利用掃頻音的刺激頻率耳聲發(fā)射實驗研究

汪 鑫 劉雪玉 姜言冰 劉珍珍 王 遠(yuǎn)劉舒婷 王 丹 陳世雄 李光林

1(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055)

2(中國科學(xué)院大學(xué)深圳先進(jìn)技術(shù)學(xué)院 深圳 518055)

3(重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院 重慶 400054)

4(清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院 北京 100084)

5(天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院 天津 300072)

1 引 言

在人類的五大感官之中，聽覺是人類感知和理解周圍世界的重要渠道。如果聽力出現(xiàn)了問題，即存在聽力損失，可能會造成很嚴(yán)重的后果，如影響新生兒的語言發(fā)展、成人的生活質(zhì)量等。因此，準(zhǔn)確地檢測聽力損失程度，從而及時采取相應(yīng)的治療措施，對于改善患者的生活具有重要意義[1-3]。常用的聽力損失檢測方法有純音聽閾(Pure-tone Audiometry)測試、耳聲發(fā)射(Otoacoustic Emissions，OAE)檢測、聽覺誘發(fā)電位(Auditory Evoked Potentials)檢測和聽性穩(wěn)態(tài)反應(yīng)(Auditory Steady-State Response)檢測等。其中，純音聽閾測試需要患者主動配合反饋，主觀性強，且不適用于無法給出回答的新生兒。耳聲發(fā)射檢測不受受試者的主觀影響，能夠在新生兒的聽力篩查以及成年人的聽力損失檢測中應(yīng)用。聽覺誘發(fā)電位檢測對測試的要求很高，不僅要求受試者在屏蔽室中，而且測試過程中必須保持安靜。聽性穩(wěn)態(tài)反應(yīng)檢測與純音聽閾之間有良好的相關(guān)性，但臨床中發(fā)現(xiàn)，聽力正常時相關(guān)性差，而存在聽力損失時反而相關(guān)性好；低頻時相關(guān)性較差，高頻時相關(guān)性較好，即存在穩(wěn)定性較差的問題。由此可以看出，不同的檢測方法各有優(yōu)缺點，但相比來看，耳聲發(fā)射檢測對受試者及測試環(huán)境要求不高，且穩(wěn)定性較好，具有簡單易行的優(yōu)點[4-6]。

耳聲發(fā)射，顧名思義，是指由耳內(nèi)所發(fā)出的聲音，以機械振動的形式產(chǎn)生于耳蝸，通過聽骨鏈和鼓膜傳導(dǎo)釋放入外耳道，并能從外耳道記錄的一種彈性波能量。耳聲發(fā)射信號的振動能量來自耳蝸中毛細(xì)胞的主動運動[7,8]。外毛細(xì)胞的運動可以是自發(fā)的，也可以是對外來刺激所做出的反應(yīng)，通過使基底膜發(fā)生機械振動，然后在內(nèi)耳淋巴中以壓力變化的形式傳導(dǎo)，推動聽骨鏈和鼓膜振動，最終達(dá)到使外耳道空氣振動的目的。如果毛細(xì)胞遭到破壞(如耳毒性藥物、強噪聲、缺氧以及傳染病等)，那么會影響耳聲發(fā)射的波形，使其減小甚至消失。同時，不同位置的耳蝸毛細(xì)胞的最佳響應(yīng)頻率(特征頻率)不同：耳蝸底部(靠近中耳一端)毛細(xì)胞的特征頻率較高，而隨著向頂部的逐漸深入，毛細(xì)胞特征頻率逐漸降低。因此，通過測量不同頻率刺激的耳聲發(fā)射信號，可以得知耳蝸內(nèi)不同位置的毛細(xì)胞功能狀況，從而獲得相應(yīng)頻率的聽力損失情況。因而，耳聲發(fā)射為檢測耳蝸的健康情況，特別是外毛細(xì)胞機械活動的狀況提供了一個檢測工具，被廣泛用于新生兒聽力篩查和成人聽力診斷[9-11]。

