豚鼠鼓膜臍部振動(dòng)的初步觀察△

張秀玲 佘萬東 張淑儀 水修基戴艷紅喬振花

1 東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院(南京 210009)； 2 南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科； 3 南京大學(xué)聲學(xué)研究所

鼓膜的主要功能是將外界傳來的聲壓通過鼓膜振動(dòng)轉(zhuǎn)換成聽骨鏈的運(yùn)動(dòng)。由于聽骨鏈很難經(jīng)外耳道直接觀察，所以臍部成為經(jīng)外耳道檢測聽骨鏈運(yùn)動(dòng)的最佳位點(diǎn)。Goode等[1]提出：鼓膜的功能越好，臍部的位移越大，反之亦然；鼓膜的性能越好，其聽閾也越好。因此，如果能對個(gè)體鼓膜的功能進(jìn)行定量分析，則有利于更好地理解鼓膜的傳音功能。目前已有多種方法測量鼓膜的微小振動(dòng)，如激光干涉技術(shù)[2]、激光多普勒振動(dòng)儀檢測系統(tǒng)[3]、激光全息攝影干涉技術(shù)[4]等。激光多普勒振動(dòng)儀檢測系統(tǒng)是利用激光多普勒振動(dòng)儀(laser doppler vibrometer，LDV)研究中耳的傳音功能，是一種非接觸式的、安全、迅速、可重復(fù)的檢測系統(tǒng)，國外已廣泛應(yīng)用于動(dòng)物[3]、新鮮顳骨標(biāo)本[5]及人[6]的中耳功能方面的研究。本實(shí)驗(yàn)旨在通過LDV檢測系統(tǒng)觀察正常豚鼠鼓膜臍部的振動(dòng)速度，分析臍部振動(dòng)速度的頻率響應(yīng)，初步探討豚鼠鼓膜的傳音功能。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及分組 選健康雜色雄性豚鼠10只(18耳)，體重200～400 g，耳廓反射靈敏，鼓膜完整、標(biāo)志清楚。2%戊巴比妥鈉(40 mg/kg)腹腔注射麻醉動(dòng)物后，快速斷頭取雙側(cè)聽泡，用電鉆磨除骨性外耳道，盡量暴露鼓膜。其中2只豚鼠(2耳)用于驗(yàn)證LDV系統(tǒng)檢測鼓膜臍部振動(dòng)速度的穩(wěn)定性，其余8只豚鼠(16耳)用于觀察鼓膜臍部的振動(dòng)速度。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在聽泡取出后6小時(shí)內(nèi)完成，實(shí)驗(yàn)過程中鼓膜和中耳結(jié)構(gòu)定時(shí)用生理鹽水濕潤防止干燥可能造成誤差。

1.2 LDV檢測系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)在南京大學(xué)聲學(xué)研究所完成。LDV檢測系統(tǒng)由兩部分組成：聲刺激系統(tǒng)和LDV系統(tǒng)(圖1)。聲刺激系統(tǒng)：揚(yáng)聲器(YDG60-18, 南京電聲股份有限公司)給刺激聲，由貼近鼓膜的一個(gè)麥克風(fēng)探頭(駐極體話筒 瑞聲聲學(xué)科技有限公司)探測之，麥克風(fēng)探頭與示波器(TDS2010, 美國)連接。信號發(fā)生器(33220A, Agilent, 美國)和功率放大器(EX-1480, 南京電聲股份有限公司)產(chǎn)生從0.5～8 kHz共14個(gè)頻率的正弦信號。在每個(gè)頻率用聲級計(jì)(DT-805, 深圳華盛昌機(jī)械實(shí)業(yè)有限公司)將聲壓級(SPL)校準(zhǔn)到90 dB SPL。LDV系統(tǒng)包括自動(dòng)聚焦光學(xué)頭(OFV-505, Polytec, 德國)、控制系統(tǒng)(OFV-5000, Polytec, 德國)及相關(guān)軟件(Vibsoft 4.2, Polytec, 德國)。LDV的原理是利用氦氖激光束瞄準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)中的物體，同時(shí)接收物體表面的反射光束，利用多普勒原理分析運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度、振幅和時(shí)相。氦氖激光束直接垂直照射到鼓膜臍部，反射信號由振動(dòng)儀控制器檢測和解碼，換算成輸出壓，以速度、振幅和時(shí)相顯示在顯示屏上。運(yùn)動(dòng)物體在中耳內(nèi)所有頻率的位移其靈敏度和精確度可以測量到1 nm，由于LDV不直接接觸被測目標(biāo)，所以在測量中耳振動(dòng)時(shí)無機(jī)械負(fù)荷和聲的干擾。

