兩種聲刺激模式下的正常鼓膜振動(dòng)特征初步研究

王立堅(jiān) 王杰 張李芳 張寬，3 李霞，3

1 引言

鼓室成形術(shù)是耳科最基本的手術(shù)方式，自1952年Wullstein與Zollner提出，術(shù)后氣骨導(dǎo)差難以穩(wěn)定達(dá)到較小水平。即使單純鼓膜修補(bǔ)，術(shù)后氣骨導(dǎo)差仍有平均7 dB未能閉合，具體原因不明[1]。

耳廓收集聲波，經(jīng)耳道傳遞至鼓膜，鼓膜在聲壓作用下發(fā)生振動(dòng)，并傳遞至聽骨鏈，最后經(jīng)鐙骨底板，將振動(dòng)傳遞至外淋巴液，進(jìn)而使得內(nèi)耳基底膜與蓋膜發(fā)生剪切運(yùn)動(dòng)，毛細(xì)胞受刺激觸發(fā)神經(jīng)沖動(dòng)經(jīng)聽神經(jīng)系統(tǒng)傳遞至大腦聽覺皮層，最終產(chǎn)生聽覺[2]。該過程中，鼓膜是振動(dòng)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動(dòng)的原始聲壓感覺部分，是中耳傳遞振動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其振動(dòng)特征反映了中耳傳聲性能。鼓膜振動(dòng)檢測是探索中耳傳聲機(jī)制的重要一環(huán)，然而目前臨床上無法定量、客觀、系統(tǒng)地觀察檢測鼓膜振動(dòng)，進(jìn)而缺乏量化手段探究鼓室成形術(shù)后的中耳傳聲性能，無法解釋術(shù)后氣骨導(dǎo)差形成的問題。

激光多普勒測振儀（laser doppler vibrometer，LDV），在量化鼓膜振動(dòng)的研究中受到廣泛采用[3～6]，且以往研究已說明LDV活體鼓膜振動(dòng)檢測在臨床上具有可行性[3，4，7～9]。為了與純音聽閾相比較，過去多使用倍頻程純音作為刺激聲，并通過疊加平均、傅立葉變換等手段對鼓膜振動(dòng)信號進(jìn)行處理，這種方法的弊端在于得到的頻率信息有限，且信號處理步驟繁瑣，測試效率低。如果使用步級更小的刺激聲，如掃頻音，可能豐富鼓膜振動(dòng)測試結(jié)果的頻率信息，提高測試效率。

本研究旨在利用LDV活體鼓膜振動(dòng)檢測技術(shù)，采用掃頻音作為刺激聲進(jìn)行活體鼓膜振動(dòng)測試，并與純音刺激做對比分析，為臨床分析鼓室成形術(shù)后不明原因氣骨導(dǎo)差形成的可能機(jī)制提供參考。

2 方法

2.1 研究對象

研究對象由14人組成，其中包括男性9名，女性5名，年齡范圍19～34歲，平均23.43±3.06歲。各研究對象均無外中耳疾病史、手術(shù)史，無上呼吸道急慢性炎癥，最近一周無強(qiáng)噪聲接觸史，且純音氣導(dǎo)閾值小于等于25 dB HL，無氣骨導(dǎo)差，226 Hz鼓室圖A型。

2.2 刺激聲

傳統(tǒng)的刺激聲為純音，即只有單個(gè)頻率的聲音。本研究按照250、500、800、1000、1500、2000、3000、4000、5000、6000、8000 Hz的順序給予1 s刺激，共11 s，每個(gè)頻率的純音均校準(zhǔn)為85 dB SPL。

掃頻音的頻率隨時(shí)間遞增。本研究采用的掃頻音，起始頻率為250 Hz，按指數(shù)遞增至8000 Hz。頻率fn符合以下公式：fn＝250×100.03n,n＝0,1,2,…，總時(shí)長為4.25 s。同時(shí)需對幅度進(jìn)行調(diào)制，使得聲壓為85 dB SPL。

