抑制准则值对刺激频率耳声发射抑制调谐曲线调谐特性的影响
王瑶, 宫琴
清华大学 医学院, 生物医学工程系,北京 100084
通讯作者:宫琴, 副教授, E-mail:gongqin@mail.tsinghua.edu.cn

作者简介: 王瑶(1988—), 女(汉), 吉林, 博士研究生。

摘要

为了研究不同抑制准则值对刺激频率耳声发射抑制调谐曲线(stimulus frequency otoacoustic emission suppression tuning curves, SFOAE STCs)调谐特性的影响,该文测试了10名听力正常受试者在1、 2、 4kHz中心频率下,不同抑制准则值的SFOAE STCs, 并提取其特征参数: 调谐曲线品质因数( Q10)、 10dB带宽(BW10)、 顶点纵坐标偏移量等,运用统计学方差分析(analysis of variance, ANOVA)的方法进行抑制准则值对SFOAE STCs的特征参数的显著性水平分析。结果表明: 抑制准则值对SFOAE STCs调谐特性无显著影响,但是,随着抑制准则值的增大, SFOAE STCs更为尖锐,即其调谐特性更为敏锐。

关键词: 抑制准则值; 调谐特性; 品质因数( Q10); 10dB带宽(BW10); 刺激频率耳声发射抑制调谐曲线(SFOAE STCs)
中图分类号:R318.04 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2015)01-0128-06
Effect of suppression criterion on the tuning characteristics of stimulus frequency otoacoustic emission suppression tuning curves
Yao WANG, Qin GONG
Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract

The effect of the suppression criterion on the tuning characteristic of stimulus frequency otoacoustic emission suppression tuning curves (SFOAE STCs) was studied for various suppression criteria of 1, 2, 4 kHz center frequencies with 10 normal hearing subjects. Characteristic parameters, such as quality factor ( Q10)、10 dB bandwidth (BW10) and the level of tip, were extracted to evaluate the effect of the suppression criterion on the characteristic parameters using the analysis of variance (ANOVA). The significance of the characteristic parameters of the SFOAE STCs for the different suppression criteria with the 10 subjects shows that the suppression criteria have no significant effect on the SFOAE STCs tuning characteristic. However, the SFOAE STCs are more sharply tuned with larger suppression criteria.

Keyword: suppression criterion; tuning characteristic; quality factor ( Q10); 10 dB bandwidth (BW10); stimulus frequency otoacoustic emission suppression tuning curves (SFOAE STCs)

刺激频率耳声发射( stimulus frequency otoacoustic emissions, SFOAEs)是在持续的、单一频率纯音刺激下产生的同一频率的耳声发射[1]。对于听力正常以及中度听力障碍的受试者, SFOAEs能够在很宽的频率范围内被诱发。由于刺激频率耳声发射的抑制调谐曲线( suppression tuning curves, STCs)[2]的检测方法基于抑制声,采用一种类似于同步掩蔽[3]的测试模式,因此是一种与心理物理调谐曲线( psychophysical tuning curves, PTCs)这种行为学测试最密切相关的测试方法。

Kemp Chum在1980年研究 SFOAEs的信号特点时,某受试者的实验结果显示刺激频率耳声发射抑制调谐曲线( stimulus frequency otoacoustic emission suppression tuning curves, SFOAE STCs)与 PTCs在整体形状上有较好的相似性[4],因此首次预测 SFOAE STCs存在对听觉系统频率选择特性进行客观评测的潜在可能性,但这一预言一直未引起足够的注意。 Siegel等给出了在9 kHz刺激频率下, 1只南美栗鼠的 SFOAE STCs曲线[5],该曲线显示了与 Ruggero教授在2008年研究的南美栗鼠神经元调谐曲线的相似性[6] Keefe等在2008年通过对人耳双音抑制下的 SFOAEs的特性研究预测: 双音抑制下的 SFOAEs与依赖强度和频率的同步掩蔽的行为学结果相似[7] Cheatham等在2011年对小鼠的最新研究中指出[8]: SFOAE STCs提供了内毛细胞受刺激和听神经兴奋前的信号处理信息。 Charaziak等在2013年通过对10名听力正常受试者的 SFOAE STCs PTCs的特征参数进行对比研究,推断 SFOAE STCs在整体水平上可对听觉系统频率选择特性进行客观评估,但是在个体水平上差异较大[9]。总体来说, SFOAE STCs对于听觉系统的客观研究具有重要意义。

本研究中, SFOAEs的提取方法在 Brass Kemp于1991年提出的双音抑制提取原理的基础上进行了改进[10],在同样的刺激声频率与强度以及抑制声强度下,抑制声频率不同则抑制效果也不同。对于不同频率的抑制声,达到相同的抑制效果所需的抑制强度也不同。由于 SFOAE STCs的相关检测是客观检测而非 PTCs这种主观检测,所以无法通过由受试者进行主观反馈以确认刚好达到完全抑制(掩蔽)效果。因此,在进行 SFOAE STCs检测的时候,需要通过一定的抑制准则值来确定是“相同的抑制效果”。抑制准则值为相对于受试者所能诱发出 SFOAEs在饱和状态下的强度的衰减程度,常用的抑制准则值有-3、 -6、-10.6 dB, 分别对应相对于饱和状态下诱发的 SFOAEs衰减29.3 %、 50 %、70.7 %

