聲帶振動特質評估方法的研究進展

高曉葳 歐陽杰 綜述 黃永望 劉麗燕 審校

聲帶的振動模式?jīng)Q定嗓音的質量，對聲帶振動特質的評估在診斷和治療嗓音障礙方面發(fā)揮重要的作用。聲帶振動是一個高速、復雜和精細的三維運動，既包括開放相和關閉相，又包括垂直-水平向的黏膜波，聲學測量不能直接記錄聲帶的振動，不能提供關于聲帶振動模式的視覺信息，而肉眼觀察聲帶的振動具有一定的局限性，電子動態(tài)喉鏡的應用可以解決此問題。對聲帶結構和振動功能的評估是嗓音評估的重要方面，本文就評估聲帶振動特質的各種方法綜述如下。

1 電子動態(tài)喉鏡檢查(videostroboscopy或videolaryngostroboscopy，VLS)

電子動態(tài)喉鏡檢查是直接觀察聲帶振動最普遍應用的評估方法，它由電子喉鏡和動態(tài)喉鏡相結合，兩者都能提供高清圖像，但動態(tài)喉鏡采用頻閃光源能觀察到聲帶振動的黏膜波。動態(tài)喉鏡又稱頻閃喉鏡，是利用人眼視網(wǎng)膜視覺殘留0．2 s(Talbot’s 定律) 觀察聲帶振動, 使快速振動的聲帶運動顯像成相對變慢的、可視的運動像或靜止像，從而觀察聲帶的振動過程及規(guī)律。

電子動態(tài)喉鏡可以觀察的內容有聲帶振動的基頻、對稱性、周期性、黏膜波、振幅及聲帶振動的開放相和關閉相等，其優(yōu)點是費用低、記錄持續(xù)時間長、彩色顯像、空間分辨率高，數(shù)據(jù)歸納和回放簡單，數(shù)據(jù)的存儲對臨床使用更方便。但它也存在一定的局限性，首先，通過對每個振動周期的不同點位編譯影像時，因為每秒鐘只能傳輸30幀(30 fps)，所以它對聲帶的振動會產生一個慢運動錯覺；其次，為了在聲帶的振動周期中成功地顯像一些連續(xù)的點位，頻閃燈和攝像機要在幾乎相當?shù)念l率下編程，頻閃燈的激活需要一個穩(wěn)定的聲學發(fā)音頻率[1]，動態(tài)喉鏡檢查也只能用來記錄周期性的聲帶振動；因此，對許多非周期性的或頻率不固定的嗓音障礙，不能應用電子動態(tài)喉鏡直接觀察，這有礙于電子動態(tài)喉鏡對嚴重聲嘶或者氣息聲以及不能保持穩(wěn)定發(fā)音特性的患者進行評估。

2 高速數(shù)字成像(high-speed digital imaging，HSDI)

聲帶振動的基頻是100～400 Hz，因此需要更快的顯像系統(tǒng)才能獲取整個聲帶振動的周期。HSDI克服了動態(tài)喉鏡的局限性，以2 000～5 000 fps的幀速度記錄聲帶振動的影像，可以詳細地顯示黏膜波，并從一個聲帶振動周期獲取多幅圖像，對周期性和非周期性的聲帶振動均可以進行顯像和客觀測量[2]，成為直接測量聲帶振動的有效工具。HSDI和動態(tài)喉鏡在觀察聲帶周期性運動時無明顯差別[3]，但在觀察非周期性運動時，HSDI更為精確[4]，HSDI可以區(qū)分左右非對稱性、開放商之間的細小差別，還可以觀察聲帶邊緣上下黏膜波的側向傳播和運動，這些特征用動態(tài)喉鏡很難發(fā)現(xiàn)，所以，HSDI是一種非頻率依賴性的直接可視化技術。由于時間分辨率高，通過HSDI可使臨床醫(yī)師對發(fā)聲的病理生理學的理解更詳細。

HSDI可以對發(fā)音短促、中斷、喉痙攣、發(fā)音的開始、結束和其他涉及聲帶振動的行為進行準確、可信的評估。例如，HSDI可以輔助聲帶震顫的定量分析[5]，也可以用于區(qū)分痙攣性發(fā)聲困難和肌張力性發(fā)聲障礙。痙攣性發(fā)聲障礙與發(fā)音中斷和發(fā)音阻滯有關，診斷主要依據(jù)病史和聽感知評估，但卻很難區(qū)分其不同類型(內收型、外展型和混合型)[6]，而HSDI有助于區(qū)分不同類型。Orlikoff等[7]使用高速成像法分別對軟起音、正常起音和硬起音記錄發(fā)音開始，驗證發(fā)聲上升時間的測量方法；Mehta等[8]發(fā)現(xiàn)利用高速成像法可以分析早期聲門癌行內鏡下嗓音外科治療后患者的嗓音產生機制。麻痹聲帶振動的非對稱性和非周期性不易被量化分析， Kimura等[9]第一次嘗試用HSDI方法量化分析杓狀軟骨內收對麻痹聲帶振動的影響，發(fā)現(xiàn)高速成像技術可以分析所有穩(wěn)定或非穩(wěn)定的嗓音障礙，有助于鑒別需要早期干預的嗓音問題和預測恢復情況，最終可能預防嗓音障礙。

