40 Hz暫態(tài)聽覺誘發(fā)電位中潛伏期成分的引出分析

朱 程 王 濤 黃江華 詹長安 譚小丹

(南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣州 510515)

引言

聽覺誘發(fā)電位(auditory evoked potential，AEP)，是在反復(fù)的聲音刺激作用下在頭皮上記錄到的一系列電位變化，反映了刺激引發(fā)的從耳蝸輸出神經(jīng)到大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)多個(gè)層次上聽覺系統(tǒng)的生物電活動(dòng)情況，其電位最小成分(如聽覺腦干反應(yīng)，auditory brainstem response，ABR)的幅度僅為幾分之一微伏。受內(nèi)外界各種因素的影響，AEP記錄的波形差異較大。在臨床應(yīng)用中，一些重要成分的判讀需要專業(yè)人員完成。AEP中相關(guān)成分的引出除了和受試者本身的生理、病理狀態(tài)有關(guān)外，還和刺激參數(shù)密切相關(guān)，包括刺激聲的強(qiáng)度、頻率成分、形態(tài)和刺激頻率。以AEP的中潛伏期反應(yīng)(middle latency response，MLR)為例，其典型波形如圖1所示，主要成分出現(xiàn)在ABR以后的10～80 ms之間，包括Na、Pa、Nb、Pb等幾個(gè)主要波形成分。這些成分的引出和參數(shù)(如潛伏期)受刺激率的影響，如Erwin等早期對(duì)正常成年人進(jìn)行了 0.5、1、5、8、10 Hz的刺激率實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只有在0.5和1 Hz的刺激率下Pb波才可以被明確引出［1］。此后，Dietrich等進(jìn)行了1.1、4.1、7.1 Hz的短音(click)刺激實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明隨著刺激率的升高，Pb波的幅值越來越?。?］。這些實(shí)驗(yàn)表明，Pb波對(duì)刺激率比較敏感。

圖1 一個(gè)典型聽覺誘發(fā)中潛伏期波形和主要成分Fig.1 A typical MLR waveform and the named peaks(components)

常規(guī)的聽覺誘發(fā)電位的記錄方式是使聲音刺激的起始時(shí)間間隔(stimulus onset asynchrony，SOA)大于聽神經(jīng)反應(yīng)的時(shí)間，再把記錄到的多次反應(yīng)進(jìn)行疊加平均，以增加信噪比。例如，MLR的潛伏期約為80 ms，為了防止前后兩個(gè)反應(yīng)波形的疊加，在常規(guī)記錄時(shí)，MLR的刺激率最高只能達(dá)到12.5 Hz，無法進(jìn)一步研究更高刺激率下AEP的特性。在高刺激率(high stimulus rate，HSR)方式下，刺激序列和暫態(tài)AEP之間的卷積效應(yīng)可使相鄰AEP重疊，從而導(dǎo)致暫態(tài)AEP波形無法分辨，這稱為聽覺穩(wěn)態(tài)反應(yīng)(auditory steady state response，ASSR)，其中40 Hz左右刺激率引發(fā)的 ASSR稱為40 Hz ASSR［3］。40 Hz ASSR自從1981年首次報(bào)道以來［4］，就成為一個(gè)既得到廣泛應(yīng)用又被研究人員長期關(guān)注的領(lǐng)域［5－7］。研究表明，如果刺激序列的安排符合一定的約束條件，可以利用去卷積技術(shù)恢復(fù)暫態(tài)AEP［8－9］。2007 年 ?zdamar等首次利用去卷積技術(shù)，發(fā)現(xiàn)暫態(tài)AEP中的Pb波成分在40 Hz刺激率下能夠得到強(qiáng)化［10］。

