Chirp聲刺激信號發(fā)展過程及其應(yīng)用進(jìn)展

雷艷劉綺明 黃偉洛

1重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科（重慶400016）

2廣州優(yōu)聽電子科技有限公司（廣州510275）

3廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科（廣州510260）

1 Chirp聲刺激信號研制及發(fā)展歷史過程

根據(jù)維基百科全書解釋，chirp中文名字定義為線性調(diào)頻脈沖音，是指頻率隨時間而改變(增加或減少)的信號，其原理是對發(fā)射的寬帶調(diào)頻(FM)脈沖，在相位和振幅等方面進(jìn)行校正和補(bǔ)償，并通過數(shù)字信號處理器進(jìn)行處理，使換能器輸入較小峰值功率而得到較大信噪比。

作為一種新的聲學(xué)刺激聲信號，chirp聲刺激信號早在1960年便被用于聲納和雷達(dá)[1]，1985年，美國人Shore和Nuttall博士首次[2-4]將chirp刺激聲引入聽覺電生理反應(yīng)測試，理論上講，chirp信號本身相位特征是“低頻聲音早發(fā)出，高頻聲音晚發(fā)出”，克服了由于耳蝸特殊解剖結(jié)構(gòu)而造成行波延遲，能使更多神經(jīng)纖維同時放電，反應(yīng)波形振幅比短聲明顯，易于判斷閾值[3,4]。

2000年，Dau等人在de Boer基底膜模型基礎(chǔ)上產(chǎn)生一種chirp刺激聲信號[5]，使用上升頻率chirps聲補(bǔ)償聲音在耳蝸分區(qū)中傳導(dǎo)時間差異，從而產(chǎn)生聽覺神經(jīng)纖維同步放電，并發(fā)現(xiàn)低刺激強(qiáng)度波V振幅更高，說明降低刺激強(qiáng)度時聽覺神經(jīng)纖維同步性活動增強(qiáng)，作者認(rèn)為不同刺激強(qiáng)度導(dǎo)致振幅差異是由于耳蝸興奮性增寬所引起，這種增寬使早期低頻能量刺激耳蝸基底區(qū)引起耳蝸神經(jīng)放電去同步化。

2002年，Wegner等人在Dau開發(fā)的chirp刺激聲模型基礎(chǔ)上，延伸開發(fā)出具有頻率特性chirp聲信號（包括0.5-1k、1-2k、2-4k、4-8k和低頻250Hz五種頻率特性chirp聲）[6]，作者結(jié)論是0.5-1k低頻chirp特別適用于臨床使用，在中低刺激強(qiáng)度時，低頻chirp刺激聲引起波V振幅比在相同幅度和頻譜的短聲引起波V振幅更大。

2004年，F(xiàn)obel和Dau比較兩種實驗性chirp刺激聲模型[7]。一種是基于對人類基底膜延遲而估計，這種延遲來自于刺激頻率耳聲發(fā)射（SFOAE），另一種是基于與短純音誘發(fā)波V數(shù)據(jù)相匹配延遲函數(shù)，隨著刺激強(qiáng)度降低，延遲時間逐漸變長。作者在Dau等人線性耳蝸模型基礎(chǔ)上，將兩種實驗性chirp刺激聲與原始chirp刺激聲進(jìn)行比較，兩種實驗性chirp刺激聲分別被命名為O chirp和A chirp,原始chirp刺激聲則命名為M chirp，O chirp刺激聲設(shè)計來源于預(yù)估耳蝸基底膜延遲刺激頻率耳聲發(fā)射模型；A chirp刺激聲則來源于預(yù)估耳蝸行波時間頻率特異性短純音ABR模型；M chirp刺激聲使用Dau等人的原始平坦能量chirp聲模型。

