耳声发射
一、 概述 1、 传统观点认为,耳蜗是一种机械—生物电换能器。 2、共振学说 Helmholtz于1857~1863年间根据有关基底膜组织学知识提出,基本观点:(1)在耳蜗内对声音频率进行机械性分析;(2)基底膜横行纤维是产生共振的结构;(3)对一定声频,基底膜相应部位的横行纤维振动最明显,振幅最高。
3、行波学说 Békésy于60年代提出,耳蜗基底膜在受到声音刺激后耳后基底膜呈行波方式振动,而不是某一局部的共振活动,指出不同频率的振动在基底膜上有各自相应的调谐点。 但这些学说无法很好的解释近代研究发现。
(1) 蜗神经水平的AP调谐曲线的敏锐度与高级听核系统的调
谐特性相近(以往一直认为听觉效率是中枢对听觉信号进行多次加工、分析的结果)。
(2) 良好的频率分辨率。可感受20~20000 Hz的声音,在0.5~4
kHz频率分辨率为0.3%。
(3) 在1000 Hz人耳可以听到引起鼓膜振动幅度仅相当于质子
直径大小,可感受强度相差120 dB(100万倍)。
仅从耳蜗结构的物理特性(基底膜、柯替器、毛细胞的频率定位分布),单纯被动的机械调谐不能使初级神经元具有如此敏锐的调谐特性。
1948年,Gold提出在耳蜗中可能存在一种与机械—生物电转换过程相匹配的逆过程,即生物电—机械能的转换过程,通过正反馈作用特性,以加强基底膜的运动,从而使耳蜗调谐特性变得更为精细,并认为可在外耳道中记录到这种活动信号。
1971年,Rhode报告了基底膜运动的非线性特性,提出耳蜗可能存在主动增益控制机制。
1978年,Kemp用耳机/传声器组合探头,使用短声作为瞬态声刺激信号,发现所记录到的耳道声场信号中除刺激声信号外,还有一延迟数毫秒出现,持续20毫秒的另一声信号,从其强度和潜伏期看,这一机械能量不可能来源于刺激信号,必定来自耳蜗的某种耗能过程,应该是耳蜗耗能的主动活动产生,将其称为耳声发射(Otoacousitc emission,OAE)。耳声发射的发现,为耳蜗内主动机制的存在提供了直接证据,使人们对耳蜗功能的认识发生了根本性变化,因此是听觉生理近20年来的重要进展之一。
经过大量研究证明,多数学者认为这种振动的能量来源于外毛细胞,其活动使基底膜发生某种形式的振动,通过内耳淋巴的压力变化形成传导,通过卵园窗、听骨链及鼓膜振动,释放在外耳道中。实际上是声音传入内耳的逆过程。 二、耳声发射的定义及分类
1、定义 Kemp(1986)对耳声发射定义为:产生于耳蜗,经听骨链和鼓膜传导并释放到外耳道的音频能量。 2、OAE的分类
1
(1)自发性耳声发射(spontaneous otoacoustic emission,SOAE)在没有任何外界刺激的情况下发生的声能释放。
(2)诱发性耳声发射(evoked otoacoustic emission,EOAE)在不同的外界刺激的条件下产生的声能释放。 A、 瞬态诱发耳声发射(transiently evoked otoacoustic emission,TEOAE),给的是短 声、短纯音或短音。
B、 畸变产物耳声发射(distortion product otoacoustic emission,DPOAE),同时给予
两个具有一定的频比关系(f1和f2,且f1 D、电诱发耳声发射(electrically evoked otoacoustic emission,EEOAE),是利用埋植在耳蜗周围的电极向耳蜗内输入电刺激,由耦合在外耳道内的微间器探头记录到OAE信号。 三、耳声发射的产生机制 耳声发射的发生机制尚未完全阐明,一般认为,耳声发射的发生与耳蜗外毛细胞的主动运动有关,是耳蜗主动释能的结果。 Kemp发现OAE后,曾遭受众多质疑,首先Wilson(1984年)提出OAE可能只是中耳活动所造成的一种赝像(artifact),所以当时大量试验都是针对这一质疑,试图证明OAE是一种源于耳蜗的声音能量。在一个阻尼系统中,如果输入/输出能量相等,即说明该系统中有主动能量来克服阻尼,据计算,耳蜗中特性频率处基底膜上行波的振幅可以是被动耳蜗模型的100倍,即主动机制使行波振收到增加了40 dB(Kemp,1986),从而认为耳蜗是能量补充的来源。现在这一观点已被论证并得到广泛认同。 OAE源于耳蜗的证据: 1、OAE的反应阈可低于主观听阈,可认为是一种神经前反应,而且与突触传递无关,用化学制剂阻断或切断第VIII颅神经,在不能测出声刺激引出的神经反应时,仍可记录到OAE)。 