目前，對(duì)去卷積技術(shù)的研究取得了一些進(jìn)展［11－12］，然而經(jīng)去卷積計(jì)算得到的是一種暫態(tài)AEP的估計(jì)，本質(zhì)上是一個(gè)逆問題的求解過程，刺激序列的時(shí)域和頻域性質(zhì)對(duì)計(jì)算性能有重要影響，可能會(huì)產(chǎn)生誤差和失真;在實(shí)際應(yīng)用中，去卷積波形的完整性和穩(wěn)定性還需要大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和定量分析。和常規(guī)AEP相比，了解和認(rèn)識(shí)HSR－AEP的主要特性，對(duì)于研究其產(chǎn)生機(jī)理、促進(jìn)其在基礎(chǔ)和臨床領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要作用。為此，本研究采用兩種不同的去卷積技術(shù)，在平均刺激率為40 Hz的條件下，計(jì)算了11個(gè)正常人的HSR－MLR;并以常規(guī)的5 Hz刺激率的MLR為參照，分析了MLR中主要成分時(shí)域參數(shù)的引出率和一致性。

1 高刺激率AEP的去卷積技術(shù)

聽覺誘發(fā)電位是在聲音刺激作用下聽覺系統(tǒng)的反應(yīng)，將每次聲音刺激所誘發(fā)的反應(yīng)記為x(t)，刺激序列記為h(t)。在高刺激率的情況下，前一個(gè)刺激引起的反應(yīng)還未結(jié)束，下一個(gè)刺激已經(jīng)開始，此時(shí)記錄到的數(shù)據(jù)為前后反應(yīng)疊加的結(jié)果，記為y(t)。這一疊加過程可以用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，有

式中，?表示循環(huán)卷積運(yùn)算。

對(duì)式(1)進(jìn)行去卷積運(yùn)算，即可得到高刺激率下單個(gè)刺激誘發(fā)的暫態(tài)AEP，即式(1)中的x(t)。在高刺激率下，恢復(fù)暫態(tài)AEP波形的去卷積技術(shù)主要有最大長序列技術(shù)(maximum length sequences，MLS)［13］、連續(xù)循環(huán)平均去卷積技術(shù)(continuous loop averaging deconvolution，CLAD)［8］和多刺激率穩(wěn)態(tài)平均 去 卷 積 技 術(shù) (multi－rate steady－state averaging deconvolution，MSAD)［14］。MLS 技術(shù)的瞬時(shí)刺激率波動(dòng)很大，引起聽覺系統(tǒng)適應(yīng)性反應(yīng)的差別，不適合研究刺激率效應(yīng)?，F(xiàn)主要介紹CLAD和MSAD方法。

CLAD方法是利用頻域的逆濾波技術(shù)來實(shí)現(xiàn)去卷積的，將式(1)進(jìn)行傅里葉變換，有

式中，F(xiàn)FT－1表示傅里葉逆變換。

CLAD采用刺激序列內(nèi)SOA抖動(dòng)的方式，即由若干個(gè)刺激事件構(gòu)成一個(gè)刺激序列組h(t)，其SOA的取值為滿足一定條件的隨機(jī)數(shù)。將該序列組確定的刺激聲循環(huán)播放，對(duì)記錄的腦電數(shù)據(jù)相對(duì)該刺激序列組疊加平均，得到該序列組的誘發(fā)電位反應(yīng)。由于其SOA的抖動(dòng)率較小，其波形類似于單一刺激率的穩(wěn)態(tài)反應(yīng)。對(duì)該反應(yīng)做去卷積計(jì)算，可以估算出單個(gè)刺激的暫態(tài)AEP波形。這種方式的特點(diǎn)是刺激率存在瞬時(shí)波動(dòng)。

MSAD方法是在Gutschalk等采用的方法［15］基礎(chǔ)上結(jié)合逆變換過程中的正則化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。MSAD技術(shù)采用刺激序列間SOA抖動(dòng)的方式，每個(gè)組塊(block)記錄一種相同SOA的穩(wěn)態(tài)反應(yīng)，不同組塊間穩(wěn)態(tài)反應(yīng)的刺激率有所差別。假設(shè)有n組刺激序列組塊，則會(huì)出現(xiàn)n個(gè)式(1)，有