2007年，Elberling等人為了補(bǔ)償時間彌散效應(yīng)，把實際相位延遲負(fù)值應(yīng)用到每一個短聲信號余弦上，從而生成一種新chirp聲信號，同時，為了區(qū)別于不同耳蝸延遲模型，分別設(shè)計了三種新chirp聲，并分別命名為Don chirp、Neely et al.chirp和de Boer chirp聲[8]。2010年，Elberling和Don等人在重新審視他們已發(fā)表文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)[9]，描繪成衍生頻段刺激強(qiáng)度和潛伏期函數(shù)圖，并重新檢查檢測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在5700Hz至1400Hz衍生頻段在低刺激強(qiáng)度（10-20dBnHL）潛伏期差異具有顯著性改變，在低強(qiáng)度時，遺憾的是，已有數(shù)據(jù)不足以用來有效預(yù)測710Hz衍生頻段ABR的潛伏期，因此，1400Hz衍生頻段將是用來進(jìn)行分析的最低頻段[10]。為此，作者在2008年chirp模型基礎(chǔ)上，又重新設(shè)計五種chirps聲信號，該組信號時程均不盡相同，目的是尋找最佳有效chirp聲信號。然后分別在20只耳上檢測五種chirps聲信號和短聲信號誘發(fā)ABR反應(yīng)，刺激強(qiáng)度分別為60、40和20dBnHL，結(jié)果是五種chirp聲信號誘發(fā)ABR振幅都要比短聲高，其中，60dBnHL時，chirp 1和2（時程分別為1.86和2.56ms）誘發(fā)振幅最高；在40dBnHL時，五種chirp聲信號誘發(fā)振幅均等相同；在20dBnHL時，chirp 4和5（時程分別為4.14和5.04ms）誘發(fā)振幅最高，因此，作者建議在使用chirp聲信號評估耳蝸功能時需要考慮刺激強(qiáng)度，并且，chirp聲信號優(yōu)勢還取決于耳蝸頻率特異性情況。

目前，市場上商用機(jī)器中所內(nèi)置的chirp聲刺激信號開發(fā)設(shè)計均主要來自于Dau、Neely和de Boer等所開發(fā)出的耳蝸行波延遲模型[8]，其相位特征“低頻聲音早發(fā)出，高頻聲音晚發(fā)出”保持不變[4,8]。

2 在聽覺誘發(fā)反應(yīng)測試技術(shù)中應(yīng)用情況

2.1 在ABR應(yīng)用情況

2.1.1 Chirp聲對于補(bǔ)償耳蝸內(nèi)行波延遲及神經(jīng)同步性價值

Lütkenh?ner等人利用居于Pantev等人居于耳蝸行波延遲參數(shù)從特定頻率ABR基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個chirp刺激聲信號，分別檢測標(biāo)準(zhǔn)短聲和chirp ABR，刺激強(qiáng)度為5-35dBnHL，與經(jīng)典短聲ABR相比較，chirp ABR可以獲得更高神經(jīng)同步性反應(yīng)，更大ABR振幅和更好反應(yīng)探測結(jié)果[8,11]。

Fobel和Dau研究兩種實驗性chirp聲（O chirp和A chirp聲）結(jié)果表明，所有chirp刺激聲無論刺激強(qiáng)度多少，都比短聲引起更大的V波振幅。O chirp刺激聲和M chirp刺激聲誘發(fā)ABR在中低刺激強(qiáng)度差異性較小，在低刺激強(qiáng)度條件下，A chirp刺激聲誘發(fā)出最大ABR振幅。

Elberling和Don采用兩個刺激強(qiáng)度60和50dBnHL來誘發(fā)chirp聲刺激信號，結(jié)果提示在高強(qiáng)度下（60dBnHL）chirp聲誘發(fā)有效性反而降低，作者推測可能是由于刺激向上擴(kuò)散所致，主要分歧在于：在低刺激強(qiáng)度時，chirp聲中每個頻率成分都會刺激特定耳蝸頻率區(qū)域，但在高刺激強(qiáng)度時，這種刺激就會擴(kuò)散，特別會向上擴(kuò)散，這種擴(kuò)散取決于潛伏期-頻率模型chirp聲，該信號內(nèi)每個頻率成分都會按照特定時間到達(dá)耳蝸內(nèi)，在高刺激強(qiáng)度下，每個耳蝸內(nèi)特定頻率位置將會被在不同時間點到達(dá)的更寬頻率成分到達(dá)刺激而興奮，這樣就會導(dǎo)致出現(xiàn)神經(jīng)興奮去同步化，從而導(dǎo)致反應(yīng)振幅降低，chirp聲時程越長，去同步化就越大，因此，高于此刺激強(qiáng)度，chirp聲就不如短聲那么有效[9]。

