豚鼠耳蝸基底膜響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

塔 娜, 張 景, 許立富, 周 雷, 黃新生, 饒柱石

(1. 上海交通大學(xué) 振動(dòng)、沖擊、噪聲研究所機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2. 復(fù)旦大學(xué) 附屬中山醫(yī)院耳鼻咽喉科，上海 200032)

耳蝸是聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中的重要器官，其工作機(jī)制的探究對(duì)了解人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)至關(guān)重要。耳蝸位于內(nèi)耳，由充滿(mǎn)淋巴液的螺旋型空腔組成，而基底膜是其最重要的感音元件[1]。耳廓收集到的外界聲波經(jīng)外耳道、鼓膜和聽(tīng)骨鏈將振動(dòng)傳到內(nèi)耳，耳蝸內(nèi)的淋巴液會(huì)在基底膜兩側(cè)形成壓差從而誘發(fā)基底膜振動(dòng)，基底膜刺激聽(tīng)毛細(xì)胞產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，再傳到大腦聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)中樞實(shí)現(xiàn)聽(tīng)覺(jué)。由于基底膜觸動(dòng)聽(tīng)毛細(xì)胞產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，所以測(cè)試耳蝸基底膜的振動(dòng)特性對(duì)探究耳蝸的聽(tīng)覺(jué)機(jī)制和傳聲特性具有重要意義。

人耳系統(tǒng)聽(tīng)覺(jué)機(jī)制機(jī)理復(fù)雜，自19世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究耳蝸基底膜的振動(dòng)特性。1960年， Von Békésy最早通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基底膜的振動(dòng)是以行波形式傳播的。耳蝸內(nèi)的淋巴液首先誘發(fā)基底膜底部振動(dòng)，這種振動(dòng)再以行波的形式傳到基底膜頂部。后來(lái)，Rhode等[2]利用穆斯堡爾方法測(cè)試了活體松鼠猴耳蝸基底膜的振動(dòng)響應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)基底膜響應(yīng)具有非線性壓縮特性。Nam等[3-4]在實(shí)驗(yàn)和仿真的基礎(chǔ)上，也證明了耳蝸具有主動(dòng)放大基底膜的振動(dòng)位移的作用。隨著測(cè)試技術(shù)發(fā)展，近年來(lái)，激光多普勒測(cè)振技術(shù)廣泛應(yīng)用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)測(cè)試，Nuttall等[5-7]紛紛借助激光多普勒測(cè)振儀對(duì)貓、鼠等動(dòng)物耳蝸基底膜振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試。由于豚鼠耳與人耳結(jié)構(gòu)類(lèi)似，并且其耳蝸直接暴露在聽(tīng)泡內(nèi)，方便實(shí)驗(yàn)測(cè)量，所以豚鼠耳蝸常被用作探究耳蝸聽(tīng)覺(jué)機(jī)制的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。目前，有國(guó)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了豚鼠耳蝸基底膜的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、主動(dòng)放大作用以及各種理化因素對(duì)其工作機(jī)制的影響[8-13]。郭夢(mèng)等[14-15]也測(cè)試過(guò)短純音激勵(lì)下基底膜的振動(dòng)速度，并分析了直流電對(duì)耳蝸基底膜的振動(dòng)影響。近年來(lái)也有學(xué)者選擇豚鼠用于評(píng)價(jià)人工中耳的聽(tīng)力補(bǔ)償效果[16]。但是與國(guó)外比較，目前國(guó)內(nèi)還是主要利用數(shù)值模型對(duì)耳蝸特性進(jìn)行仿真研究[17-22]，有關(guān)純音激勵(lì)下基底膜的振動(dòng)速度和振動(dòng)位移測(cè)試實(shí)驗(yàn)未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道，所以有必要對(duì)耳蝸基底膜的響應(yīng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，這既有助于了解耳蝸基底膜聽(tīng)覺(jué)響應(yīng)，又可以為耳蝸的理論建模提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和指導(dǎo)。

鑒于此，本文利用激光多普勒測(cè)振儀，測(cè)試了在純音激勵(lì)下豚鼠耳蝸基底膜振動(dòng)的速度響應(yīng)和位移響應(yīng)，并分析了基底膜振動(dòng)幅值和相位隨聲壓大小和頻率變化的振動(dòng)特性。