耳聲發(fā)射可以由不同類型的刺激所引起，目前臨床上所使用的耳聲發(fā)射有兩種：瞬態(tài)誘發(fā)耳聲發(fā)射(Transient Evoked Otoacoustic Emissions，TEOAE)和畸變產(chǎn)物耳聲發(fā)射(Distortion Product Otoacoustic Emissions，DPOAE)。其中，TEOAE由瞬態(tài)刺激引起，如短暫的滴答音(click)，它能使所有的毛細(xì)胞同時興奮，并在短時間內(nèi)產(chǎn)生多個頻率的耳聲發(fā)射信號；而 DPOAE 是由兩個頻率(f1、f2，f1＜f2)相近的純音所產(chǎn)生，耳聲發(fā)射信號出現(xiàn)在不同于刺激聲的頻率 2f1－f2上。因此，TEOAE 可以快速有效地測量多個頻率，DPOAE 則可以通過簡單的頻譜分析輕松地提取，并能夠很好地反映毛細(xì)胞在信號轉(zhuǎn)換過程中的活躍程度。

然而，無論是 TEOAE 還是 DPOAE 檢測，均存在局限性。當(dāng)測量 4 kHz 以上的 TEOAE時，在技術(shù)上來說是難以實現(xiàn)的[12]。這是因為在實際的 TEOAE 檢測中，時域信號包含有 TEOAE信號和刺激聲干擾，其中刺激聲干擾大約出現(xiàn)在前 2.5 ms，而高頻耳聲發(fā)射信號由于延遲較短，也會出現(xiàn)在前 2.5 ms。為了消除刺激聲的干擾，在 TEOAE 檢測的信號分析中需要人為地將前 2.5 ms 的信號刪除，此時 4 kHz 以上的高頻耳聲發(fā)射信號也被一并刪除，并且在不同頻率的TEOAE 分量之間可能存在相互作用[13]。因此，目前的 TEOAE 檢測無法測量 4 kHz 以上的耳聲發(fā)射信號。而 DPOAE 檢測一次只能測量一個頻率，臨床采用的 DPOAE 測量普遍只測 1 kHz,2 kHz, 3 kHz, …, 8 kHz 等若干離散頻率，這樣造成檢測效率過低、用時過長，能應(yīng)用的場合相對較少。如何克服 TEOAE 無法檢測高頻耳聲發(fā)射信號以及 DPOAE 測量效率低下的問題，從而盡量擴大其應(yīng)用范圍，已成為耳聲發(fā)射技術(shù)發(fā)展的一個重要課題。

由此，第三種由純音刺激激發(fā)的 OAE——刺激頻率耳聲發(fā)射(Stimulus Frequency Otoacoustic Emissions，SFOAE)引起了廣泛關(guān)注[14]。1978 年，Kemp 發(fā)現(xiàn)了 SFOAE 和其他類型的 OAE，但由于 SFOAE 出現(xiàn)的頻率和刺激聲頻率相同，難以從混合信號中將 SFOAE 和刺激信號進(jìn)行分離[15]。因此，SFOAE 僅限于實驗室研究。然而，SFOAE 具有的一些獨特的特征，使其仍然具有成為聽力篩查診斷工具的潛力。尤其是在低水平刺激下，SFOAE 被認(rèn)為主要來自刺激行波峰值的阻抗不規(guī)則處的相干反射[16]。這種 SFOAE 的產(chǎn)生機制并不復(fù)雜，使得其成為除了 DPOAE 或 TEOAE，在識別特定人工耳蝸損傷區(qū)域方面另一個很好的選擇。這也表明 SFOAE 可能對耳蝸的小改變敏感，可以根據(jù) SFOAE 的異常繪制出功能障礙外毛細(xì)胞的具體區(qū)域。測量 SFOAE 的主要的技術(shù)有 3 種：第一種是利用壓縮的方法，利用 SFOAE 振幅的壓縮增長，通過按比例降低較高水平刺激的耳道響應(yīng)來去除刺激分量，從而獲得非線性殘差作為 SFOAE。第二種是抑制的方法，除了探測音之外，還試圖測量帶有和不帶有抑制音的耳道信號。由于探測音誘發(fā)的 SFOAE 可以被抑制音抑制，所以 SFOAE 被認(rèn)為是兩種情況的聲學(xué)響應(yīng)之間的矢量差[17]。第三種技術(shù)，即三間隔范式或雙誘發(fā)技術(shù)，使用兩個刺激進(jìn)行三段相等持續(xù)時間作用，SFOAE 則是三個響應(yīng)的線性相減[18]。此外，Brass 和 Kemp[19]提出了一個四區(qū)間序列來觀察 SFOAE 的輸入-輸出增長函數(shù)和頻率相關(guān)抑制。但無論采用哪種方法，所測量的 SFOAE幾乎都是相同的，這為 SFOAE 臨床應(yīng)用的可能提供了強有力的支持。

