咽鼓管功能聲測法聲源信號選擇研究

金蕾 倪坤 李克勇 李曉艷

咽鼓管聲測法能直接實時動態(tài)反映咽鼓管開閉狀態(tài)而無需向中耳施加額外的壓力，是生理狀態(tài)下的檢查，其結(jié)果基本不受鼓膜厚度及鼓膜是否完整的影響，既可在鼓膜完整情況下進行測試，也可以對鼓膜穿孔或鼓膜置管術(shù)后的咽鼓管功能進行測試。并且，咽鼓管聲測法無創(chuàng)而廉價，不會給受試查者帶來痛苦，尤其適合用于兒童咽鼓管功能的研究，故值得進一步完善以期應(yīng)用于臨床。然而，目前國內(nèi)外并沒有公認的咽鼓管聲測儀的測試聲源頻率。迄今7～8 kHz的窄帶噪聲是最常被選擇的實驗頻率，各實驗室是根據(jù)前人經(jīng)驗和喜好選擇“最佳”方式，部分實驗選擇使用白噪聲，部分選擇窄帶白噪聲[1～5]，有的使用自己設(shè)定的“完美序列”[6,7]，有的使用純音信號[8～12]。

本研究擬通過在咽鼓管功能聲測法中采用既往文獻中常用的窄帶白噪聲和寬頻白噪聲作為聲源信號，探討其是否合理，為咽鼓管功能聲測法找到較為可靠的聲源頻率。

1 資料與方法

1.1研究對象 以31例健康成人為研究對象，男20例，女11例，年齡20～43歲，平均26.2±2.8歲；入選標準：①年齡大于18周歲;②近半年內(nèi)無急性中耳炎病史，既往無分泌性中耳炎、反復(fù)耳痛、鼓膜外傷或聽力下降病史;③氣壓變化時無中耳氣壓調(diào)節(jié)障礙情況;④無過敏性鼻炎、慢性鼻炎、鼻竇炎病史;⑤無鼻咽部、鼻腔鼻竇、中耳手術(shù)史;⑥近兩周內(nèi)無上呼吸道感染病史;耳內(nèi)鏡檢查(包括鼓氣耳鏡檢查)、聲導(dǎo)抗檢查、純音測聽、鼻內(nèi)鏡檢查排除鼻腔及鼻咽部病變;鼓室導(dǎo)抗圖為A型；⑦咽鼓管功能障礙七項評分量表(ETDQ-7量表)總分在14分及以下(此問卷表根據(jù)癥狀的嚴重程度分為七個等級，癥狀越重，分數(shù)越高，“1分”代表幾乎無影響，“7分”代表最嚴重[13])。排除標準：①耳內(nèi)鏡檢查發(fā)現(xiàn)任何鼓膜病變、鼓膜內(nèi)陷或鼓室內(nèi)積液者;②純音測聽異常者；③鼓室導(dǎo)抗圖為B型、C型；④ETDQ-7量表總分在15分以上。所有受試者完成ETDQ-7量表，平均單項分為1.4±0.2分。