2、 OAE反应具有非线性,由此可排除OAE是由中耳活动引起的假说。 3、 OAE不受刺激率改变的影响,与神经反应不同。 4、 诱发性OAE有频率离散现象,即发射声的频率越高,潜伏期越短。 5、外来刺激对SOAE或EOAE均有压抑或掩蔽作用,而且压抑或掩蔽的效果取决于OAE的频率,即只有当外来声刺激的频率等于或接近OAE的频率时,压抑或掩蔽效果才最明显。 6、多种影响耳蜗代谢的因素均可对OAE产生影响,实验发现,噪声性及耳毒性听力损伤,缺氧之动物模型无OAE,阿斯匹林所致 2 的暂时性听力损失的OAE也暂时消失,停药后恢复,阿斯匹林同时对TEOAE和SFOAE也有影响,但对DPOAE的影响相对较小。 7、耳蜗性损害时,听力损失在40 ~ 50 dB以上的频率区OAE消失,而在听阈正常频率仍可引出。 至于耳蜗主动释能的机理,Kemp(1978)认为在一个耗能系统中输入能量和输出能量相等,说明在输出能量的产生过程中有能量的补充,这种能量的输出说明耳蜗内存在着主动机制,很可能是外毛细胞的主动活动。Kemp指出,(1)基底膜可由于各种原因而致其机械阻抗在某些部位不均匀,当行波通过时,部分能量可由该处发生折返,逆向传向镫骨底板,经听骨链,骨膜传向外耳道而形成OAE。造成基底膜机械阻抗“不均匀”的原因很多,可以是解剖上的,也可以是功能上的。 基底膜的主动反馈机制 机制A,该机制对本段基底膜呈正反馈效应,而对邻近基底膜表现为负反馈。 机制B,典型的直接正反馈机制:一为放大,二为有利于基底膜的精细调谐,部分能量经由基底膜,听骨链及鼓膜释放出来,从而产生OAE。 SOAE的发生是由外毛细胞的自身激活作用诱发的。耳蜗内部分功能较强的外毛细胞平时存在轻微的自激,释能作用,少量释出的能量从耳蜗向外耳道逸出时,受到镫骨底板的阻抗匹配作用的阻抗而折回耳蜗,这种向内折回的能量刺激耳蜗产生二次行波,行成基底膜振动—毛细胞收缩释能的正反馈过程,当耳蜗内生成的能量达到一定强度,便逸出到外耳道,生成SOAE。 对DPOAE的产生机制,目前尚缺乏透彻的解释。DPOAE或是只在基底膜产生,即两个基频的几何均数,或是取决于基底膜不同点上所产生机械波的交互作用。最近试验已证实,电刺激交叉橄榄耳蜗束,可改变豚鼠DPOAE的幅值,因为大部分交叉橄榄耳蜗束纤维的传出终末附着在外毛细胞的底端,这点支持OHC是OAE来源之一的说法,当同时受到两个不同频率的纯音作用时,由于耳蜗的非线性调制作用,两个原始音在基底膜上一定部位以特定形式相互作用,可使行波在基底膜上一定部位处运行发生障碍,引起一定频率能量的逆行折返,形成调制畸变产物耳声发射。 四、 耳声发射的基本特征 共同特点 1、 非线性 当刺激声强度增加,EOAE出现非线性饱和。 2、 锁相性 OAE的相位取决于刺激信号的相位,并跟随刺激声相位的变化而发生固定的相位变化。 3、 可重复性和稳定性 (一) 自发性耳声发射(SOAE) SOAE是耳蜗的一种生理现象,来自微音器的时域模拟信号被转化为数字信号再经数学运算(快速傅立叶变换)转变为频域信号(功率谱)加以显示。 1、 检出率 3 SOAE可在大约1/3-1/2的正常听力人群中检出 Schloch 1983 34% Frick 1988 26% Bright 1986 43% Bonfils 1989 35% Rebillard 1987 19% 若一耳出现SOAE,则另一耳出现SOAE的机率增加1倍。SOAE的检测与测试系统的灵敏率及环境噪声有一定关系。 2、 性别及年龄对SOAE的影响(Cenfer and age diffreces) Zurek(1981)~Lonsbury-Martin(1990)年陆续报道:女性SOAE的检出率(52%)显著高于男性(30%),最初认为是由于男性较多地暴露于噪声所致,但Strickland(1985)在婴儿及儿童中也发现存在同样差异,因此以上解释并不成立。Lonsbury-Martin(1988)推测:女性耳蜗的体积相对较小,其OHC的排列更不规则,从而更容易产生SOAE。 在婴儿、儿童及青年人中,SOAE与年龄无关,但当年龄>50岁时SOAE的检出率明显下降。 3、 反应幅值 典型SOAE的反应幅值在-10~20 dB SPL之间,极少超过20 dB SPL。可能的解释:自身限制饱和机制(self-limiting saturation mechanism)抑制了高水平SOAE的发生(Zwicker,1979,1986)。