目前，幾乎所有的 SFOAE 技術(shù)都使用純音作為刺激。但由于純音引起的 SFOAE 需要逐點測量，實際上只能獲得較窄范圍內(nèi)有限數(shù)量的頻點。為能在單個測試中測量多個頻率，使用掃頻信號作為刺激是一種潛在的解決方案[20]。其中，掃頻音可以刺激任何范圍的耳蝸分區(qū)以喚起耳聲發(fā)射，這對于特定頻率范圍的聽力診斷非常有用。此外，掃頻音刺激頻率耳聲發(fā)射的頻率分辨率與掃描速率有關(guān)，因此，可以使用不同掃描速率的掃頻音來獲得不同分辨率的耳聲發(fā)射譜。同時，在頻域中構(gòu)建掃頻音可以很容易地控制每個單獨頻率的能量，從而可以確保激勵達(dá)到所需的水平，提高掃頻信號的 SFOAE 測量性能。

因此，本文提出了一種采用掃頻音的耳聲發(fā)射檢測方法，以提高當(dāng)前耳聲發(fā)射測量的頻率特異性和效率。首先，采用三間隔范式技術(shù)以產(chǎn)生掃頻 SFOAE，同時采用跟蹤濾波器技術(shù)，從背景噪聲中提取掃頻 SFOAE。然后，設(shè)計 3 種對比方法，通過對比相同實驗對象在不同時間下所測得結(jié)果以驗證其可靠性，通過與傳統(tǒng)方法對比以驗證其兼容性，通過對比不同掃描時間所測得結(jié)果以驗證其有效性。

2 實驗方法

2.1 受試者

本研究在中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的學(xué)生和員工中招募 10 名健康受試者(男、女受試者各 5 名)，年齡在 20～33 歲，平均年齡為26 歲。受試者均沒有外耳或中耳疾病的病史，且在標(biāo)準(zhǔn)聽力圖測試中表現(xiàn)出正常的聽力，閾值為20 dB 聽力級(Hearing Level，HL)或更低，測量的頻率范圍為 250～8 000 Hz。在測試前進(jìn)行耳鏡檢查，取出過量耳垢以確保耳道清潔。在測試之前，使用定制的掃頻音 SFOAE 程序?qū)γ课皇茉囌叩膬芍欢溥M(jìn)行簡短的篩選，并選擇具有較大耳聲發(fā)射幅值的耳朵用于 SFOAE 測量。測試時，受試者舒適地坐在隔音房內(nèi)，測試過程中盡可能保持安靜。整個實驗過程符合中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院人體倫理道德規(guī)范(SIAT-IRB-130124-H0015)。

2.2 實驗原理

本研究中使用兩個掃頻音：一個探測音(s1)和一個抑制音(s2)來喚起掃頻音 SFOAE(圖 1)。通過使用兩個掃頻音，利用耳聲發(fā)射的非線性抑制現(xiàn)象來測量 SFOAE[17]。其中，兩個掃頻音都是通過快速傅里葉逆變換(IFFT)方法從頻域構(gòu)建而來的。s1的頻率在T的持續(xù)時間內(nèi)從 0.5～10 kHz 線性增加，并且s2總是比s1高 200 Hz(使用線性掃頻音，以便掃描時間可以相同地施加在不同頻率范圍上)。

圖1 探測音 s1 與抑制音 s2 的時間函數(shù)關(guān)系Fig. 1 Illustration of the probe s1 and the suppressor s2 as a function of time