3 記波掃描法 主要包括以下四種：

3.1電視記波掃描法(videokymography，VKG) 喉的記波顯像法作為一種檢查周期性和非周期性聲帶振動模式的分析工具，起源于1970年，通過生成高速攝像記波法觀察聲帶的振動，使得記波技術得到了進一步發(fā)展。攝像機以約7 812.5線/秒的速度對預先選擇的觀察線進行攝像，再將所攝的高速一維圖像按照時間順序，自上而下顯示成一幅二維圖像，克服了聲帶振動的不穩(wěn)定性和不規(guī)律性，使得對左右非對稱性、開放商、黏膜波的傳播和上、下唇邊緣運動的分析研究成為可能。Sram等[10]利用VKG清晰地顯示了聲帶的一些振動特性，包括左右對稱性、垂直相位差、開放和關閉時期；Piazza等[11]用VKG對正常和病變聲帶進行量化分析比較，證實VKG有利于客觀評估正常和病理性聲帶的振動模式。由于在VKG檢查時只記錄跨聲門表面的一個像素線，所以其顯像率較好、空間分辨率亦較高[12]，可以分析任何振動周期的特性，其費用低，評估簡單，需要存儲和處理的數(shù)據(jù)少，可以定量計算出聲帶振動的頻率和振幅。

VKG只能掃描分析聲帶前后軸的一個橫斷面，僅能獲得一個記波圖，其缺點是不能同時觀察聲帶前、后部的振動，即不能評估前后對稱性；另一個缺點是由內鏡運動引起的錯誤在錄制后不能糾正。如果在喉鏡和聲帶之間出現(xiàn)輕微的相對運動，記波圖描述的可能就不是預期想要位置的振動模式。Pontes等[13]分別作先正中、垂直進鏡，然后分別順時針、逆時針旋轉15°三種角度的VKG，獲得的影像明顯不同，數(shù)據(jù)顯示微小的喉鏡曝光角度的調節(jié)就足以更改結果；Piazza等[11]認為，為了評估雙側聲帶對應點，VKG的掃描行應垂直于聲門軸，最多不能超過15°。但是，Krenmayr等[14]用傅里葉方法分析高速電子內鏡的影像記錄，數(shù)據(jù)顯示內鏡的傾斜度對測量左右相位差無影響。

考慮到內鏡的移動偏差可能導致錯誤的臨床診斷，曾有研究使用一些新技術來縮小鏡體移動，并與聲帶振動區(qū)分開來。Qiu等[15]使用新一代VKG系統(tǒng)進行記波掃描，這個系統(tǒng)包括兩個電荷耦合器件 影像感應器，由喉鏡和記波的影像同時定位于掃描的位置，能同時提供記波顯像和電視動態(tài)喉鏡顯像，喉鏡和聲帶之間即使存在輕微的相對運動，喉鏡顯像中都會顯示并加以區(qū)分。

3.2數(shù)字記波掃描法(digital kymography，DKG) 如前所述，電視記波掃描法和高速計算機成像可以直接研究聲帶非周期性振動，亦可以用來創(chuàng)造和分析記波圖，由高速攝像獲得的記波圖稱作數(shù)字記波圖，這種通過使用高速攝像機拍取高速數(shù)字圖像序列，從此序列獲取聲帶振動記波圖的方法稱作數(shù)字記波掃描法。因為DKG幀速率高，可以對預先錄制的高速視頻行多側面分析，所以其在直接成像技術中綜合性最強。

DKG克服了一些與聲學數(shù)據(jù)分析技術有關的局限性，可以直接、有效地顯像聲帶的周期和非周期性振動。Zhang等[16]的研究顯示DKG顯像能對各種聲帶振動的信號進行顯像，其將聲帶的各種振動信號分成三種類型：近似周期性型、次諧波型、非周期性型，這種信號分型技術對于理解聲帶振動模式非常重要。Chodara等[17]用DKG對聲帶息肉和小結患者的聲帶振動特質進行評估，包括水平相位差和垂直相位差、振幅對稱指數(shù)和頻率等指標，發(fā)現(xiàn)除了頻率外，其他各參數(shù)在兩者及正常對照組之間具有明顯的差異。

各種檢查方法的時間效能、花費、診斷價值等決定其臨床適用性，雖然VKG在經(jīng)濟和時間效能方面優(yōu)于DKG，但在診斷價值和臨床適用性方面要差一些。VKG檢查時內鏡移動造成的錯誤可以通過DKG解決，DKG在彌補內鏡移動方面更有效[18]。DKG是對全部聲帶的高速攝影，得到的是隨著時間推移的每一行的信息，消除了與行的穩(wěn)定性有關的信息，可以更有效地量化分析聲帶振動的參數(shù)。其次，對空氣動力學參數(shù)異常和非對稱性的嗓音障礙患者中，DKG可以提高量化分析黏膜波參數(shù)的可能性。