1.2自行研制組裝咽鼓管功能聲測系統(tǒng)(圖1) 該測試系統(tǒng)以電腦微機為基礎(chǔ)平臺，外設(shè)音頻信號。轉(zhuǎn)換設(shè)備及聲源輸出和聲傳感終端。本系統(tǒng)聲源輸出終端為入耳式揚聲器，聲傳感終端為直徑4 mm微型傳聲器(MicroW，L825)，并通過外置聲卡(Fast Track Duo)對輸入/輸出的音頻信號經(jīng)數(shù)字轉(zhuǎn)換與電腦相通。利用Cool Edit 2.1(Adobe公司)軟件播放聲源特定音頻信號，輸出至置于記憶棉鼻部適配器內(nèi)的耳機揚聲器，而外耳道適配器內(nèi)置的微型傳聲器會將傳導(dǎo)到外耳道中的聲信號采集輸入電腦，并由Cool Edit 2.1同步進行無損數(shù)字音頻格式存儲，以便后期計算機軟件進行時頻動態(tài)特性分析，進一步基于MATLAB編程對測試音頻數(shù)據(jù)開展時頻動態(tài)特性分析與統(tǒng)計。經(jīng)過測試，輸出聲源信號的強度在前鼻孔為100 dB SPL。本研究選擇該強度是由于輸出聲源強度必須足夠強，才能經(jīng)過傳導(dǎo)后被外耳道內(nèi)的微型傳聲器探測到聲強的變化，但又不能太強，因為雖然前鼻孔的揚聲器和外耳道的微型傳聲器都有吸音記憶棉適配器包裹，能夠有效隔音，但是太強的聲源信號會導(dǎo)致漏音過強，被外耳道內(nèi)的微型傳聲器探測到，造成干擾；且近幾年的文獻中，也多選用90～105 dB SPL的輸出聲強[14，15]。本研究所用咽鼓管功能聲測系統(tǒng)的建立基本參照以往文獻所述，由于咽鼓管功能聲測法的提出至今已有數(shù)十年，無受試者不良反應(yīng)報道，故本研究未作安全性評測。前鼻孔輸出端揚聲器采用IEC711標準的人工耳進選擇頻寬20～20 000 Hz的頻響校準，接收端外耳道微型傳聲器利用標準麥克風在20～20 000 Hz相應(yīng)頻率上對同一聲源的頻響差異進行補償校準。

圖1 咽鼓管功能聲測法原理示意圖

1.3咽鼓管功能聲測方法

1.3.1靜態(tài)測試 用時長8秒反復(fù)循環(huán)8次的1～8 kHz線性掃頻信號作為測試聲源，對31例受試者(31個左耳)進行靜態(tài)測試，統(tǒng)計靜態(tài)情況下同側(cè)鼻腔至外耳道聲傳導(dǎo)各頻點相應(yīng)衰減分貝數(shù)，分析比較各頻段聲傳遞系數(shù)的穩(wěn)定一致性，以初步尋找適合的聲源信號頻率區(qū)間。

1.3.2白噪聲測試 參照以往聲測法所采用的聲源信號主要類型，分別用時長10秒、頻率為7～9 kHz的窄帶白噪聲、2～20 kHz及1～8 kHz的寬帶白噪聲作為測試聲源，對31例受試者(左耳)進行測試。三組白噪聲播放中間有10秒間隔，在間隔期受試者完成2個吞咽動作；統(tǒng)計每位受試者靜態(tài)下所接收的三組不同帶寬測試白噪聲的相對聲功率級，以及每次空歇期間吞咽所致沖擊噪聲在3組相應(yīng)頻段的最大聲功率級，以分析白噪聲從單側(cè)鼻腔至外耳道傳導(dǎo)的聲級衰減統(tǒng)計特性，并與吞咽噪聲作對比。為了明確吞咽動作的發(fā)生時刻，通過計算每128/3 000秒?yún)^(qū)間內(nèi)6～10 kHz頻帶上平均聲功率級的方法來定位每次吞咽動作伴隨的沖擊聲信號最強時刻，并在之后的數(shù)據(jù)分析中以此作為吞咽標志參考點。

2 結(jié)果

2.1吞咽信號頻譜分析結(jié)果 本研究用純音線譜作為測試聲源配合吞咽動作進行測試，從Adobe Audition CS6軟件圖上可以看出，伴隨95%以上的有效吞咽動作外耳道所測得聲信號的時頻圖中會同步出現(xiàn)一種短時寬頻沖擊聲信號(圖2)，本研究利用MATLAB程序?qū)@部分實驗信號做短時傅里葉分析，對其聲功率的時間-頻譜三維分布圖進行觀察，可見，吞咽動作是非常明確的貫穿1～10 kHz的強沖擊信號，形似“一堵墻”(圖3)。

圖3 純音聲源分段測試中測得聲信號MATLAB三維時頻圖 吞咽同步伴隨一條短時寬頻沖擊聲信號,第四段測試聲信號顯示該區(qū)間內(nèi)無吞咽動作發(fā)生。圖中三維坐標軸分別是聲強、時間、頻率

