似。在一組39名正常聽力受試者中，模型Stacked ABR幅度與對應的Click ABR幅度的平均比值為2.27(sd=0.50, Don等, 2009)。圖2顯示了二者的累計高斯分布，以便與本研究中的結果進行比較。

在60 dB nHL的刺激強度時，Chirp與Click的幅度比顯著小于對應的模型Stacked與Click的幅度比(P<0.001, Mann-Whitney成組秩和檢驗)。這說明以Click ABR為參照，模型Stacked ABR的幅度增加超過了Chirp ABR的幅度增加。兩種補償方法的結果與Click ABR的幅度比值都超過了1.0。然而，Chirp/Click幅度比的分布比模型Stacked/Click幅度比的分布更陡，這一結果與前者較小的標準差一致(二者分別為0.32和0.50，表1)(P<0.02, F檢驗)，但二者的相對標準差幾乎相同(分別為0.21和0.22)。

在50 dB nHL的刺激強度時，模型Stacked與Click的幅度比(在60 dB nHL時記錄)大于對應的Chirp/Click幅度比，而二者的分布曲線陡峭程度幾乎相同，這與觀察到的標準差0.47和0.50一致(表1)，二者的相對標準差僅有輕微差異(分別為0.26和0.22)。

在圖3中，通過調整時相后進行總平均的方法進行波形評估。對Don等(2005)記錄的全部曲線進行縮放處理，以便讓60 dB nHL時的兩個總平均Click ABR顯示為相同的峰-谷幅度。通過將Click ABR作為這兩組記錄的參照物，可對模型Stacked ABR和Chirp ABR的波形進行比較。60 dB nHL時Chirp ABR的波形與模型Stacked ABR的波形部分相似，不過前者的幅度較小。然而在50 dB nHL時，二者的波形更為接近且幅度幾乎相同。

因此，在相同的測試條件下，50 dB nHL時輸入補償(Chirp ABR)和輸出補償(推算的模型Stacked ABR)增加ABR幅度的效果相當。

關于本研究中觀察到Chirp在50 dB nHL時比60 dB nHL更有效，可能與Chirp中各頻率成分對神經的刺激擴散有關。當?shù)蛷姸却碳r，每個頻率成分僅刺激耳蝸中對應的限定區(qū)域；但在高強度刺激時會發(fā)生刺激區(qū)域擴散——尤其是向耳蝸底回方向擴散(刺激上行擴散)。Chirp刺激聲中的各頻率成分都經過了特殊的時間延遲處理，其目的是補償不同頻率成分到達對應的耳蝸特征頻率位置前發(fā)生的延遲。如果高強度時的各頻率成分都刺激了耳蝸內更寬的區(qū)域，那么由于每個位置現(xiàn)在都可以被更寬范圍的頻率成分刺激，這些頻率成分同時到達耳蝸的不同部位，就會產生去同步化的效果。如果這一解釋正確，就可能存在一個刺激強度上限——至少對于正常聽力受試者如此，刺激強度高于此上限時Chirp的效能可能不再高于Click刺激聲。

4 總結和結論

Chirp ABR的反應幅度高于Click ABR的幅度，50 dB nHL時Chirp ABR的幅度可達到Click ABR的2倍，60 dB nHL的Chirp ABR幅度增加程度小于50 dB nHL。由Chirp ABR的潛伏期數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，Chirp比相應的Click更強調個體化特征。

[摘譯自：Elberling C,et al. Auditory brainstem responses to a chirp stimulus designed from derived-band latencies in normal-hearing subjects.J Acoust Soc Am,2008,124:3 022～3 037.]