為了產(chǎn)生所需要的掃頻 SFOAE，本文采用三區(qū)間范例的方法(圖 2)。其中，耳機A在第一和第三間隔期間播放s1，而耳機B在第二和第三間隔期間播放s2，每個間隔的持續(xù)時間為T。假設(shè)這三段刺激聲所對應(yīng)的響應(yīng)分別為r1、r2和r3，那么它們的差值r＝r3－r1－r2可以將所產(chǎn)生的線性刺激聲偽跡消除，而立體差異音(Cubic Different Tone)只在第三段兩個刺激聲都存在時才會產(chǎn)生，因而在線性相減后得以保留。

圖2 三間隔范式模型Fig. 2 Illustration of the three-interval paradigm used in this work

為了能夠從背景噪聲中提取所需要的掃頻信號，本文提出了一種利用跟蹤濾波器的方法從噪聲記錄中提取掃頻音 SFOAE。跟蹤濾波器實際上是一個窄帶通濾波器，其中心頻率可以動態(tài)地調(diào)諧到所需 SFOAE 的出現(xiàn)頻率。如本文前面所述，使用兩個掃頻音(探測音s1和抑制音s2)來產(chǎn)生掃頻 SFOAE。兩個掃頻音都有自己的SFOAE，它們是兩條相似的用于激發(fā) SFOAE的平行線(圖 1)。跟蹤濾波器通過放置一個接近s1引起的 SFOAEs 的極點，以及s2在極坐標(biāo)圖(圖 3)中引起的 SFOAEs 處的零點來實現(xiàn)。通過這樣操縱極點和零點，只有s1引起的 SFOAEs得到保留，而s2引起的 SFOAEs 大大減弱。

圖3 跟蹤濾波器的零極點分布示意圖Fig. 3 The pole-zero placement of the tracking fi lter

為驗證本文提出系統(tǒng)的有效性、兼容性和可靠性，分別設(shè)計了 2 個實驗。其中，實驗 1 為驗證系統(tǒng)的有效性和兼容性。首先，通過對比同一位受試者在不同測試時間所測結(jié)果是否相同，以判斷系統(tǒng)的有效性；其次，通過對比掃頻SFOAE 與傳統(tǒng)的純音 SFOAE 方法所測結(jié)果是否相同，以判斷二者的兼容性。實驗 2 為驗證系統(tǒng)的可靠性，主要通過調(diào)節(jié)刺激音的持續(xù)時間，并對比所測結(jié)果之間的差異來判斷。

2.3 實驗過程

刺激的產(chǎn)生和數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)如圖 4 所示。使用兩個 ER-2A 耳機(Etymotic Research，Elk Grove Village，IL)來產(chǎn)生圖 1 中描述的兩種掃頻音刺激：對這兩種刺激應(yīng)用 0.02 ms 的過渡窗函數(shù)以避免響應(yīng)中的開關(guān)噪聲。通過置于耳道入口處的 ER-10B＋麥克風(fēng)(Etymotic Research)，記錄聲學(xué)響應(yīng)，然后通過 PXI-4461 數(shù)據(jù)采集卡(National Instruments，Austin，TX)以 80 kHz的采樣率對其進(jìn)行數(shù)字化。信號產(chǎn)生和采集由Labview(National Instruments)中定制的計算機(PC)程序控制。

圖4 刺激頻率耳聲發(fā)射測量原理示意圖Fig. 4 Schematic diagram of SFOAE measurement

在本研究中，每位受試者參加的實驗流程如圖 5 所示。為了減少由主體運動或吞咽引起的噪聲，如果計算所得到的最大 SFOAE 幅度大于 30 dB 聲壓級(Sound Pressure Level，SPL)，或者任何間隔的最大幅度大于 90 dB SPL，則將三個間隔從平均值中排除。

圖5 刺激頻率耳聲發(fā)射實驗流程Fig. 5 The procedures of the stimulus frequency otoacoustic emissions measurements

實驗 1：首先，在系統(tǒng)變化的信號條件下測量掃頻音 SFOAEs。其中，s1的聲壓為L，s2的聲壓恒定為 80 dB SPL。在實驗中，探測音(T和L)的信號條件被系統(tǒng)地改變以觀察它們對掃頻音SFOAE 測量的影響。其中，探測音s1(L)的強度從 45 dB 增加到 60 dB，增益為 5 dB。為了避免駐波對聲壓測量的影響，掃頻音的頻譜水平根據(jù)前向聲壓級進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保在進(jìn)入中耳時頻率相等[21-23]。對于每個L，掃描音的持續(xù)時間(T)依次設(shè)置為 0.25 s、0.5 s、1 s 和 2 s。每個信號條件的響應(yīng)被平均 20 次以提高掃頻音 SFOAE 的信噪比(SNR)。

