姜言冰 薛金偉 汪 鑫 孫淑睿 王 程 陳世雄 李光林

1(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院人機(jī)智能協(xié)同系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳 518055)

2(中國(guó)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)

1 引 言

聽(tīng)覺(jué)腦干誘發(fā)電位(Auditory Brainstem Response，ABR)是一種客觀檢測(cè)聽(tīng)力損失的常用方法[1]。通過(guò)給人耳一個(gè)聲音刺激，誘發(fā)聽(tīng)覺(jué)中樞產(chǎn)生一系列的電活動(dòng)，疊加在頭皮上的電位即為 ABR，可以通過(guò)放置在頭皮上的電極進(jìn)行記錄[2-4]。ABR 信號(hào)主要有 5～7 個(gè)明顯的峰，按其形態(tài)可命名為 Jewett 波 Ⅰ～Ⅶ[5]。一般而言，可以根據(jù) Jewett 波的前 5 個(gè)峰 Ⅰ～Ⅴ 的波形形態(tài)來(lái)診斷聽(tīng)覺(jué)通路的健康狀況[6-7]。

目前，臨床上誘發(fā) ABR 的常用刺激聲有短聲、短音和短純音[8-9]。其中，短聲 ABR 被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)方法，在臨床中應(yīng)用最廣泛[10-11]。短聲刺激是一種寬頻信號(hào)，可以分解成不同的頻率成分，其能量主要集中在 2～4 kHz 的頻率范圍內(nèi)[12-13]。當(dāng)短聲傳播到內(nèi)耳時(shí)，耳蝸基底膜受到刺激，耳蝸從蝸尖到蝸底不同部位的毛細(xì)胞對(duì)各頻率成分的刺激敏感程度不同。其中，耳蝸底部對(duì)高頻成分敏感，越往里敏感的成分越低，直至耳蝸尖對(duì)低頻成分敏感[14-15]。所以，耳蝸行波從耳蝸底部移動(dòng)到耳蝸?lái)敹诵枰欢螘r(shí)間，也就是說(shuō)蝸底比蝸尖先興奮。因此，連接耳蝸聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)纖維的不同神經(jīng)單位不會(huì)同時(shí)興奮，導(dǎo)致誘發(fā)出來(lái)的神經(jīng)活動(dòng)相位也不會(huì)同步，最終在頭皮表面疊加時(shí)會(huì)存在局部抵消和衰減[16]的現(xiàn)象。短音和短純音具有頻率特異性，只能檢測(cè)耳蝸特定頻率的聽(tīng)力狀況。如果需要檢測(cè)整個(gè)耳蝸所有的頻率范圍，那么只能盡量采用多個(gè)頻率點(diǎn)的短音或短純音，但這樣檢測(cè)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)地延長(zhǎng)[17]。

綜上可知，刺激聲中的高頻成分刺激耳蝸底部興奮，低頻成分刺激耳蝸尖端興奮，而高頻成分的行波距離比低頻成分近，移動(dòng)速度又比低頻成分快[18]。因此，理論上，如果高頻成分的出現(xiàn)相對(duì)于低頻成分被延遲，那么有可能使得耳蝸不同位置的神經(jīng)單元在同時(shí)被激活，避免不同聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)纖維上神經(jīng)活動(dòng)的不同步，從而可以得到最大幅值的 ABR 波形[16,19]?；谏鲜黾僭O(shè)，本研究設(shè)計(jì)了一種掃頻音刺激，根據(jù)耳蝸基底膜的延遲特性重新調(diào)整不同頻率成分的出現(xiàn)時(shí)間。這將有助于實(shí)現(xiàn)整個(gè)耳蝸基底膜的同步興奮，從而使疊加在頭皮表面的 ABR 達(dá)到最大幅值。

本研究在 de Boer 提出的(線性)基底膜模型[20]的基礎(chǔ)上，構(gòu)建設(shè)計(jì)了一種掃頻音用于誘發(fā)ABR 信號(hào)。為測(cè)試所設(shè)計(jì)的掃頻音在誘發(fā) ABR信號(hào)方面的效果，在不同聲音強(qiáng)度和不同刺激速率對(duì)掃頻 ABR 與傳統(tǒng)的短聲 ABR 波形質(zhì)量進(jìn)行比較。此外，本文還比較了不同疊加次數(shù)下掃頻ABR 和短聲 ABR 的波形質(zhì)量。