2.2靜態(tài)測試結(jié)果 同側(cè)鼻腔傳入不同頻率聲波，傳導(dǎo)至外耳道的聲信號衰減及穩(wěn)定程度區(qū)別較大。從信號的時頻分布圖上可以看出，測試中常規(guī)的設(shè)備機械噪聲(比如散熱風扇噪聲)和人體生理噪聲(如耳道附近顳淺動脈搏動聲)成分主要分布于較低頻率(圖4)，3 kHz以下的頻段相對易受環(huán)境噪聲干擾，不適宜作為測試聲源；通過對同側(cè)鼻腔至外耳道聲傳導(dǎo)各頻點相應(yīng)衰減分貝數(shù)的統(tǒng)計(圖5)，可見6.3～8 kHz頻帶區(qū)間的標準差較大，部分受試者該區(qū)間內(nèi)相當多頻率對應(yīng)的靜態(tài)聲傳導(dǎo)衰減聲級，前后幾次周期間的差異高于5 dB，反映了測試聲信號于該頻段的傳導(dǎo)穩(wěn)定性差；由此可見，3～6 kHz是較適宜的備選聲源頻段。

圖4 Adobe Audition 1～8 kHz掃頻信號頻譜圖 從圖中可以看出測試中環(huán)境噪聲干擾主要分布在3 kHz以下頻帶

2.3結(jié)合吞咽動作檢驗既往研究中寬頻和窄帶白噪聲作為測試聲源的合理性 31例受試者左耳測試結(jié)果如圖6所示，由于音頻固有特性，聲信號各頻段成分隨頻率提升在傳導(dǎo)過程中更易衰減，導(dǎo)致傳入外耳道的高頻信號減弱明顯，使按頻譜區(qū)間均分的白噪聲能量很大程度上被無效損耗；而在2.5 kHz以下，如：顳淺動脈搏動的生理噪聲占據(jù)了相當比重，這些因素很大程度上會降低所選用寬帶白噪聲測試的信噪比。另一方面，由于伴隨吞咽的生理噪聲最顯著部分是貫穿1～10 kHz頻帶的短時寬頻沖擊聲，也含大量中高頻成分，因此若依據(jù)傳統(tǒng)聲測法方案，選用白噪聲測試信號在靜態(tài)下的基線作為參考聲級，則須考慮吞咽生理噪聲可能帶來的干擾誤判。本研究計算統(tǒng)計了每位受試者靜態(tài)下所接收的三組不同帶寬測試白噪聲的相對聲功率級，以及每次空歇期間吞咽所致沖擊噪聲在3組相應(yīng)頻段的最大聲功率級，結(jié)果如圖7所示，用7～9 kHz白噪聲測試后，在外耳道內(nèi)所測得聲功率級明顯最低，1～8 kHz白噪聲對應(yīng)聲功率級最高，2～20 kHz白噪聲次之，這是由于三組白噪聲聲信號中低頻成分所占比重不同引起的，高頻白噪聲在靜態(tài)傳導(dǎo)中損耗最多。在白噪聲間歇期，測得吞咽產(chǎn)生的短時沖擊噪聲在對應(yīng)測試白噪聲頻帶上(7～9、1～8、2～20 kHz)的瞬時聲功率級至少超過了測試信號聲功率基線值5 dB以上。