其次，在掃頻音 SFOAEs 實驗后，讓受試者休息 5 min，再進(jìn)行純音 SFOAEs 測量。為了檢驗掃頻音與傳統(tǒng)純音方法的 SFOAE 兼容性，使用具有相同三間隔范式的純音來測量SFOAE(圖 2)。在本次實驗中，測量了 50 個均勻分布在相對較窄頻率范圍(1～2 kHz)內(nèi)的探測音頻率，以便比較掃頻音和純音 SFOAE 之間的詳細(xì)頻譜。其中，抑制音的頻率總是比探測音高 200 Hz，以利用雙音抑制原理獲得探測頻率處的 SFOAE[17]。設(shè)置兩個探測音強度(50 dB SPL和 60 dB SPL)以探索刺激聲強度對 SFOAE 的影響，而抑制音強度始終保持在 80 dB SPL 以獲得更高質(zhì)量的 SFOAE[17]。本次實驗的持續(xù)時間T固定為 0.5 s，并對每個信號條件的響應(yīng)進(jìn)行 10 次平均。

實驗 2：完成實驗 1 后，間隔一天后進(jìn)行第三次實驗(實驗 2)。對每位受試者重復(fù)所有SFOAE 測量以檢查在不同信號條件下的掃頻音SFOAE 的可靠性。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 不同刺激時間對掃頻 SFOAE 的影響

由圖 6 可以看出，雖然探測音的頻率范圍始終從 0.5～10 kHz 掃描，但通過系統(tǒng)的變化刺激持續(xù)時間T或完成掃描的時間，可以測試刺激的持續(xù)時間對 SFOAE 記錄的影響。圖 6 為在 4 個不同刺激持續(xù)時間(0.25 s、0.5 s、1 s 和 2 s)以及恒定刺激水平(L＝50 dB SPL)下測量的掃頻SFOAE 頻譜的典型示例。從圖 6 可以看出，不同刺激持續(xù)時間的掃頻 SFOAE 頻譜振幅幾乎相同。雖然 4 種不同刺激時間的全局形狀和精細(xì)結(jié)構(gòu)幾乎沒有變化，但在 SFOAE 很小的某些頻率處仍然可以看到一些輕微的偏差，而這種偏離是相對隨機的。因此，掃頻 SFOAE 具有較好的有效性。

3.2 純音 SFOAE 與掃頻 SFOAE 的對比

圖6 不同刺激時間下的掃頻 SFOAE 的幅頻圖Fig. 6 The amplitude spectra of the swept-tone SFOAE sunder four different stimulus duration

通過在相同信號條件下與純音 SFOAE 進(jìn)行比較來評價掃頻 SFOAE 的準(zhǔn)確度，從而驗證掃頻 SFOAE 與純音 SFOAE 的兼容性。由于純音SFOAE 是逐個頻率點測量的，所以比較結(jié)果被限定在相對較窄的頻率范圍(1～2 kHz)內(nèi)，其中有足夠的純音頻率來對比精細(xì)結(jié)構(gòu)。從圖 7 可以看到，兩種不同類型刺激所引起的 SFOAE 幅值具有一致性。在兩種刺激水平下，兩種 SFOAE的幅頻特性曲線高度相關(guān)且一致，僅當(dāng) SFOAE的幅度很小時，偏差略有增加。從總體來看，兩種 SFOAE 的幅頻特性曲線具有高度一致性，表明掃頻 SFOAE 與純音 SFOAE 具有兼容性。