改寫為矩陣的形式，有

式中，y= ［y1，y2，…，yn］是由記錄到的n 個(gè)穩(wěn)態(tài)反應(yīng)拼接而成;HT=［h1T，h2T，…，hnT］是總的變換矩陣;x(t)可以通過(5)式的矩陣求逆運(yùn)算得到。

由于矩陣H是一個(gè)稀疏的二值矩陣，一般是病態(tài)的，需要采用正則化技術(shù)求其最佳近似解。

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與儀器

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為11名在讀碩士研究生，6男5女，年齡20～25歲，平均年齡23.91歲，均為右利手，無聽覺系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)疾病及精神障礙病史，純音測聽500～4000 Hz，平均聽閾聽力級(jí)≤20 dB。測試在聲電屏蔽室進(jìn)行，數(shù)據(jù)記錄采用NeuroScan的SynAmps2系統(tǒng)。測試前告知受試者閉目、平臥、放松，盡可能保持不動(dòng)，忽視刺激聲。測試時(shí)，先用磨砂膏去除局部角質(zhì)層，并用75%的酒精去污，以導(dǎo)電膏耦合盤狀電極。記錄電極接于前額正中發(fā)際處，參考電極接于右耳乳突，眉心電極接地，電極阻抗≤5 kΩ。采用同側(cè)記錄方式，插入式耳機(jī)固定于右耳外耳道口，刺激聲采用脈寬為0.1 ms的click聲，聲音強(qiáng)度為80 dB SPL。采樣率為20 kHz，濾波范圍為10～1000 Hz。每組實(shí)驗(yàn)給聲1550次，前50個(gè)反應(yīng)不予記錄，以使受試者適應(yīng)刺激聲。

2.2 刺激序列

本研究對(duì)11名受試者進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn)，分別為CLAD去卷積實(shí)驗(yàn)、MSAD去卷積實(shí)驗(yàn)以及常規(guī)方式實(shí)驗(yàn)。3組實(shí)驗(yàn)隨機(jī)進(jìn)行，每做完一組實(shí)驗(yàn)后休息2 min，再進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

CLAD序列選用 ?zdamar等2007年做的一系列高刺激率實(shí)驗(yàn)中所用的39.1 Hz(下面用40 Hz表示［3］)刺激序列，每個(gè)刺激序列時(shí)長 204.8 ms，包含8個(gè)刺激，前后兩個(gè)刺激之間的時(shí)間間隔分別為{27.20，36.80，36.80，20.80，32.00，19.20，16.00}ms［10］。

MSAD刺激序列是在CLAD序列的最小刺激時(shí)間間隔(16.00 ms)和最大刺激時(shí)間間隔(36.80 ms)之間等步長地得到一組8個(gè)不同刺激率的刺激序列，每個(gè)刺激序列的刺激時(shí)間間隔分別為{16.00，18.95，21.95，24.90，27.85，30.85，33.80，36.80}ms。

常規(guī)方式的刺激時(shí)間間隔與CLAD序列時(shí)間間隔一致，為204.8 ms，即刺激率為4.88 Hz(下面用5 Hz表示)。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

統(tǒng)計(jì)方法:采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，數(shù)據(jù)以表示;運(yùn)用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)方法，驗(yàn)證3組實(shí)驗(yàn)之間的差異是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

分析方法:以波形中各主波成分引出率的高低，衡量3種方法的有效性;以各個(gè)主波潛伏期及峰峰值的變異系數(shù)((標(biāo)準(zhǔn)差s/均值ˉx)×100%)為標(biāo)準(zhǔn)，衡量各波形成分在不同實(shí)驗(yàn)方式下的穩(wěn)定性;以各受試者波形與該方法下的總平均波形之間的相關(guān)系數(shù)，衡量3種方法的整體穩(wěn)定性。