2.1.2 Chirp聲對于ABR用于神經(jīng)診斷價值

Elberling和Don比較chirp ABRs和Stacked ABRs有效性研究，Stacked ABRs利用類似chirp聲概念居于衍生頻段檢測方法，目的也是提高耳蝸內(nèi)神經(jīng)放電活動同步性。與前面一些研究結(jié)果類似，與短聲信號相比，chirp聲誘發(fā)ABR振幅更高，chirp聲潛伏期比短聲潛伏期更短，標(biāo)準(zhǔn)差更大，變異性也更大。在60dBnHL刺激強(qiáng)度下，Stacked ABRs振幅要比chirp ABRs高，50dBnHL刺激強(qiáng)度下，兩者振幅較為接近，兩種方法似乎同樣有效[8,9]。

Kristensen等人分別比較了CE-Chirp聲、短聲和一種新LS-Chirp聲誘發(fā)ABR檢測[12]，在80dBnHL刺激強(qiáng)度下，LS-Chirp聲和短聲三個波（I、III和V波）100%引出（20/20=100%），CE-Chirp聲波I引出率為0（0/20=0%）、波III引出率為35%（7/20=35%）和波V引出率為90%（18/20=90%），在各波振幅方面，高強(qiáng)度（80dBnHL）時，LS-Chirp聲誘發(fā)波V平均振幅最高（666 nV），其次是短聲(599 nV)，CEChirp聲最低（456nV），在低強(qiáng)度刺激時（20,40和60 dB nHL），LS-Chirp聲和CE-Chirp聲誘發(fā)振幅比較接近，但短聲誘發(fā)振幅要比兩者低0.55-0.75倍，統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)分析顯示LS-Chirp聲在各個刺激聲強(qiáng)度下誘發(fā)波V振幅比短聲都要更高，比CE-Chirp聲在高強(qiáng)度（80dBnHL）時誘發(fā)振幅有顯著性差異，其他強(qiáng)度沒有顯著性差異，因此，用于聽覺通路神經(jīng)診斷不如短聲優(yōu)越。

2.1.3 Chirp聲對于ABR閾值與行為聽閾相關(guān)性價值

Bell等人使用有限帶寬性chirp刺激聲信號來補(bǔ)償頻率依賴性耳蝸延遲，對10個正常聽力成人分別比較chirp和短聲ABR反應(yīng)閾值與行為聽閾，作者發(fā)現(xiàn)chirp ABR閾值比短聲ABR反應(yīng)閾值更加接近行為聽閾[13]。

王小亞等人利用線性調(diào)頻脈沖音（chirp）為刺激音在3-6歲的兒童中行聽性腦干反應(yīng)測試與兒童行為測聽進(jìn)行比較，結(jié)果顯示其與行為測聽的相關(guān)性良好，行為測聽 0.5、1、2、4kHz平均聽閾與chirp ABR閾值、0.5kHz聽閾與L-chirp ABR閾值和1-4kHz平均聽閾與U-chirp ABR閾值之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.939、0.900及0.930[14]。

Schmidt等人在10個ANSD兒童（平均年齡=6.6±2.7歲）比較chirp聲和短聲誘發(fā)ABR測試，發(fā)現(xiàn)各個刺激聲信號誘發(fā)的V波波幅大致相當(dāng)，沒有顯著性差異，在高強(qiáng)度條件下各個刺激聲信號沒有同步性反應(yīng)，但在中等強(qiáng)度下（65-75dBnHL）記錄到同步性反應(yīng)，潛伏期大致都約在8ms左右，該8ms左右同步性反應(yīng)來源尚未明確[15]。