2.3 儀器設(shè)備

本課題組搭建的鼓膜振動(dòng)測試檢測系統(tǒng)由PC機(jī)、LDV（CLV-2534，Polytec）、光學(xué)顯微鏡（OPMI-1FC，Zeiss）、數(shù)據(jù)采集卡（USB-6251，NI）、功放、麥克風(fēng)（ER-7C，Etymotic）、耳機(jī)（ER-2，Etymotic）、耳鏡耦合器等組成。

在進(jìn)行測試時(shí)需要將耳鏡耦合器插入外耳道。耳鏡耦合器上有兩個(gè)小管，一個(gè)用于耳機(jī)給聲，另一個(gè)用于麥克風(fēng)檢測聲壓。耳鏡耦合器前端接一延長管，使得麥克風(fēng)能夠探測到鼓膜表面聲壓。當(dāng)耳鏡耦合器插入外耳道后，延長管尖端距離鼓膜表面約5～10 mm。

2.4 測試流程

測試在安靜房間中進(jìn)行。在做鼓膜振動(dòng)測試時(shí)，患者于測試平臺上取仰臥位，頭轉(zhuǎn)向?qū)?cè)，使受試耳暴露在顯微鏡下。同時(shí)囑受試者平靜呼吸、放松身體并保持頭部制動(dòng)狀態(tài)。在顯微鏡下檢查受試者耳道，清除耵聹等異物。將耳鏡耦合器插入受試者耳道，調(diào)整顯微鏡，使得顯微鏡、耳鏡耦合器、鼓膜同軸。將激光對準(zhǔn)鼓膜光錐尖端位置，隨后開始測試。每只被試耳朵測試3～5次。

2.5 信號處理

在提取鼓膜振動(dòng)特征之前，需對信號進(jìn)行預(yù)處理，包括去除直流分量和高通濾波。由于振動(dòng)信號的噪聲集中在低頻部分，需設(shè)計(jì)巴特沃斯高通濾波器將其濾除。

由于被試者頭部移動(dòng)、對準(zhǔn)點(diǎn)反光不佳等原因，造成振動(dòng)信號中引入噪聲，因此在提取鼓膜振動(dòng)特征之前，需計(jì)算信號的信噪比，篩選出信噪比高的信號。本研究選取信噪比大于2 dB的信號。

各頻率對應(yīng)的振動(dòng)速度與聲壓的比值，即鼓膜振動(dòng)特征，稱之為鼓膜臍部速度傳遞函數(shù)（umbo velocity transfer function）的模值[8]，單位

3 結(jié)果

3.1 耳間差異

為消除耳間差異對研究結(jié)果可能帶來的影響，本研究首先對所采集數(shù)據(jù)的耳間差異進(jìn)行了分析。選取8名（16耳）被試，男女比1∶1，行純音刺激下的鼓膜振動(dòng)測試。將測試得到的鼓膜臍部速度傳遞函數(shù)模值分為左右耳兩組，每組各8耳，進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)，在各頻率點(diǎn)上左右耳并無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，見表1。

3.2 性別因素

為消除性別因素對結(jié)果的影響，對以上8名被試的數(shù)據(jù)做了進(jìn)一步處理，按性別將鼓膜臍部速度傳遞函數(shù)模值分為兩組，每組各8耳，進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，除1500 Hz頻率點(diǎn)外，其余均未見統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，見表2。

3.3 兩種刺激模式對比

選取5名被試，男女比2∶3，共10耳，采集并處理純音及掃頻音刺激下的鼓膜振動(dòng)特征并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖1所示。

表1 左右耳鼓膜臍部速度傳遞函數(shù)模值對比

圖1 兩種聲刺激下的鼓膜臍部速度傳遞函數(shù)模值

按刺激模式，將兩種模式下各頻率交叉點(diǎn)的鼓膜臍部速度傳遞函數(shù)模值分為兩組，每組各5耳，采用配對樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果未見統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，見表3。