3.3動態(tài)喉鏡記波掃描法(videostrobokymography，VSK) 由于VKG和單行DKG只能選擇和分析記波圖中的一個像素行，于是Sung等[19]避開了高速攝像法的局限性，使用數(shù)字動態(tài)鏡顯像從垂直于聲門中線的任何感興趣點獲取多個像素行研究聲帶的振動，這種技術稱作VSK。VSK可以生成多個沿著時間的垂直軸從上至下的二維顯像記波圖，獲得開放商、關閉商和非對稱指數(shù)等定量參數(shù)，并可以量化分析聲帶多個區(qū)域的振動特性。因為同時分析多行，不但可以觀察左右的對稱性，還可以觀察前后的對稱性。VSK已經(jīng)被用于量化分析各種良性病變的異常聲帶振動，如聲帶小結、息肉、囊腫、任克水腫、功能性發(fā)聲障礙和單側聲帶麻痹[20，21]。

VSK是記波法和電子動態(tài)喉鏡的整合，因此，VSK的一個優(yōu)點是不需要反復內鏡檢查，允許醫(yī)生仔細分析視頻影像。然而其幀速率只有30 fps，為了提高幀速率，又可以從聲門的不同點獲取可視化聲帶振動的信息，形成了多層DKG(multislice DKG，mDKG)。多層DKG使用高速數(shù)字顯像以2 000～5 000 fps的幀速率獲取全幀速顯像，應用計算機軟件從每幀中提取多個像素行，使多層DKG不但能測量左右對稱性(VKG和單行DKG也可以)，還可以測量前后對稱性，由于其幀速率高，多層DKG比VSK更適于測量前后對稱性。因為VSK應用動態(tài)喉鏡且有賴于前后一致的振動頻率，所以，不能生成非周期性振動的記波圖，而多層DKG能夠對非周期性振動顯像。

3.4深度記波掃描法(depth-kymography) 人類聲帶的振動是一種復雜的三維運動，既有水平方向的運動，又有沿氣流方向的垂直運動，而這種垂直運動不容易被常規(guī)成像技術發(fā)現(xiàn)，量化分析垂直位移對理解聲帶振動的病理學至關重要。動態(tài)喉鏡、VKG和HSDI僅對聲帶振動提供了二維顯像，在尺寸上無法標記。DKG聯(lián)合應用一個激光線-三角測量內鏡，可以對聲帶振動力學提供一個三維影像[22]，這種新的激光技術就是深度記波法，用標刻度的空間值記錄發(fā)聲時聲帶的垂直運動，并對其進行定量顯像，在水平和垂直方向的振動剖面圖以±50 μm分辨率的絕對單位被測量和標記出來，適于記錄體內組織面的三維運動。

George等[22]用深度記波法定位最大垂直相位和傳播速度來研究聲帶黏膜波的產生和傳播。一項隨訪研究[23]報道應用這種技術可以直接定量比較人類聲帶振動3D剖面測量和模擬結果之間的差異，通過內鏡可以很容易控制聲帶上激光線的位置，這就為聲帶息肉、小結和囊腫的三維大小提供了一種方法。深度記波法有助于對水平、垂直兩個方向振幅的絕度值和黏膜波傳播特性的認識，這對于嗓音外科手術很有幫助，如甲狀軟骨成形術、喉注射成形術等；同樣，這些數(shù)據(jù)可以為聲帶振動動力學的理論模型提供很好的反饋，因此，可以幫助臨床醫(yī)生更好地理解聲帶發(fā)聲病理學。

4 影像類的評估方法 主要包括以下兩種：

4.1相干光斷層掃描技術(optical coherence tomography, OCT) 又稱為光學相干層析成像技術，是近二十年發(fā)展起來的新的非接觸式、無損傷、實時、快速、高分辨率、可應用于活體的影像診療技術。自1997年始，大量文獻報道了使用OCT獲得聲帶黏膜分層顯微結構的靜態(tài)切面顯像，包括上皮層和固有層各層[24，25]。OCT使用反向散射的近紅外光干涉測量法顯像組織的切面，以10 μm的分辨率顯像深度大約2 mm，與傳統(tǒng)表面顯像不同的是，OCT為評估聲帶組織病理學或外科手術引起的黏膜改變提供了可能。OCT新技術的圖像采集率更高，其中一個主要版本是光頻域顯像(OFDI)，被用來生成動態(tài)橫斷層面顯像，如上皮下注射時[26]和發(fā)聲時[27]聲帶黏膜的波動。

4.2磁共振成像技術 (magnetic resonance imaging，MRI) 高分辨率的MRI可以構建人類喉部三維解剖模型，為在同一個坐標空間記錄不同的喉的構造提供解剖學框架。Hu等[28]通過MRI掃描，構建了喉部三維計算機模型，指出了MRI喉成像研究的新方向，通過對離體喉的MRI縮微成像驗證了喉組織超微結構的高分辨率顯像[29]；另一方面，喉及聲帶振動的動態(tài)MRI被首次用于測量喉的結構和聲帶動態(tài)功能方面的研究[30]。

以上各種方法可以對聲帶的振動特質進行客觀評估和量化分析,對理解病變嗓音的產生機制發(fā)揮重要作用。

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