綜上所見，chirp聲在誘發(fā)ABR檢測時，很好地補(bǔ)償耳蝸內(nèi)行波延遲，使更多神經(jīng)纖維同時放電，提高神經(jīng)同步性，反應(yīng)波形振幅更高，易于判斷閾值，所得ABR閾值更加接近行為聽閾[13-15]，在神經(jīng)診斷應(yīng)用價值方面，chirp聲刺激信號在高強(qiáng)度（80dBnHL）測試中所誘發(fā)出振幅并不比短聲優(yōu)越，而且，chirp聲誘發(fā)ABR波I和波III分化并不好[12]，潛伏期要比傳統(tǒng)經(jīng)典短聲信號短[16,17]，Kristensen等人認(rèn)為chirp聲用于聽覺通路神經(jīng)診斷不如短聲優(yōu)越。

表1 chirp聲與短聲差異比較信息Table 1 The difference comparision of Chirp and Click stimulus

圖1 chirp聲與短聲經(jīng)過IP 30插入式耳機(jī)后頻譜圖（左邊時域圖，右邊頻域圖）Fig.1 Spectrogram of chirp and Click stimulus delivered by the IP 30 insert phone(Left:time domain,Right:frequency domain)

2.2 在ASSR應(yīng)用情況

聽性穩(wěn)態(tài)反應(yīng)（auditory steady-state response,ASSR）是由周期性調(diào)幅（AM)、調(diào)頻（FM）或者既調(diào)幅又調(diào)頻持續(xù)聲，或刺激速率在1-200Hz的短聲或短純音誘發(fā)穩(wěn)態(tài)腦電反應(yīng)，反應(yīng)相位與刺激信號相位具有穩(wěn)定關(guān)系[3]，這是傳統(tǒng)ASSR基本概念。但隨著chirp聲被引入聽覺電生理反應(yīng)測試技術(shù)之中，具有頻率特性窄帶chirp聲也被用于ASSR檢測應(yīng)用中[21-28]。

Stürzebecher等人在de Boer模型基礎(chǔ)上開發(fā)出可以補(bǔ)償耳蝸行波延遲特征的chirp聲信號[21]，該刺激聲信號用于記錄具有頻率特性ASSR檢測，四個具有頻率特性刺激聲信號分別是中心頻率在500、1000、2000和4000Hz，每個聲信號帶寬為約500Hz，每一個刺激聲信號均會與不進(jìn)行耳蝸時域補(bǔ)償?shù)韧盘栠M(jìn)行比較，所有ASSR檢測采用每秒90Hz刺激速率進(jìn)行誘導(dǎo)，記錄每次反應(yīng)信噪比（SNR)，最終，所有補(bǔ)償耳蝸延遲版信號誘發(fā)出信噪比比未補(bǔ)償版信號都要高。通過該研究，該類刺激聲信號可以讓我們獲得更好神經(jīng)反應(yīng)同步性，尤其針對低頻刺激聲信號，可以獲得更高反應(yīng)振幅，并通過該正常聽力測試樣本驗證了該刺激聲信號效能，新的刺激聲信號可以顯著提高ASSR檢測(SNR)、更高探測率和更短探測時間。

Elberling等人采用三種chirp聲信號用每秒90次刺激速率誘導(dǎo)進(jìn)行ASSR檢測，并與短聲信號進(jìn)行對比，分別分析和比較檢出率、檢測時間和SNR，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在兩個刺激強(qiáng)度條件下，三種chirp聲檢測時間均明顯短于短聲信號，SNR也明顯高于短聲信號[8]。

史偉等人在國內(nèi)首次報道了應(yīng)用chirp-ASSR對嬰兒聽力篩查和頻率特異性聽閾評估研究，認(rèn)為chirp-ASSR具有快速、特異性高等特點[3,22]。張帥等人報道了chirp-ASSR和短純音ABR在低月齡嬰兒的各個頻率間具有良好相關(guān)性，chirp-ASSR雙耳平均檢測時間為424秒，而tb-ABR平均為1266秒，chirp-ASSR可以節(jié)省約66%的時間[23]。