3.3 不同測試時間對掃頻 SFOAE 的影響

為了在重復(fù)測量中驗證掃頻音 SFOAE 的可靠性，本文比較了同一位受試者在兩個不同刺激水平(圖 8)下的兩次重復(fù)測試(實驗 1 和 2)結(jié)果，其中恒定刺激持續(xù)時間T＝2 s。從圖 8 可以看到，振幅頻譜可以在重復(fù)測量中一致地再現(xiàn)，并在較高的刺激水平(圖 8(b))中可靠性似乎更好。對于每個刺激水平，來自實驗 1 和 2 的兩個幅度-頻率曲線在全局形狀和精細(xì)結(jié)構(gòu)中都非常相似。兩個幅頻曲線的相關(guān)系數(shù)(r)在L＝50 dB SPL 時為 0.79，在L＝ 60 dB SPL 時為0.90。同時，通過對比實驗 1 和實驗 2 的幅頻曲線可以看出，間隔一天所測得的數(shù)據(jù)幾乎可以完全重疊。

圖7 不同刺激程度下純音 SFOAE 與掃頻 SFOAE 的幅頻圖Fig. 7 The amplitude spectra of the pure-tone and swept-tone SFOAEs under two different stimulus levels

圖8 同一受試者在不同刺激程度下間隔一天所測幅頻圖Fig. 8 The amplitude spectra of the swept-tone SFOAEs in two different time under two different stimulus levels from the same subject

3.4 實驗結(jié)果討論

上述實驗結(jié)果表明，不同刺激持續(xù)時間對掃頻音 SFOAE 的結(jié)果幾乎沒有影響，T＝0.25 s、0.5 s、1 s 和 2 s 四種情況下都能得到幾乎一致的結(jié)果，表明掃頻音 SFOAE 的有效性。間隔一天之后對同一受試者進(jìn)行測試，在不同的刺激等級下，也都能得到高度相關(guān)的幅頻圖，且刺激程度越高相關(guān)度越高。此外，通過純音 SFOAE 與掃頻 SFOAE 對比發(fā)現(xiàn)，雖然純音 SFOAE 具有高信噪比、高帶寬的優(yōu)點，但在實驗過程中，純音 SFOAE 每次測量期間的時間都花費在測試單個頻率上，且隨著測試頻率范圍的擴寬，測試時間將會非常漫長。在本實驗中，使用純音 SFOAE測試 1～2 kHz 范圍內(nèi)的 50 個頻率點花費的時間大約為 15～20 min。Cheatham 等[24]和 Kalluri 等[25]經(jīng)過實驗測得在單倍頻程或二倍頻程中測量足夠多的頻率點需要花費的時間大約為 0.5 h 甚至更長。由于掃頻音的頻率隨時間的變化而線性變化，因此在單次測量中可以同時測量多個頻率，極大地提高了測試的效率。故在本實驗中，使用掃頻音僅需 1～2 min 就可以得到 0.5～10 kHz 的SFOAE 幅頻圖。

4 結(jié)論與展望

為了提高當(dāng)前 OAE 測量的頻率特異性和效率，用于檢測耳蝸健康狀況，實現(xiàn)聽力篩查和檢測，本文提出了采用三間隔范式技術(shù)以產(chǎn)生掃頻SFOAE，同時提出了采用跟蹤濾波器從噪聲中提取掃頻 SFOAE。通過對比不同刺激強度下間隔一天所做實驗的一致性，可以看出在不同刺激強度下，不同時間測得的掃頻 SFOAE 都具有高度的一致性，表明系統(tǒng)可靠性高；通過在不同刺激強度下與傳統(tǒng)的純音 SFOAE 對比，所得幅頻特性曲線高度相關(guān)，表明系統(tǒng)兼容性高；通過對比不同刺激時間的條件下所得到的幅頻特性曲線可以看出，在 4 種不同刺激時間的情況下，所得到的幅頻特性曲線的全局形狀和精細(xì)結(jié)構(gòu)幾乎沒有變化，表明系統(tǒng)有效性高。本文所提出的方法，可為改進(jìn)現(xiàn)有的臨床聽力損失的檢測與診斷方法提供一種新的解決辦法。本文的不足在于重復(fù)測量的時間過短，且與純音測量的對比頻率較窄。因此，在今后的研究中，將通過招募更多的受試者來系統(tǒng)地評估掃頻 SFOAE 的性能，增加可靠性的測試間隔至一星期甚至更長，以觀察掃頻音SFOAE 的長期可靠性，并且可以在比 1～2 kHz更寬的頻率范圍內(nèi)與純音測量進(jìn)行比較。