3 結(jié)果

在3種實(shí)驗(yàn)方法下，11例受試者記錄到的波形如圖2所示。(a)為5 Hz常規(guī)方法下的波形圖，(b)為40 Hz下CLAD方法在去卷積后的波形圖，(c)為40 Hz下MSAD方法在去卷積后的波形圖，每列波形的最上方為該實(shí)驗(yàn)方式下的總平均波形。從圖2中可以看出:在全部采集約1500次進(jìn)行平均的情況下，MSAD方法得到的波形最為清楚，噪聲成分最小，各波形成分清楚易辨，CLAD方法次之，常規(guī)方法記錄的波形最差。

3.1 3種實(shí)驗(yàn)方式的差異性

在3種實(shí)驗(yàn)方式下，各波形成分的潛伏期如表1所示。Na和Pa波在5 Hz下的潛伏期略小于兩種高刺激率下的潛伏期，但Nb波和Pb波的潛伏期略大于兩種高刺激率方法的潛伏期，其中Nb波的潛伏期在這3種實(shí)驗(yàn)方式下均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖2 3種方法得到的總體平均以及個(gè)體的AEP波形。(a)5 Hz常規(guī)實(shí)驗(yàn);(b)40 Hz CLAD方法;(c)40 Hz MSAD方法Fig.2 The deconvolved AEPs for the grand average and the consisting individuals.(a)5 Hz conventional method;(b)40 Hz CLAD method;(c)40 Hz MSAD method

表1 各主波絕對(duì)潛伏期(，n=11)Tab.1 Latency values of the MLR(，n=11)

表1 各主波絕對(duì)潛伏期(，n=11)Tab.1 Latency values of the MLR(，n=11)

注:Lat表示絕對(duì)潛伏期(t/ms);*P ＜0.05，5 Hz vs CLAD;#P ＜0.05，CLAD vs MSAD;^P ＜0.05，5 Hz vs MSAD

Lat Na Lat Pa Lat Nb Lat Pb 5 Hz 17.86±2.59 30.18±3.06 50.68±5.18(n=8)*^ 64.68±6.36(n=6)61.23±3.67 CLAD 18.69±3.24 32.29±1.35 42.33±1.49*# 60.58±4.22 MSAD 19.08±2.23 30.78±1.60 44.52±2.33#^

峰峰值如表2所示。Na－Pa峰峰值在常規(guī)方法和CLAD及常規(guī)方法和MSAD方法之間均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，Nb－Pb峰峰值在 CLAD和MSAD兩種實(shí)驗(yàn)方法下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。MSAD方法得到的波形峰峰值均小于常規(guī)方法，得到的波形峰峰值。

表2 各主波的峰峰值(，n=11)Tab.2 The peak-peak amplitude of MLR(，n=11)

表2 各主波的峰峰值(，n=11)Tab.2 The peak-peak amplitude of MLR(，n=11)

注:Amp表示峰峰值(峰峰值/(μV));*P＜0.05，5 Hz vs CLAD;#P ＜0.05，CLAD vs MSAD;^P ＜0.05，5 Hz vs MSAD

Amp Na－Pa Amp Nb－Pb 5 Hz 1.57±0.41*^ 0.91±0.45(n=4)CLAD 0.74±0.30* 1.03±0.53#MSAD 0.94±0.24^ 0.65±0.21#

3.2 引出率

3種方法各波形的引出率如表3所示，V波、Na波、Pa波的引出率均為100%。在常規(guī)方法中，Nb波的引出率為72.73%，Pb波的引出率為45.45%，這與引言部分提到的Pb波在0.5或1 Hz的刺激率下才能明確被引出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。而?zdamar等人2007年做的一系列24～98 Hz的高刺激率實(shí)驗(yàn)表明:在24 Hz左右的刺激率下，Pb波依然難以辨認(rèn);而在40 Hz左右的刺激率下，Pb波出現(xiàn)一個(gè)幅值的極大值，此后隨著刺激率的升高，波幅又逐漸減?。?0］。本實(shí)驗(yàn)中，在40 Hz的刺激率下，兩種方法均能很好地引出Pb波，與此實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。