劉綺明等人對chirp-ASSR與行為聽閾之間關(guān)系進(jìn)行了細(xì)致研究，結(jié)果顯示：聽力正常和異常組chirp-ASSR與行為聽閾之間關(guān)系密切，與傳統(tǒng)ASSR反應(yīng)閾相比，chirp-ASSR反應(yīng)閾與行為聽閾相關(guān)性沒有出現(xiàn)如0.5kHz低頻區(qū)較其他頻率差、隨著聽力損失加重和頻率升高兩者差值減小等現(xiàn)象[3,24]。艾毓等人對比傳統(tǒng)ASSR與NB chirp刺激聲誘發(fā)ASSR評價重度-極重度聾兒反應(yīng)閾與行為聽閾相關(guān)性，結(jié)論是同傳統(tǒng)ASSR相比，NB chirp刺激聲誘發(fā)ASSR能更好反映純音聽閾[25]。

劉慶松等人對中耳疾病病人在聽力重建手術(shù)過程中行chirp-ASSR術(shù)中聽力監(jiān)測，所得chirp-ASSR反應(yīng)閾值與純音聽閾之間具有很強(qiáng)相關(guān)性，1、2、4kHz三個頻率相關(guān)系數(shù)分別是0.56、0.82和0.90，平均相關(guān)系數(shù)R=0.89，組內(nèi)相關(guān)系數(shù)分別為0.70、0.90和0.95,平均檢測時間為7.0± 0.7 分鐘[28]。

王海濤認(rèn)為，chirp-ASSR應(yīng)用于臨床至少有如下優(yōu)點[3]：1、chirp-ASSR閾值與行為聽閾之間具有良好相關(guān)性，可用于各種人群客觀聽閾評估；2、可用于新生兒聽力篩查，chirp-ASSR比其他檢測方法如OAE、AABR出現(xiàn)假陽性低；3、比傳統(tǒng)ASSR具有更好頻率特異性；4、比傳統(tǒng)ASSR檢測時間更短，可以提高工作效率。

2.3 在TEOAE應(yīng)用情況

耳聲發(fā)射是耳蝸主動機(jī)制副產(chǎn)物，本身無任何生理作用，但代表著耳蝸內(nèi)耗能主動性機(jī)械活動，是正常耳蝸功能重要組成部分[3]。瞬態(tài)誘發(fā)耳聲發(fā)射（TEOAE)是文獻(xiàn)中最先報道的一種耳聲發(fā)射，短聲和短純音都可以誘發(fā)TEOAE，最典型TEOAE刺激聲信號是短聲，該信號時程很短（只有0.1ms），但又會出現(xiàn)寬頻帶刺激，同時，短聲信號包含很少能量，最大刺激振幅受電聲換能器性能限制，為了獲得一個更好信噪比反應(yīng)，需要輸入更多刺激能量。鑒于與刺激聲相關(guān)限制（如有限最大振幅和有限刺激時程），則需要選擇一個少或不失真?zhèn)鬟f最大能量到內(nèi)耳的刺激聲信號[29,30]。

Neumann等人設(shè)計了一種chirp聲信號，基本思路是給定信號功率，讓這種chirp聲瞬時頻率在較長時間內(nèi)取接近該頻率的值，那么在某一頻率處的頻譜能量就會增加，通過適當(dāng)?shù)剡x擇信號瞬時頻率的時程，就有可能對其頻譜進(jìn)行處理。作者與傳

統(tǒng)短聲信號誘發(fā)TEOAE進(jìn)行檢測對比，測試結(jié)果：chirp聲誘發(fā)的TEOAE幅值比短聲誘發(fā)的更高（17.9和 13.2dB），信噪比 SNR也更高（8.4和2.8dB），類似結(jié)果在其他的受試者上也同樣出現(xiàn)，作者結(jié)論是chirp聲是可用于TEOAE臨床應(yīng)用的聲學(xué)刺激信號，與短聲相比，chirp聲誘發(fā)TEOAE檢測反應(yīng)具有更高反應(yīng)幅值和更高信噪比[29,31]。