2 方 法

2.1 受試者

本研究招募了 5 名年齡在 22～28 歲的受試者(2 名男性、3 名女性)。在測(cè)試之前，對(duì)所有受試者進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)聽(tīng)力圖測(cè)試，且所有受試者在250～8 000 Hz 頻率范圍的聽(tīng)力圖閾值都為 20 dB或更低。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程符合中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院人體實(shí)驗(yàn)倫理道德規(guī)范(審批文件編號(hào)為 SIAT-IRB-180415-H0252)。

2.2 刺激聲

本實(shí)驗(yàn)采用兩種刺激聲：短聲和掃頻音。其中，短聲采用標(biāo)準(zhǔn)的脈寬為 100 μs 的方波脈沖，時(shí)域波形如圖 1(a)所示。本研究設(shè)計(jì)的掃頻音頻率范圍為 200～10 000 Hz、脈寬為 10 ms 的線性調(diào)頻信號(hào)，時(shí)域波形如圖 1(b)所示。為消除刺激聲偽跡，實(shí)驗(yàn)設(shè)置刺激聲極性交替播放[21]。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)使用的采集設(shè)備是 Neuroscan Synamp2，收集數(shù)據(jù)時(shí)受試者在電磁屏蔽室中，而實(shí)驗(yàn)者在屏蔽房外操作。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，受試者坐在屏蔽室的軟椅上(如圖 2 所示)，正電極貼在前額發(fā)際線下正中間、負(fù)電極貼在右耳垂上、右耳給聲音刺激、左耳垂貼電極接地(這 3 個(gè)電極均為普通圓盤電極)。其中，刺激聲由筆記本電腦控制的自制電路板產(chǎn)生，通過(guò)插入式耳機(jī)ER-2 播放提供給右耳，左耳不加掩蔽噪聲。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)操作

圖1 短聲刺激和掃頻音刺激的時(shí)域波形Fig.1 The temporal waveforms of the click and the swept-tone stimuli

圖2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental process

在貼電極之前，實(shí)驗(yàn)操作人員通過(guò)使用酒精棉清潔皮膚，使電極與皮膚之間的阻抗保持在5 kΩ 以下。實(shí)驗(yàn)中，所有受試者均選擇右耳提供刺激，且要求受試者保持安靜、同時(shí)盡可能地保持不動(dòng)。為減少工頻干擾的影響，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)把屏蔽房?jī)?nèi)的照明燈關(guān)掉，并直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，首先選擇刺激聲強(qiáng) 80 dB nHL(normal Hearing Level)、刺激速率 20/s，分別采集短聲ABR 和掃頻音 ABR。然后，將刺激強(qiáng)度降到60 dB nHL，其他參數(shù)保持不變，繼續(xù)采集兩種刺激聲的 ABR 信號(hào)。最后，將刺激速率改為50/s，刺激強(qiáng)度仍為 80 dB nHL，再次采集 ABR信號(hào)。每次采集開(kāi)始直至刺激聲播放至少 3 000次后中止，為一次實(shí)驗(yàn)測(cè)試；每個(gè)刺激條件的測(cè)試重復(fù)兩次，以檢測(cè) ABR 波形的重復(fù)性。

采集設(shè)備 Neuroscan Synamp2的采樣率設(shè)為 20 kHz，濾波器選擇 100～3 000 Hz 的帶通濾波。數(shù)據(jù)采集完成后，使用 EEGLAB 處理原始數(shù)據(jù)(.CNT 文件)[22]。首先，采用 100～1 500 Hz的帶通濾波器再次濾波。然后，將數(shù)據(jù)以刺激聲打標(biāo)點(diǎn)為準(zhǔn)分割成較短的時(shí)間序列，每段 20 ms(以每次刺激開(kāi)始前 5 ms 開(kāi)始，到每次刺激開(kāi)始后 15 ms 結(jié)束)。其中，利用每段的前 5 ms 數(shù)據(jù)進(jìn)行基線校正，并對(duì)各小段進(jìn)行去除偽跡，即在基線校正后的所有小段中，若有小段中包含大于30 μV 或小于－30 μV 的電位，則刪除這樣的小段。最后，使用 MATLAB 對(duì) EEGLAB 處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加取平均處理并繪制 ABR 波形。

3 結(jié) 果

為驗(yàn)證掃頻音誘發(fā)的 ABR 的優(yōu)勢(shì)，本研究比較了 3 種不同條件下掃頻 ABR 和短聲 ABR 的波形，并主要針對(duì) ABR 的波形形態(tài)展開(kāi)分析。需要說(shuō)明的是，以下示例結(jié)果均來(lái)自同一受試者。