4 討論

4.1 影響因素的排除

4.1.1 耳間差異的影響 在以往研究中，Huber等[7]在分析數(shù)據(jù)時(shí)不考慮耳間差異，將正常人的雙耳均納入實(shí)驗(yàn)樣本，而Whittemore等[8]在建立鼓膜臍部速度傳遞函數(shù)模值的正常值時(shí)對每個(gè)受試者僅隨機(jī)選取一只健康耳作后續(xù)分析。從表1結(jié)果顯示雙側(cè)耳差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，因此在后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，可不用考慮耳間差異，將左右耳數(shù)據(jù)合為一組進(jìn)行考慮，無需分組。該結(jié)果與Huber[7]的研究結(jié)果相似。

4.1.2 性別因素的影響 從表2可知，僅當(dāng)頻率為1500 Hz時(shí)，男女鼓膜臍部速度傳遞函數(shù)模值顯示有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。而文獻(xiàn)中顯示性別因素對結(jié)果無影響[8]，該差異出現(xiàn)可能由樣本量過小引起，后續(xù)需增大樣本量以進(jìn)一步闡釋該問題。

4.2 純音與掃頻音的結(jié)果對比

采用純音刺激時(shí)，250 Hz下采集的信號信噪比均偏低，因此所得結(jié)果中未能顯示出250 Hz的模值。該問題同樣在Jakob等[10]研究中出現(xiàn)，原因在于信號的品質(zhì)較差，因此Jakob等選擇從500 Hz處開始數(shù)據(jù)分析。結(jié)果顯示，鼓膜臍部速度傳遞函數(shù)模值在1000 Hz以下的低頻部分顯示緩慢穩(wěn)定遞增的趨勢；在1000～2000 Hz的中頻部分呈現(xiàn)先減后增的趨勢；在2000 Hz以上的高頻部分，模值呈現(xiàn)先增后減的趨勢。

采用掃頻音刺激時(shí)，同樣因?yàn)榈皖l部分信噪比過低的問題，結(jié)果起始于300 Hz。曲線的趨勢與純音刺激時(shí)類似，然而在2000～3000 Hz，曲線呈現(xiàn)先減后增的趨勢，該信息在純音刺激的結(jié)果中未能反映。

對比兩種刺激模式，相較于純音刺激模式，掃頻音刺激模式能夠反映更多的頻率信息。首先，由表3結(jié)果可知，兩者無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說明在交叉頻率點(diǎn)上，掃頻音刺激得到的結(jié)果與純音刺激得到結(jié)果相近，證明其有效性。其次，采用掃頻音刺激時(shí)，在2000～3000 Hz，曲線呈現(xiàn)先減后增的趨勢，而該信息在純音刺激的結(jié)果中未能反映，說明通過掃頻音的刺激模式能夠得到特定頻率段的鼓膜振動(dòng)特征。最后，在高頻部分，純音刺激時(shí)最高點(diǎn)出現(xiàn)在6000 Hz，而掃頻音刺激時(shí)最高點(diǎn)出現(xiàn)在5600 Hz。從以上分析可知，掃頻音刺激所得的模值的頻率細(xì)節(jié)更加豐富，在做鼓膜振動(dòng)測試時(shí)采用掃頻音可增加數(shù)據(jù)分析參量，細(xì)節(jié)的頻率特征也可為臨床提供參考。

表2 鼓膜臍部速度傳遞函數(shù)模值性別對比

表3 兩種刺激模式下鼓膜臍部速度傳遞函數(shù)模值對比

5 結(jié)論

本研究通過分析，排除耳間差異與性別因素對于鼓膜臍部速度傳遞函數(shù)模值的影響后，進(jìn)而對兩種聲刺激模式下的正常鼓膜振動(dòng)特征進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)掃頻音刺激模式包含的信息比純音刺激模式更豐富。本研究仍存在局限性，需要擴(kuò)大樣本量以深入研究，且后續(xù)的研究中將加入病例數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。掃頻音刺激模式有望在臨床分析鼓室成形術(shù)后不明原因氣骨導(dǎo)差形成機(jī)制的研究中使用。