Putterman等人認(rèn)為，與TEOAE最為常用刺激聲短聲相比，采用chirp聲具有如下優(yōu)勢：1、TEOAE檢測傳統(tǒng)最多只能檢測到4-5kHz耳蝸力學(xué)帶寬頻譜，而選用chirp聲作為刺激信號則可以擴(kuò)展更高頻率特性，有研究者甚至可以把檢測頻率擴(kuò)展到14.7kHz；2、用于檢測TEOAE瞬態(tài)刺激應(yīng)該產(chǎn)生最小系統(tǒng)失真，采用chirp刺激聲要優(yōu)于短聲；3、采用chirp刺激聲可以運(yùn)用更高掃描速率如174.6Hz，測試速度更快[32-35]。

2.4 在VEMP應(yīng)用情況

前庭誘發(fā)肌源性電位（VEMP）臨床用來評價前庭系統(tǒng)完整性，VEMP在中國應(yīng)用于臨床已有20年，但仍處于不斷發(fā)展、成熟階段，并需要臨床上進(jìn)一步積累，使其日臻完善[36]。常用來作為VEMP檢測刺激聲類型有短聲（Click）和短純音（tone burst），研究發(fā)現(xiàn)500-1000Hz之間短純音可誘發(fā)出更高VEMP振幅，常規(guī)使用500Hz短純音，但對該信號包絡(luò)上升、平臺和下降周期數(shù)不做強(qiáng)制性要求[37]。

王博琛等人采用chirp聲誘發(fā)頸性前庭誘發(fā)肌源性電位(cVEMP)檢測，觀察CE-chirp聲與短聲(click)、短音(Blackman pip)誘發(fā)頸性前庭誘發(fā)肌源性電位之間差異,探討CE-chirp作為刺激聲誘發(fā)產(chǎn)生頸部前庭誘發(fā)肌源性電位可行性及其機(jī)制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CE-chirp聲誘發(fā)cVEMP在正常者上引出率為100%，潛伏期更短，P1-N1振幅更高且有統(tǒng)計學(xué)差異，但窄帶CE-chirp 500Hz與tone pip 500Hz兩種刺激聲信號誘發(fā)的cVEMP振幅差異很小（14.422±5.505和13.334±5.849uV），這種這么小振幅差異是否受到肌張力的影響尚不能明確[38]。

?zgür等人比較采用短純音500Hz、短聲和chirp三種刺激聲來誘發(fā)VEMP檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)短純音500Hz誘發(fā)cVEMP潛伏期更長(15.8±1.9 ms)，但振幅更高(35.9±17.1μV)；chirp誘發(fā)潛伏期最短(9.9±2.4 ms)，但振幅更小(33±18.6μV)，VEMP耳間不對稱性沒有顯著性差異[39]。

Walther等人采用短聲、短純音500Hz和chirp(CW-VEMP-chirp(250-1000 Hz，自行開發(fā))，分別在10位正常志愿者和6位前庭神經(jīng)炎患者進(jìn)行VEMPs檢測，在正常人組中，chirp聲誘發(fā)cVEMP和oVEMP振幅都最高，三種聲音（chirp、短純音500Hz和短聲）誘發(fā)cVEMP振幅分別是233.4±117.9μV、183.2±87.1μV和108.5±63.1μV，oVEMP振幅分別是3.5±0.72μV、2.9±0.84μV和2.2±0.54μV，最后作者認(rèn)為該chirp聲可以成為應(yīng)用于VEMP診斷中有效刺激聲信號[40]。

3 結(jié)束語

chirp聲信號是近年來較為熱門一種聲學(xué)信號，本文簡要地回顧性介紹chirp聲信號研制發(fā)展歷史過程，與其他傳統(tǒng)刺激聲相比，在ABR檢測中更易于閾值的判斷，chirp-ASSR閾值與行為聽閾具有良好的相關(guān)性、有更好的頻率特異性，臨床上應(yīng)廣泛開展應(yīng)用chirp聲信號及相關(guān)技術(shù)，提高檢測效率，更好地為病人服務(wù)。