3 討論

1978年Virtanen首次用1～20 kHz的聲波對咽鼓管功能進行檢測，提出吞咽時生理噪聲頻率范圍在100～2 000 Hz，該頻段的生理噪聲會和相同頻率的測試聲波產(chǎn)生共鳴-反共鳴(相干)現(xiàn)象;基于以上理論分析，作者提出最適合進行咽鼓管開放的測試聲頻率在6～8 kHz，當吞咽時外耳道收錄的測試頻率聲信號的聲功率級上升超過5 dB時，定義為咽鼓管開放。該套實驗方法成為之后許多研究的標準，并沿用至今[16]。然而，本研究發(fā)現(xiàn)，伴隨95%以上的有效吞咽動作，外耳道所測得聲信號時頻圖中會同步出現(xiàn)一種短時寬頻沖擊聲信號，貫穿1～10 kHz。吞咽動作并不如文獻中所述是3 kHz以下的低頻噪聲，因此，既往研究中使用7～8 kHz高頻信號作為聲源信號可能并不能很好地避免吞咽噪聲造成的干擾，不一定是最為合適的聲源信號。本研究用1～8 kHz線性周期掃頻信號對31例受試者進行靜態(tài)測試發(fā)現(xiàn)，3 kHz以下的頻段相對易受環(huán)境噪聲干擾，6.3～8 kHz頻帶多次測試周期結(jié)果的標準差較大，部分受試者在該頻段內(nèi)有多個頻率點在前后幾次測試周期間聲傳導(dǎo)衰減聲級的差異高于5 dB，說明6.3～8 kHz頻帶聲信號傳導(dǎo)穩(wěn)定性差，如果選用該頻段作為聲源信號，當吞咽時外耳道收錄的測試頻率聲信號的聲功率級上升超過5 dB時，將無法判斷聲功率級變化究竟是由有效咽鼓管開放引起的還是由于傳導(dǎo)穩(wěn)定性差本身導(dǎo)致的波動引起的。根據(jù)以上研究結(jié)果，本研究認為7～8 kHz高頻信號并不一定是最為合適的聲源信號頻段，而中頻段3～6 kHz既可以規(guī)避測試時設(shè)備噪聲和人體生理噪聲，穩(wěn)定性又相對較高，是較適宜的聲源頻段。但是，本研究僅僅在正常成年人中做了靜態(tài)測試，而且樣本量較小，本研究結(jié)果尚需要增加測試樣本量，并進一步在咽鼓管功能障礙和分泌性中耳炎患者中測試驗證。

圖5 MATLAB繪制周期性掃頻聲源信號對應(yīng)穩(wěn)態(tài)聲傳導(dǎo)測試的頻率響應(yīng)曲線 如圖所見,對同一受試者反復(fù)八個周期的掃頻信號測試發(fā)現(xiàn),6.5 kHz以上頻帶區(qū)間多次掃頻所得的頻響曲線間偏差較大,聲信號傳導(dǎo)穩(wěn)定性較差。N代表測試周期

圖6 用頻率為7～9 kHz的窄帶白噪聲、2～20 kHz以及 1～8 kHz的寬帶白噪聲進行測試頻圖 環(huán)境噪聲多集中在3 kHz以,而吞咽信號為短時寬頻信號,貫穿1～10 kHz,與白噪聲有廣泛的頻率重疊

圖7 三組不同帶寬測試白噪聲的相對聲功率級,以及每次空歇期間吞咽所致沖擊噪聲在3組相應(yīng)頻段的最大聲功率級 7～9 kHz白噪聲對應(yīng)的測試信號聲功率級明顯最低,1～8 kHz白噪聲對應(yīng)聲功率級最高,2～20 kHz白噪聲次之。吞咽產(chǎn)生的短時沖擊噪聲在對應(yīng)聲源頻帶上的聲功率級至少超過了白噪聲基線值5 dB以上

寬頻白噪聲和相對窄帶白噪聲也是既往研究中較為多見的測試聲源信號。本研究選取了三組文獻中提到過的白噪聲信號結(jié)合吞咽動作進行咽鼓管功能聲測法測試，結(jié)果顯示，由于吞咽信號是一種短時寬頻信號，貫穿1～10 kHz，因而，白噪聲特別是寬頻白噪聲由于信號能量分散，在很多頻段上與吞咽噪聲信號重疊，極易受到干擾；當咽鼓管開放時，很難將聲源白噪聲信號的強度改變和吞咽造成的干擾分辨開；且本研究測得吞咽產(chǎn)生的短時沖擊噪聲在對應(yīng)測試白噪聲頻帶上(7～9 kHz、1～8 kHz、2～20 kHz)的瞬時聲功率級至少超過了測試信號聲功率基線值5 dB以上，因此，當吞咽動作發(fā)生時，白噪聲聲源信號的聲功率級有5 dB的波動究竟是由咽鼓管開放引起的還是吞咽動作本身相應(yīng)頻段噪聲引起的很難分辨。白噪聲可能并非理想的聲源信號，又或者說，聲源信號聲功率級5 dB的波動不是一個合適的咽鼓管開放的判斷標準，需要進一步設(shè)計實驗來找到合適的判斷標準。