圖1 LDV檢測系統(tǒng)模式圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法 將聽泡用醫(yī)用膨脹海綿包裹并固定于本實(shí)驗(yàn)室自制的四維升降臺(tái)上，定時(shí)給予生理鹽水濕潤，將麥克風(fēng)和聲級計(jì)探頭緊貼聽泡兩側(cè)放置，揚(yáng)聲器固定于鼓膜前方5 cm處。給予刺激聲為聲強(qiáng)90 dB SPL、頻率分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、7、8 kHz的純音，每個(gè)頻率的聲音刺激持續(xù)1 min。用LDV測量鼓膜臍部的振動(dòng)速度，將激光束幾近垂直對準(zhǔn)臍部(圖2)，參數(shù)設(shè)定為采樣時(shí)間1.28 s，每次顯示的數(shù)值為五個(gè)采樣值的平均數(shù)，連續(xù)記錄六個(gè)數(shù)據(jù)，再取平均數(shù)，即為該點(diǎn)某一頻率固定聲壓級的振動(dòng)速度。用于驗(yàn)證LDV系統(tǒng)檢測鼓膜臍部振動(dòng)速度的穩(wěn)定性的2只豚鼠(2耳)，在90 min內(nèi)對其所有頻率上的臍部振動(dòng)速度重復(fù)測量5次，其余8只豚鼠(16耳)的臍部振動(dòng)速度在所有頻率上只測量1次。

圖2 豚鼠鼓膜

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 使用SPSS16.0統(tǒng)計(jì)軟件對左右耳鼓膜臍部振動(dòng)速度進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，并采用配對t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2 結(jié)果

2.1 豚鼠鼓膜臍部振動(dòng)測量的穩(wěn)定性 90 dB SPL聲刺激下，在不同時(shí)刻分別對2只豚鼠(2耳)鼓膜臍部振動(dòng)速度重復(fù)測量(圖3)。豚鼠1在不同時(shí)刻重復(fù)測得的臍部振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線峰值均出現(xiàn)在4 kHz處，且79 min內(nèi)頻率響應(yīng)曲線形狀基本接近，3 kHz以下頻率范圍內(nèi)振動(dòng)速度大小基本一致，3 kHz以上頻率范圍內(nèi)其變化范圍為+5～-2 dB(圖3a)；2 kHz時(shí)豚鼠1臍部振動(dòng)速度在79 min內(nèi)很穩(wěn)定，大小基本不變，5 kHz時(shí)在20～60 min內(nèi)較穩(wěn)定，8 kHz時(shí)在60 min處出現(xiàn)一個(gè)峰值(圖3b)。豚鼠2在不同時(shí)刻重復(fù)測得的臍部振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線峰值均出現(xiàn)在3.5～5.5 kHz之間，且83 min內(nèi)頻率響應(yīng)曲線形狀基本接近，變化范圍為+2～-2 dB(圖3c)。2 kHz和5 kHz時(shí)豚鼠2臍部振動(dòng)速度在83 min內(nèi)大小基本不變，8 kHz時(shí)在20～60 min內(nèi)較穩(wěn)定(圖3d)。

2.2 鼓膜臍部的振動(dòng)速度 90 dB SPL聲刺激下8只豚鼠(16耳)臍部振動(dòng)速度檢測結(jié)果顯示(圖4)，頻率響應(yīng)曲線個(gè)體間差異最大為27 dB，頻率響應(yīng)曲線總體上表現(xiàn)出兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值在2 kHz處，第二個(gè)峰值在4.5 kHz處，由于本實(shí)驗(yàn)的給聲頻率范圍≤8 kHz，所以尚不能判斷7 kHz以后的峰值情況。

圖3 不同時(shí)刻重復(fù)測得的臍部振動(dòng)速度豚鼠1、2不同時(shí)刻重復(fù)測得的臍部振動(dòng)速度曲線(a、c)，豚鼠1、2不同頻率臍部振動(dòng)速度隨時(shí)間變化曲線(b、d)

圖4 90 dB聲刺激下16耳臍部振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線

2.3 左右耳鼓膜臍部振動(dòng)速度比較 90 dB SPL聲刺激下對8只豚鼠左右耳臍部振動(dòng)速度進(jìn)行檢測，其中4只豚鼠(編號3、4、5、6)左右耳鼓膜臍部振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線比較(圖5)，變化范圍在+5～-12 dB；第一個(gè)峰值左右耳均同步出現(xiàn)在2 kHz，第二個(gè)峰值左右耳也同步出現(xiàn)，但不同豚鼠間峰值有差異。另外4只豚鼠(編號7、8、9、10)左右耳鼓膜臍部振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線比較(圖6)，變化范圍在+3～-5 dB之間；豚鼠7、9的第一個(gè)峰值左右耳同步出現(xiàn)在2 kHz處，豚鼠第二個(gè)峰值豚鼠7左右耳同步出現(xiàn)在4.5 kHz處，豚鼠9左右耳第二個(gè)峰值未同步出現(xiàn)。豚鼠8、10左右耳鼓膜臍部振動(dòng)速度在4 kHz以下頻率范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯峰值，4 kHz以上頻率范圍內(nèi)左右耳未同步出現(xiàn)峰值。不同頻率聲刺激下8只豚鼠左右耳鼓膜臍部振動(dòng)速度的正態(tài)性檢驗(yàn)P值均>0.05，數(shù)據(jù)符合正態(tài)性分布；8只豚鼠左右耳臍部振動(dòng)速度的配對t檢驗(yàn)結(jié)果顯示：除4.5 kHz處(P=0.034)外，其余所有頻率的P值均>0.05，提示豚鼠臍部振動(dòng)速度左右耳的差異基本無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖5 鼓膜臍部振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線 豚鼠 3 (a)，豚鼠4 (b)，豚鼠5 (c)，豚鼠6 (d)