表3 3種方法下各主波的引出率(%)Tab.3 MLR elicitation rates(%)by three methods

3.3 變異系數(shù)

在不同實(shí)驗(yàn)方式下，各波形成分的穩(wěn)定性以變異系數(shù)來衡量。在3種實(shí)驗(yàn)方法中，各主波潛伏期的變異系數(shù)如表4所示:MSAD方法的變異系數(shù)均小于其他兩種方法;CLAD方法除Na波外，其他波形成分潛伏期的變異系數(shù)均小于常規(guī)方法的變異系數(shù)。常規(guī)方式下變異系數(shù)的均值為11.18%，而CLAD和MSAD方法的變異系數(shù)均值分別為8.03%和6.57%。

表4 各主波潛伏期的變異系數(shù)(n=11)Tab.4 Variable coefficients of the latency(n=11) %

峰峰值的變異系數(shù)如表5所示。3種方法的變異系數(shù)都比較大:MSAD方法的變異系數(shù)是這3種方法中最低的，均值為28.79%;CLAD方法的變異系數(shù)略大于常規(guī)方法的變異系數(shù)，均值為45.83%;常規(guī)方法變異系數(shù)均值為37.78%。

表5 各主波的峰峰值的變異系數(shù)(n=11)Tab.5 Variable coefficients of the peak-peak amplitude(n=11) %

3.4 相關(guān)系數(shù)

以各受試者波形與該方法下的總平均波形之間的相關(guān)系數(shù)為依據(jù)，對(duì)3種方法的總體穩(wěn)定性進(jìn)行了衡量，相關(guān)系數(shù)如表6所示，分布如圖3所示。MSAD方法的相關(guān)系數(shù)普遍大于其他兩種方法的相關(guān)系數(shù)，其均值為0.87，而且穩(wěn)定性最好，在0.74～0.95之間;CLAD方法的相關(guān)系數(shù)均值為0.74，就整體而言優(yōu)于常規(guī)方法的0.70，但是其穩(wěn)定性差，相關(guān)系數(shù)的變化范圍很大，在0.24～0.94之間;常規(guī)方法的波動(dòng)范圍也較大，在0.36～0.87之間。

表6 各受試者的波形與總平均波形之間的相關(guān)系數(shù)Tab.6 Correlation coefficients of AEP waveforms between individual and the grand average

圖3 受試者相關(guān)系數(shù)分布圖Fig.3 Correlation coefficients for 11 subjects

4 討論

相同的11名受試者，Nb和Pb波在高刺激率下的引出率大于低刺激率下的引出讓給，表明在5 Hz刺激率下沒有引出Nb或Pb波的受試者，在高刺激率下也可以引出這兩個(gè)波形成分。Nagle等運(yùn)用MLS方法，也得到了相同的結(jié)果［16］。圖4(a)為S5在3種記錄方式下的波形圖:在5 Hz的常規(guī)方式下，受試者的Nb波沒有被引出，導(dǎo)致Pa、Pb波連成一個(gè)很寬的波形，而在兩種高刺激率的實(shí)驗(yàn)方式下，Nb、Pb波均能很好地被引出。圖4(b)為S8在3種實(shí)驗(yàn)方式下的波形圖:在5 Hz的常規(guī)方式下，受試者的Nb波模糊不清，Pb波沒有被引出;而在兩種高刺激率的實(shí)驗(yàn)方式下，Nb波均能很好地被引出，Pb波雖然都出現(xiàn)了多個(gè)子峰的現(xiàn)象，但還是可以辨認(rèn)的。在同樣的Nb、Pb引出率高的1 Hz左右，進(jìn)行1550次的信號(hào)采集，需要的持續(xù)刺激時(shí)間約為25 min，這不利于MLR在臨床及實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用。而在常規(guī)方式下為了縮短測試時(shí)間而提高刺激率時(shí)，MLR波形不能穩(wěn)定引出，使波形確認(rèn)變成為一件困難而費(fèi)時(shí)的事情［17］。在40 Hz的高刺激率下，本研究進(jìn)行同樣次數(shù)的疊加平均只需要約5 min，并且各個(gè)主波均能被很好地引出，這將極大地促進(jìn)MLR的應(yīng)用。