1 材料與方法

1.1 動(dòng)物準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)共準(zhǔn)備了28只純色豚鼠(體重300～500 g)，其中14只豚鼠用于離體耳蝸基底膜動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)前首先檢查豚鼠耳的健康狀態(tài)，確保豚鼠均沒(méi)發(fā)生中耳病變。并且，由于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)豚鼠耳蝸壁開(kāi)孔，所以測(cè)試前還必須再次檢查耳蝸結(jié)構(gòu)的完整性，保證豚鼠耳蝸結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞，標(biāo)本可以用于基底膜響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先采用戊巴比妥鈉(30 mg/kg)腹腔注射和地西泮(5 mg/kg)肌肉注射的方式對(duì)豚鼠進(jìn)行麻醉。待麻醉起作用之后，予以斷頭，再去除聽(tīng)泡上的肌肉組織，就可以看到白色的聽(tīng)泡。解剖完聽(tīng)泡，再在顯微鏡下選用直徑為0.6 mm的耳科電鉆對(duì)耳蝸壁進(jìn)行開(kāi)孔。開(kāi)孔時(shí)，先慢慢地用電鉆將耳蝸壁磨薄，本次實(shí)驗(yàn)耳蝸開(kāi)孔位置靠近基底膜底端。當(dāng)開(kāi)孔位置處骨壁變透，顏色變深，說(shuō)明骨壁已經(jīng)很薄了。再選用寬1 mm的針狀刀片的尖端輕輕將耳蝸壁挑破，剔除骨片，完成耳蝸壁開(kāi)孔。在開(kāi)孔過(guò)程中，一定要謹(jǐn)慎操作，防止破壞耳蝸結(jié)構(gòu)的完整性，與此同時(shí)，開(kāi)孔過(guò)程中還需補(bǔ)充適量生理鹽水，并用濕紗布包裹標(biāo)本，防止聽(tīng)泡脫水變質(zhì)。

1.2 標(biāo)本與儀器安裝

實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試過(guò)程如圖1所示。其中，圖1(a)為振動(dòng)測(cè)試原理圖，圖2(b)為包括豚鼠耳蝸標(biāo)本在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)實(shí)拍圖。為了方便實(shí)驗(yàn)測(cè)量，本次實(shí)驗(yàn)選用微位移平臺(tái)和顳骨夾對(duì)標(biāo)本進(jìn)行調(diào)節(jié)和固定。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先固定微位移平臺(tái)，再將固定了豚鼠耳蝸標(biāo)本的顳骨夾放置在微位移平臺(tái)上。在顯微鏡下，調(diào)整激光探頭、顳骨夾以及微位移平臺(tái)，可以準(zhǔn)確地將激光探頭發(fā)射的激光對(duì)準(zhǔn)測(cè)試的目標(biāo)靶點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先在外耳道距離耳膜2～3 mm位置處放入送聲器(ER2, Etymotic)和測(cè)聲器(ER7C, Etymotic), 并用海綿將其封閉。選用美國(guó)Tektronix公司生產(chǎn)的AFG 3022B信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)送聲器，產(chǎn)生純音信號(hào)激勵(lì)耳膜；同時(shí)利用測(cè)聲器檢測(cè)鼓膜處的聲壓，可以反饋調(diào)節(jié)輸入聲壓的大小，保證測(cè)試時(shí)的輸入聲壓是指定大小。其中，實(shí)驗(yàn)前對(duì)送聲器和測(cè)聲器均進(jìn)行了校核。實(shí)驗(yàn)選用多普勒激光測(cè)振儀對(duì)基底膜的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，需在基底膜測(cè)試位置處添加反光微粒以增強(qiáng)反射光強(qiáng)度。為了減小反光微粒對(duì)基底膜振動(dòng)特性的影響，實(shí)驗(yàn)選擇直徑為10～30 um的反光微粒，并在顯微鏡下借助直徑為0.12 mm的鋼針蘸取少許反光微粒放到目標(biāo)靶點(diǎn)。由于耳蝸壁開(kāi)孔后常會(huì)滲出少量淋巴液，淋巴液的弧形液面增加了放置反光微粒的難度，所以需要在高分辨率的顯微鏡下多次嘗試才能成功。圖2(b)右下角虛線框內(nèi)為耳蝸開(kāi)孔后的局部放大圖，其中(1)為基底膜放置反光微粒后的圖像，(2)為激光探頭發(fā)出的激光對(duì)準(zhǔn)基底膜測(cè)試位置后的圖像。測(cè)試時(shí)，激光探頭與多普勒測(cè)振儀連接，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將采集到的信號(hào)傳遞給動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖1 振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the vibration testing experiment.