圖6 鼓膜臍部振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線 豚鼠 7 (a)，豚鼠8 (b)，豚鼠9 (c)，豚鼠10 (d)

3 討論

自從1960年Békésy用電容式聲探子研究鼓膜振動(dòng)以來，人們便開始對鼓膜振動(dòng)在中耳傳音功能中的作用有了初步認(rèn)識(shí)[7]。20世紀(jì)70年代，Khanna和Tonndorf等[8,9]利用全息攝影技術(shù)分別觀察并研究了貓和人尸體的鼓膜振動(dòng)與位移圖形；90年代，LDV的商業(yè)化讓鼓膜、聽小骨的振動(dòng)和傳音功能研究受到廣泛重視。Goode[6]應(yīng)用LDV觀察了正常人及新鮮顳骨標(biāo)本鼓膜振動(dòng)的位移情況，結(jié)果顯示0.14～1 kHz頻率范圍內(nèi)鼓膜臍部振動(dòng)位移曲線較平坦，在1～7 kHz頻率范圍內(nèi)每個(gè)倍頻程逐漸下降8.25 dB，而在8～14 kHz頻率范圍內(nèi)每個(gè)倍頻程下降增加到12.5 dB；1 kHz處80 dB SPL聲刺激時(shí)臍部平均位移為0.045 μm，并且新鮮顳骨標(biāo)本與活體的測量結(jié)果相似。有學(xué)者[10]研究了豚鼠中耳的力學(xué)表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在65 dB SPL刺激聲刺激下，鼓膜不同位點(diǎn)對0.1～3.0 kHz的頻率刺激有不同的反應(yīng)。在低頻區(qū)，錘骨和砧骨圍繞錘骨頭和砧骨短腳軸旋轉(zhuǎn)；在中頻區(qū)，整個(gè)聽骨鏈呈現(xiàn)活塞樣運(yùn)動(dòng)；而在高頻區(qū)，錘骨和砧骨圍繞聽骨的縱軸旋轉(zhuǎn)。Akache等[11]應(yīng)用LDV研究大鼠鼓膜和錘骨的振動(dòng)情況，結(jié)果顯示鼓膜和錘骨上不同點(diǎn)的頻率響應(yīng)曲線形狀相似，提示1～10 kHz范圍內(nèi)大鼠鼓膜的振動(dòng)形式單一。從本研究不同時(shí)刻重復(fù)測得的豚鼠鼓膜臍部振動(dòng)速度的結(jié)果可以看出，本實(shí)驗(yàn)所構(gòu)建的LDV檢測系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，頻率響應(yīng)曲線間差異在10 dB以內(nèi)，尤其是在低頻(3 kHz以下)范圍內(nèi)，差異小于1 dB。Bigelow等[12]報(bào)道大鼠鼓膜臍部振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線在1～40 kHz范圍內(nèi)有三個(gè)峰值，分別位于2.5、5.5和15 kHz處；Akache等[11]研究大鼠鼓膜和錘骨的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示大鼠鼓膜臍部振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線在1～10 kHz范圍內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別在1.5～2.5 kHz和5～7.5 kHz范圍內(nèi)；本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)豚鼠鼓膜臍部振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線在0.5～8 kHz范圍內(nèi)有兩個(gè)峰值，分別在2和4.5 kHz處，這些峰值很可能代表了中耳各個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)之間的相互影響[12]。哈佛大學(xué)的Whittemore[13]應(yīng)用LDV檢測正常人耳鼓膜臍部的振動(dòng)速度，并將左右耳臍部振動(dòng)情況進(jìn)行相關(guān)分析得出在0.3、0.5、0.7、1、1.5、2、3、4、6 kHz頻率處，人左右耳臍部振動(dòng)速度僅在0.3、4、6 kHz處不相關(guān)，而左右耳傳音功能的相位角則在1.5、3、4、6 kHz處不相關(guān)；而德國學(xué)者Arechvo等[14]應(yīng)用LDV研究正常人鼓膜振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在0.5～3.7 kHz范圍內(nèi)36個(gè)頻率上正常人鼓膜臍部的振動(dòng)幅值和相位角左右耳比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；本實(shí)驗(yàn)結(jié)果還提示豚鼠臍部振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線左右耳相比較變異性較小，差異在+5～-12 dB范圍內(nèi)，其頻率響應(yīng)峰值基本具有一致性。這可能是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)的檢測對象是離體狀態(tài)下豚鼠的鼓膜，而上述研究均是檢測正常人的鼓膜，另外，人存在不同耳側(cè)的使用度，也可能是造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果雙耳不盡相同的原因。

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