圖4 AEP典型波形對(duì)比。(a)受試者S5的AEP;(b)受試者S8的AEPFig.4 Typical AEPs for two subjects.(a)AEP for S5;(b)AEP for S8

在用變異系數(shù)及相關(guān)系數(shù)衡量3種方法的穩(wěn)定性時(shí)發(fā)現(xiàn)，MSAD方法不論從均值還是從單個(gè)波形的成分來看，變異系數(shù)都是最小的(除Nb波外)，且相關(guān)系數(shù)的分布相對(duì)于其他兩種方法更集中，均值也是最大的。即在這3種實(shí)驗(yàn)方式中，MSAD是最穩(wěn)定的。

MSAD比CLAD穩(wěn)定，可能源于它們刺激的安排方式不同。去卷積技術(shù)基于誘發(fā)反應(yīng)的線性疊加模型。由于CLAD采用刺激序列，其SOA存在隨機(jī)性的抖動(dòng)，刺激間的相互作用可能產(chǎn)生非線性成分，從而不能很好地滿足線性模型。而MSAD每次記錄的是真正的穩(wěn)態(tài)反應(yīng)，每個(gè)刺激序列不存在抖動(dòng)［14］，因此能更好地滿足線性模型。當(dāng)然，去卷積計(jì)算本身可能會(huì)引入一定的系統(tǒng)誤差，目前可以通過參數(shù)選擇控制其帶來的影響，進(jìn)一步完善計(jì)算的可靠性。

CLAD及MSAD得到的40 Hz暫態(tài)AEP比常規(guī)方式得到的AEP更加完整，可能和AEP對(duì)刺激率的敏感性有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，40 Hz穩(wěn)態(tài)反應(yīng)是比較穩(wěn)定的［18］。有理論認(rèn)為，40 Hz穩(wěn)態(tài)反應(yīng)不僅僅是AEP的疊加，而且該刺激率也可強(qiáng)化AEP自身的成分［19－21］。最近用CLAD方法在這方面的研究也支持該理論，并指出 Na－Pa、Nb－Pb幅值占 ASSR 的90%［22］。這種解釋和本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相符，表明40 Hz刺激率對(duì) AEP暫態(tài)反應(yīng)有強(qiáng)化和穩(wěn)定引出作用。

5 結(jié)論

與常規(guī)方法相比，CLAD和MSAD方法得到的波形噪聲成分小，很少出現(xiàn)存在幾個(gè)子峰難以判讀的情況，而且MLR各波形成分完整。就單個(gè)波形成分而言，高刺激率的實(shí)驗(yàn)方式使Nb波和Pb波的引出率從72.73%和54.55%均增加到100%;潛伏期的變異系數(shù)均值從常規(guī)方法的11.18%降低到CLAD方法的8.03%以及MSAD方法的6.57%;峰峰值的變異系數(shù)中CLAD方法略高，為45.83%，而MSAD方法相對(duì)常規(guī)方法的37.78%降低到了28.93%;就波形的整體穩(wěn)定性而言，CLAD方法使相關(guān)系數(shù)均值從常規(guī)記錄下的0.70提高到了0.74，MSAD方法使其提高到了0.87?？傊鄬?duì)常規(guī)方法而言，40 Hz刺激率下利用去卷積技術(shù)得到的暫態(tài)MLR波形引出率更高、更穩(wěn)定，并且MSAD方法略優(yōu)于CLAD方法。

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