1.3 基底膜振動(dòng)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇德國(guó)Ploytec公司生產(chǎn)的激光多普勒激光測(cè)振儀測(cè)試純音激勵(lì)下豚鼠耳蝸基底膜的響應(yīng)特性。其中激光測(cè)振儀包括激光探頭(OFV 505)和控制器(OFV 5000)。激光探頭接收到的反射光經(jīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀后，可以輸出基底膜測(cè)試位置的振動(dòng)速度和振動(dòng)位移。測(cè)試時(shí)，在軟件LMS Test.Lab中設(shè)置分析頻率為25.6 kHz，采樣時(shí)間為0.32 s。測(cè)試結(jié)果經(jīng)多次平均后存儲(chǔ)，用于后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果

2.1 基底膜振動(dòng)速度響應(yīng)

信號(hào)發(fā)生器輸出1V電壓到送聲器，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了純音激勵(lì)下基底膜的速度響應(yīng)。圖2給出了1 kHz純音激勵(lì)下基底膜振動(dòng)速度的時(shí)域曲線及頻譜圖。其中圖2(b)基底膜振動(dòng)速度頻譜圖包括上下兩部分，上面是幅值譜，下面是相位譜。從基底膜振動(dòng)速度的時(shí)域波形和頻譜圖可以看出，測(cè)試的結(jié)果含有少量噪聲，這是由于耳蝸壁開(kāi)孔滲出了淋巴液，淋巴液的孤形液面產(chǎn)生了光的散射現(xiàn)象。

圖2 1 V電壓驅(qū)動(dòng)送聲器基底膜振動(dòng)速度響應(yīng)Fig.2 Velocity response of the BM when ER-2 derived under 1 V.

改變輸入聲壓的頻率，分別測(cè)試了1 kHz, 4 kHz和10 kHz聲激勵(lì)下基底膜的速度響應(yīng)，對(duì)應(yīng)的速度幅值分別為1.47E-004 m/s，3.20E-004 m/s和1.12E-004 m/s。可以看出，在大小相同、頻率不同的聲壓激勵(lì)下，基底膜同一位置處的振動(dòng)速度大小不同，說(shuō)明基底膜振動(dòng)具有頻率選擇特性。

2.2 基底膜振動(dòng)位移響應(yīng)

根據(jù)Ren[23]的方法將ER-2型送聲器的頻率范圍擴(kuò)大到10～20 kHz，測(cè)試了在外耳道施加70 dB、80 dB、90 dB三種大小純音激勵(lì)下基底膜的振動(dòng)位移。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了14只豚鼠，共28個(gè)聽(tīng)泡。但由于解剖和測(cè)試易對(duì)耳蝸和基底膜造成破壞，所以?xún)H7組實(shí)驗(yàn)滿(mǎn)足要求。基底膜的振動(dòng)位移響應(yīng)如圖3～5所示。

圖3 70 dB純音激勵(lì)下基底膜振動(dòng)位移響應(yīng)Fig.3 BM displacement response under 70 dB SPL pure tone excitation.

圖4 80 dB純音激勵(lì)下基底膜振動(dòng)位移響應(yīng)Fig.4 BM displacement response under 80 dB SPL pure tone excitation.

圖5 90 dB純音激勵(lì)下基底膜振動(dòng)位移響應(yīng)Fig.5 BM displacement response under 90 dB SPL pure tone excitation.

觀察基底膜振動(dòng)位移幅值響應(yīng)曲線，從圖3(a)、圖4(a)和圖5(a)中可以看出：5 kHz范圍以?xún)?nèi)，基底膜振動(dòng)位移幅值變化不大；從5 kHz到11 kHz，振動(dòng)幅值逐漸增大，在11 kHz達(dá)到最大值；超過(guò)11 kHz，基底膜振動(dòng)位移又迅速減小。對(duì)應(yīng)70 dB、80 dB、90 dB三種聲激勵(lì)，基底膜振動(dòng)最大位移分別為7.8 nm、25.16 nm和74.45 nm。觀察基底膜振動(dòng)位移相頻曲線，從圖3(b)、圖4(b)和圖5(b)可以看出：三種聲壓激勵(lì)下基底膜相位不僅變化趨勢(shì)一致，而且數(shù)量大小也相差不大；10 kHz范圍以?xún)?nèi)，相位變化相對(duì)平坦；超過(guò)11 kHz之后，相位迅速下降，其中在11 kHz基底膜振動(dòng)相較于外耳道輸入聲壓相位滯后大概530°左右，而到19 kHz時(shí)滯后相位達(dá)到了1 300°。

3 討 論

本次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是探究純音激勵(lì)下豚鼠耳蝸基底膜的響應(yīng)特性，所以維持基底膜的生理特性是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中除在基底膜放置反光微粒以外，要求與基底膜沒(méi)有其他任何接觸。并且整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作都需認(rèn)真細(xì)致，盡量減小實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)基底膜的損傷。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須對(duì)耳蝸壁開(kāi)孔，開(kāi)孔操作稍有不慎就會(huì)損傷耳蝸結(jié)構(gòu)，并且開(kāi)孔過(guò)程中落到基底膜上的骨粉也會(huì)污染基底膜，所以實(shí)驗(yàn)難度大，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的要求高，本次實(shí)驗(yàn)只有7組測(cè)試滿(mǎn)足測(cè)試要求。