3.1 短聲 ABR 與掃頻音 ABR 在不同刺激強(qiáng)度下的波形比較

圖3 所示為掃頻 ABR 與短聲 ABR 在80 dB nHL 和 60 dB nHL 聲強(qiáng)下的波形比較。該波形在 20/s 的刺激速率、3 000 次響應(yīng)疊加獲得。圖 3(a, c)為短聲 ABR 波形圖：在 80 dB nHL時(shí)，其 Ⅲ 和 Ⅴ 波明顯，但 Ⅰ 波幅值較小，不明顯；在 60 dB nHL 時(shí)，波形與 80 dB nHL 時(shí)相似。而從圖 3(b, d)可知，掃頻 ABR 的 Ⅰ、Ⅲ 和Ⅴ 波在 80 和 60 dB nHL 下都是較為清晰的。這表明掃頻 ABR 波形形態(tài)優(yōu)于短聲 ABR。

圖3 短聲 ABR 和掃頻音 ABR 在不同刺激強(qiáng)度下的波形對(duì)比Fig.3 The waveforms of click ABR (a, c) and swept-tone ABR (b, d) obtained at 80 and 60 dB nHL

3.2 短聲 ABR 與掃頻音 ABR 在不同刺激速率下的波形比較

圖4 為短聲 ABR 和掃頻 ABR 在刺激速率為 20/s 和 50/s 時(shí)的波形，此時(shí)采用的聲強(qiáng)都為80 dB nHL、疊加次數(shù)為 3 000 次。從圖 4 可以看出，當(dāng)刺激速率為 20/s 時(shí)，短聲 ABR 和掃頻ABR 的 Ⅰ、Ⅲ 和 Ⅴ 波都比較明顯，但此時(shí)掃頻 ABR 具有更好的波形形態(tài)。當(dāng)刺激速率為 50/s時(shí)，結(jié)果與刺激速率為 20/s 時(shí)的相似。這可以看出現(xiàn)，與短聲 ABR 相比，掃頻 ABR 有更好的分化。

3.3 短聲 ABR 與掃頻音 ABR 在不同疊加次數(shù)下的波形比較

通常情況下，由于 ABR 的振幅很弱，若要獲得 ABR 信號(hào)需要數(shù)千次響應(yīng)疊加平均。圖 5是在刺激強(qiáng)度為 80 dB nHL、刺激速率為 20/s 的條件下獲得的 ABR 波形。其中，圖 5(a, b)中的 ABR 波形為經(jīng)過(guò) 1 500 次響應(yīng)疊加后獲得；圖 5(c, d)中的 ABR 波形為在同一次信號(hào)采集中經(jīng) 3 000 次響應(yīng)疊加后獲得。從圖 5 可以看出，1 500 次響應(yīng)疊加出來(lái)的短聲 ABR 波形質(zhì)量較差，但此時(shí)掃頻 ABR 已具有較明顯的 Ⅰ、Ⅲ 和Ⅴ 波。3 000 次響應(yīng)疊加后，二者的波形質(zhì)量均比 1 500 次疊加出來(lái)的要好，雖然短聲 ABR 波形質(zhì)量已有所提升，但仍較掃頻 ABR 的差?？傊瑹o(wú)論是 1 500 次還是 3 000 次響應(yīng)疊加后，掃頻ABR 的波形形態(tài)都明顯優(yōu)于短聲 ABR。這意味著使用掃頻音作為刺激聲可以更快地誘發(fā) ABR。

4 討 論

圖4 短聲 ABR 和掃頻音 ABR 在不同刺激速率下的波形Fig.4 The waveforms of click ABR (a, c) and swept-tone ABR (b, d) obtained at the rates of 20/s and 50/s

圖5 短聲 ABR 和掃頻音 ABR 在不同疊加次數(shù)下的波形Fig.5 The waveforms of click ABR (a, c) and sweep-tone ABR (b, d) obtained after 1 500 and 3 000 sweeps