SOAE的发生频率稳定,但振幅在不同时间的变异很大,可达30 dB SPL。 4、 频率 SOAE典型的频率范围位于0.5~6 kHz,表现为高于本底噪声的多个窄带峰,可以包含一种频率成份,也可以包含多个频率成份,最多见于1~2 kHz,且频率高度稳定。可能的解释:中耳对1~2 kHz频段的传输效能最佳。 Rebillard 1987年曾报道位于9 kHz的SOAE。 Kamal报道频率有人群区域性差异,如东方人:3 kHz;高加索人:1.5 kHz,另外,婴儿的SOAE频率范围:2~7 kHz。 5、 临床意义 目前SOAE的生理及临床意义尚未明了,可能部分SOAE与耳鸣有关。 (二) 瞬态诱发耳声发射(TEOAE) TEOAE是在短时程声刺激(短声或短音)后4~15 ms记录到的散频声反应。 自1978年Kemp报道了耳声发射以来,TEOAE的命名开始并不统一,曾使用过的命名有以下几种:(1)刺激性耳声发射(Stimulate acoustic emissions,Kemp,1978);(2)诱发性耳蜗机械反应(evoked cochlear mechanical response,Kemp 1979);(3)耳蜗回声或回声(Cochlear echoes or echoes,Kemp1980,1982),Kemp echoes;(4)延迟诱发耳声发射(Delayed evoked otoacoustic emissions,Zwriker 1983)。 对延迟诱发耳声发射这一命名,认为不准确,因为除SOAE外, 4 其它几种耳声发射都是在刺激声之后经过一定潜伏期发生的,而至于“echoes”则为错误命名,因为TEOAE并非一种“回声”,而是耳蜗主动释能的结果。 1、 记录方法 最初的记录设备为各实验室自行制备,由耳机、传声器等连接一台信息处理仪组成。1988年,Kemp等设计出ILO-88型耳动态分析仪,由于其操作简便,并拥有良好的伪迹消除系统,很快为许多实验室所采用。此外,还有POEMS系统,Madsen的Celesta 503,Capella耳声发射分析仪等。TEOAE对测试环境没有十分严格的要求,一般只需要安静的、噪声强度45~50 dB(A)的环境中即可。刺激声多采用疏波短声,脉冲宽度80~100 us,以80us常用,刺激声强度多用80 dB peSPL,范围60~90 dB peSPL。一般采用“3+1”的非线性给声方式,叠加次数150~2048次不等,扫描时间一般为20 ms,扫描延时2.5~5 ms。首先将探头塞入外耳道,然后进行探头校准,调节探头位置,达到要求后即可开始测试。 消除非耳声发射的伪迹 (1) 提高探头质量,提高时间响应特性和频率响应特性 (2) 探头与外耳道耦合良好 (3) 采用门控或延迟触发 去除记录开始数毫秒的强刺激伪迹 (3~5 ms) (4) 带通滤波 (5) 利用TEOAE的锁相性和非线性特性进行加减处理 (6) “3+1”的给声方式 2、 鉴别标准 最初由各实验室自行制备的记录设备,其鉴别标准主要包括:(1)波形的可重复性;(2)高强度刺激时的非线性饱和;(3)反应出现于特定的频率范围,如0.5~3.5 kHz,并具有频率离散现象。现在TEOAE的鉴别方法主要有以下几种: (1)专家评定 由专业人员对TEOAE的反应频谱图,波形相关率,反应幅值及本底噪声等几个方面综合分析后进行评定,Salomon 等认为这是目前最为可靠的鉴别方式。 (2)根据TEOAE反应的信噪比 不同检测系统对信噪比的设置不同,ILO-88型耳动态分析多要求信噪比≥3 dB,POEMS系统要求Fsp≥2,Celesta 503要求反应幅值超出本底噪声1SD。 (3)根据波形总相关率 许多作者认为波形总相关率>50%即表示TEOAE存在,Kop等在对波形总相关率与专家评定结果对照后得出结论,50%是鉴别TEOAE存在与否的安全指标,但也有部分作者认为这一标准偏低,Levi等和Lafreniere等均选择70%以完全排除伪迹的可能。 3、 TEOAE的基本特征 (1) 检出率 在正常听力成人中,TEOAE的检出率可接近或达到100%。由于鉴别标准并不统一,各方统计结果有一定差异。在正常新生儿中,有 5
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