本研究對吞咽中心時刻對應(yīng)的聲學(xué)特征進行了標定，這同樣是很有意義的。應(yīng)用咽鼓管功能聲測法來檢測咽鼓管是否開放時，數(shù)據(jù)分析的要點就是要能對聲源信號的時域聲功率級變化進行跟蹤提取和定量統(tǒng)計分析。因為聲源信號的聲功率級變化發(fā)生在吞咽動作之后，那么，明確吞咽動作發(fā)生的時刻對數(shù)據(jù)分析至關(guān)重要。然而，既往相關(guān)研究中，對吞咽時刻的定義有些是通過肌電圖變化來同步表示，更多的則模糊未明確定義。本研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境干擾噪聲基本集中在3 kHz以下，合適的聲源信號頻帶會選擇在3～6 kHz之間，而吞咽動作是貫穿1～10 kHz的短時寬頻信號，那么，在進行咽鼓管功能聲測法測試時，外耳道內(nèi)收集到的聲信號中6 kHz以上頻段短時間內(nèi)能量非常集中的升高只可能由吞咽動作產(chǎn)生；所以，本研究提出通過計算每128/3 000秒?yún)^(qū)間內(nèi)6～10 kHz頻帶上平均聲功率級的方法來定位每次吞咽動作伴隨的沖擊聲信號最強時刻，以此作為中心時刻來對聲源信號的時域聲功率級變化進行提取和定量統(tǒng)計分析。本研究中對吞咽中心時刻的定義在文獻中未曾提及，認為對吞咽中心時刻對應(yīng)的聲學(xué)特征標定是非常重要的，不僅關(guān)系到本研究中對聲功率級變化進行提取分析，同時，也關(guān)系到今后進一步開發(fā)機器學(xué)習模型時以此來自動識別吞咽動作的發(fā)生；特別對于低齡兒童，無法根據(jù)指令完成吞咽動作時，只能依靠喝水來促使吞咽發(fā)生，這種沒有規(guī)律的不定時的吞咽動作需要通過對聲學(xué)特征數(shù)據(jù)的機器學(xué)習來進行有效識別分類，而此類分頻段短時聲功率級的時域變化正是一種所需的聲學(xué)特征。

綜上所述，采用7～8 kHz作為聲源信號傳導(dǎo)穩(wěn)定性較差，采用寬頻和相對窄帶白噪聲信號易受吞咽噪聲干擾影響判斷；咽鼓管功能聲測法聲源信號較為合適的測試聲源頻段為3～6 kHz中頻；本研究對吞咽動作最強時刻進行了定義，為下一步改良咽鼓管功能聲測法奠定了基礎(chǔ)。本研究下一步將設(shè)計實驗在3～6 kHz頻率區(qū)間內(nèi)進一步找到最為合理的測試頻率，并且，既往研究中通常采用外耳道聲信號強度上升5 dB的簡單量化指標來作為咽鼓管開放的依據(jù)，由于個體間的差異性和生理活動的非穩(wěn)態(tài)特點，這樣的評判指標很可能魯棒性(robust的音譯，健壯和強壯的意思，它也是在異常和危險情況下系統(tǒng)生存的能力。)不夠，下一步也將對咽鼓管開放的依據(jù)指標進行分析探索。此外，增加樣本量以及進一步在咽鼓管功能障礙和分泌性中耳炎患者中測試驗證也是需要的。