目前，臨床上廣泛采用的短聲 ABR 被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)方法，但因短聲能量主要集中在高頻段，故短聲 ABR 主要用于評(píng)估高頻段的聽(tīng)力損失。針對(duì)短聲 ABR 不能使整個(gè)耳蝸基底膜同步興奮的缺點(diǎn)，本研究根據(jù) de Boer 提出的人體耳蝸基底膜行波延遲模型[20]，調(diào)整掃頻音中不同頻率成分的出現(xiàn)時(shí)間，設(shè)計(jì)了一種掃頻音刺激用于誘發(fā)ABR 信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的測(cè)試水平(80 和 60 dB nHL)下，掃頻 ABR 的波形形態(tài)均優(yōu)于傳統(tǒng)的短聲 ABR。同時(shí)，即使改變刺激速率(20/s 和 50/s)，該結(jié)論仍然成立。ABR 信號(hào)的波形在形態(tài)雖然是一個(gè)主觀參數(shù)，但臨床醫(yī)生通常都是觀察 ABR 波形的外觀，即根據(jù)各峰是否存在及幅值大小來(lái)判斷該 ABR 信號(hào)的質(zhì)量[23]。掃頻音誘發(fā)的 ABR 具有更好的波形形態(tài)，有助于臨床醫(yī)生對(duì)患者的聽(tīng)力損失情況作出更準(zhǔn)確的診斷。此外，從圖 3 和圖 4 可以看出，掃頻 ABR的 Ⅰ、Ⅲ 和 Ⅴ 波與短聲 ABR 的 Ⅰ、Ⅲ 和 Ⅴ 波形態(tài)上具有明顯差異。對(duì)該現(xiàn)象的一種可能解釋是，所設(shè)計(jì)的掃頻音可以同時(shí)刺激整個(gè)耳蝸基底膜興奮，可以使所有聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)纖維同時(shí)興奮，從而避免疊加在頭皮表面時(shí)產(chǎn)生不同相而發(fā)生局部抵消。本研究的掃頻音是從頻域的角度構(gòu)建，可以精確調(diào)整每個(gè)頻率成分的相對(duì)幅度，從而簡(jiǎn)化刺激聲強(qiáng)度的校準(zhǔn)過(guò)程。Dau 等[19]曾根據(jù) de Boer提供的耳蝸模型設(shè)計(jì)出了一種 chirp 刺激聲，但他們是從時(shí)域的角度進(jìn)行構(gòu)建 chirp，且他們的短誘發(fā) ABR 與 chirp 誘發(fā) ABR 的對(duì)比效果有限。

本研究的另一個(gè)發(fā)現(xiàn)是，與短聲 ABR 相比，利用所設(shè)計(jì)的掃頻音刺激誘發(fā) ABR 可以比較節(jié)省檢測(cè)時(shí)間，目前尚沒(méi)有研究對(duì)此做出具體的分析。如圖 5 所示，掃頻音刺激誘發(fā)的 ABR在經(jīng)過(guò) 1 500 次響應(yīng)疊加后已經(jīng)有了較好的波形。然而，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，1 500 次響應(yīng)疊加出來(lái)的短聲 ABR 波形質(zhì)量較差。這表明掃頻音誘發(fā)的 ABR 可以出現(xiàn)得更快，從而可以縮短每一次檢測(cè)的時(shí)間。對(duì)此問(wèn)題的解釋是，使用短聲刺激時(shí)不同頻率成分在耳蝸基底膜的到達(dá)時(shí)間是不同步的。因此，這會(huì)導(dǎo)致耳蝸基底膜不同部位的興奮也不同步，從而使得產(chǎn)生的 ABR 相位不同，最終在頭皮表面疊加形成的時(shí)候存在局部抵消，從而減弱 ABR 信號(hào)的幅值。此時(shí)需要整個(gè)耳蝸神經(jīng)單元的同時(shí)激活才會(huì)導(dǎo)致較大的ABR 波。本文提出的掃頻音方法可以通過(guò)將高頻分量相對(duì)于低頻分量延遲出現(xiàn)，從而使所有頻率成分同時(shí)到達(dá)耳蝸基底膜來(lái)解決時(shí)間同步性的不足，最終使掃頻誘發(fā) ABR 的出現(xiàn)速度快于短聲誘發(fā) ABR。

5 小 結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種掃頻音用于誘發(fā) ABR 信號(hào)，并與傳統(tǒng)的短聲 ABR 在不同的條件下進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證該掃頻 ABR 的有效性。在本研究所有刺激條件下觀察到，所設(shè)計(jì)的掃頻 ABR比短聲 ABR 具有更好的波形形態(tài)。其中，良好的 ABR 波形形態(tài)有助于臨床醫(yī)生對(duì)聽(tīng)覺(jué)通路病變的診斷。在下一步的研究中，將通過(guò)招募更多的受試者并考慮設(shè)置更多的聲音強(qiáng)度、刺激速率和響應(yīng)疊加次數(shù)，進(jìn)一步研究所設(shè)計(jì)的掃頻 ABR方法的性能。