本次實(shí)驗(yàn)選用顳骨夾對(duì)耳蝸標(biāo)本進(jìn)行固定，比較牢固，并且由于顳骨夾下面是圓形的，方便角度調(diào)節(jié)，可以使得測(cè)試激光準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)基底膜的測(cè)試位置。測(cè)試時(shí)，選擇激光直接照射到基底膜上進(jìn)行測(cè)量，與文獻(xiàn)[14]中在耳蝸孔上覆蓋玻片不同，這是由于透過(guò)玻璃片的反射激光強(qiáng)度較弱并且不穩(wěn)定，但是直接測(cè)量時(shí)，滲出的淋巴液也會(huì)使光線散射而給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)誤差。

分析測(cè)試結(jié)果，從圖2(a)中可以看出純音激勵(lì)下，基底膜的振動(dòng)速度是正弦信號(hào)。改變輸入聲壓的頻率，對(duì)比基底膜同一位置處的振動(dòng)速度幅值，結(jié)果顯示基底膜在大小相同，頻率不同的純音激勵(lì)下振動(dòng)速度大小不同，說(shuō)明基底膜的振動(dòng)具有頻率選擇特性。與此同時(shí)，從圖3～圖5基底膜振動(dòng)位移響應(yīng)曲線可以看出，基底膜的振動(dòng)位移響應(yīng)存在明顯的峰值，峰值對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)為最佳頻率。對(duì)比70 dB、80 dB、90 dB三種聲激勵(lì)下耳蝸基底膜位移幅值響應(yīng)，可以看出在不同強(qiáng)度的聲激勵(lì)下，基底膜均在11 kHz取得最大值，說(shuō)明本次實(shí)驗(yàn)基底膜測(cè)試位置的最佳頻率為11 kHz。觀察位移響應(yīng)曲線，超過(guò)最佳頻率11 kHz之后，基底膜振動(dòng)的位移響應(yīng)迅速減小，斜率很大；而在低于最佳頻率的頻率范圍內(nèi)，1 kHz到5 kHz的位移響應(yīng)曲線很平坦，從5 kHz開(kāi)始基底膜的位移響應(yīng)才逐漸增大，曲線斜率也逐漸增加。這是典型的行波傳輸曲線。根據(jù)行波理論，鐙骨底板的振動(dòng)首先會(huì)刺激靠近卵圓窗的基底膜振動(dòng)，這種振動(dòng)再以行波的形式從基底膜的底部傳播向頂部傳播。純音激勵(lì)時(shí)，基底膜的振動(dòng)位移沿基底膜先逐漸增大，在最佳頻率位置處達(dá)到最大值，之后再迅速減小，形成行波包絡(luò)。并且低頻信號(hào)的包絡(luò)線比高頻信號(hào)的包絡(luò)線要寬，所以基底膜位移響應(yīng)在低于最佳頻率范圍內(nèi)增加緩慢，響應(yīng)曲線斜率小，而在超過(guò)最佳頻率后響應(yīng)曲線迅速降低，坡度大?；啄げ煌恢锰幍淖罴杨l率不同。越靠近基底膜頂部，最佳頻率越低；越接近基底膜底部，最佳頻率越高。另外位移響應(yīng)曲線在14 kHz處出現(xiàn)了峰值，可能是由基底膜振動(dòng)導(dǎo)致測(cè)試位置有所偏移造成的。

雖然本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是離體被動(dòng)耳蝸，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)了解基底膜的動(dòng)態(tài)特性和耳蝸的傳聲機(jī)理都具有非常大的參考價(jià)值。接下來(lái)的研究重點(diǎn)是探究活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的測(cè)試方法，進(jìn)一步了解基底膜的響應(yīng)特性。

4 結(jié) 論

本次實(shí)驗(yàn)研究了純音激勵(lì)下豚鼠耳蝸基底膜的響應(yīng)特性，利用激光多普勒測(cè)振儀測(cè)試了離體豚鼠耳蝸在70 dB、80 dB和90 dB三種大小聲激勵(lì)下基底膜的振動(dòng)速度和振動(dòng)位移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)純音激勵(lì)下，基底膜的振動(dòng)速度是正弦信號(hào)。并且在大小相同、頻率不同的聲壓激勵(lì)下，基底膜同一位置處的振動(dòng)速度和振動(dòng)位移大小不同。

(2)基底膜具有頻率選擇特性，并且基底膜上的振動(dòng)以行波的形式傳播。

(3)在最佳頻率處，基底膜的振動(dòng)響應(yīng)最大。超過(guò)最佳頻率，基底膜位移響應(yīng)幅值迅速減小。

(4)不同大小聲壓激勵(lì)下，基底膜振動(dòng)的相位響應(yīng)曲線接近，存在相位滯后。低于最佳頻率，相位響應(yīng)曲線相對(duì)平坦；而超過(guò)最佳頻率后，滯后相位迅速增加。

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