本文为了研究不同抑制准则值对 SFOAE STCs调谐特性的影响,测试10名听力正常受试者在1、 2、 4 kHz中心频率( center frequency, CF)下,不同抑制准则值的 SFOAE STCs, 并提取其特征参数: 品质因数(Q10)、 10 dB带宽( BW10)、 顶点纵坐标偏移量等,运用统计学方差分析( analysis of variance, ANOVA)的方法分析抑制准则值对 SFOAE STCs的特征参数的影响。

1 对象与方法
1.1 受试者

实验对10名听力正常的清华大学在校学生进行单耳测试,其中6名女生、 4名男生。所有受试者听力正常,即: 在250~8000Hz频带范围内的听阈<15dB HL(hearing level), 且无听力疾病病史。所有受试者在实验前均签订了知情同意书,所有测试遵守《医学研究伦理规范》的要求及规定。

1.2 实验流程

图1为SFOAE STCs检测的实验流程图。所有受试者在测试前进行听力筛查,主要包括外耳道检查、纯音测听和自发性耳声发射(spontaneous otoacoustic emissions, SOAEs)检测。外耳道检查和纯音测听在特定医院进行,外耳道检查主要是清除受试者耳道内的耵聍,避免其影响听力; 纯音测听是检测受试者在某些特定频率处的听力阈值,确保所有受试者的听力正常,筛选标准为250~8000Hz频带范围内的听阈不高于15dB HL。SOAEs检测主要是观察受试者在关注的频率附近有无强度较大的SOAEs, 避免SOAEs与SFOAEs产生畸变,影响SFOAEs的结果,从而使得SFOAE STCs的结果受到影响而不具备对比性,无法进行统计学分析。若在1000、 2000、 4000Hz这3个频率附近200Hz的范围内存在较大的SOAEs信号,则该受试者将被筛除。

图1 SFOAE STCs检测的实验流程图

SFOAE精细结构检测反映在中心频率200Hz范围内的不同刺激频率所诱发的SFOAEs的强度,从而确定该范围内能够诱发最大SFOAEs的刺激频率,即最佳频率( fp), 接下来的所有测试的刺激频率均基于最佳频率 fp。其中,刺激强度为50dB SPL(sound pressure level), 抑制频率为刺激频率减去47Hz, 抑制强度为70dB SPL。最佳频率下的纯音测听确认该频率下受试者无听力损失,同时为SFOAE STCs测试中的刺激强度( Lp)提供参考,一般采用在测试结果基础上+10dB SL(sensation level)。SFOAE输入输出功能检测反映最佳频率下的SFOAEs随着刺激声强度变化的关系以及背景噪声结果,从而确保SFOAE STCs提取实验中在3个抑制准则值(-3、 -6、 -10.6dB)下,单个测试点下的SFOAEs仍然能够具有一定的信噪比。SFOAE STCs检测刺激频率为 fp和刺激强度为 Lp的情况下, SFOAEs的强度达到抑制准则值时所需的抑制强度的大小。BW10为调谐曲线顶点以上10dB处的带宽,其从带宽的角度反映了调谐曲线的调谐特性; Q10为BW10与调谐曲线顶点频率的比值,其从品质因数的角度反映了调谐曲线的调谐特性; 顶点纵坐标偏移量为顶点纵坐标与刺激声强度之间的差异,反映一定中心频率的调谐曲线的调谐特性最为敏锐时所需抑制强度的大小。因此,在以上检测的最后,选取 Q10、 BW10、 顶点纵坐标偏移量3个特征参数运用统计学ANOVA的方法分析抑制准则值对SFOAE STCs的调谐特性的影响。

1.3 SFOAE STCs的记录

SFOAE STCs记录的系统框图如图2所示。SFOAE STCs的提取在静音屏蔽室内进行,受试者安静地坐在椅子上,单耳佩戴入耳式耳机(ER-2, Etymotic Research, 美国)。外置声卡(RME fire face 800, 德国)将计算机给出的刺激声和抑制声的数字信号转换为模拟信号,经由微型扬声器转换为声压信号通过声管传送至受试者的单侧耳内。微型麦克风(ER-10B+, Etymotic Research, 美国)和微型扬声器一起内嵌于探头内,放置于受试者的单侧耳中采集耳道中的声压信号。微型麦克风输出的模拟声压信号通过前置放大器放大20dB经由外置声卡转换为数字信号发回计算机进行信号的记录与处理。实验中的刺激声为持续纯音,抑制声为纯音在其开始和结束乘以5ms的Blackman窗。每2个测试之间,受试者可进行5~10min的休息。

2 结果与讨论
2.1 抑制准则值对SFOAE STCs调谐特性的影响

图3为受试者1在不同抑制准则值下的SFOAE STCs。从上至下的3幅图依次代表1、 2、 4kHz 3个中心频率,其中横坐标代表抑制声的频率,纵坐标代表抑制声的强度。曲线由细到粗依次代表抑制准则值由-3dB变化至-10.6dB, 虚线代表原始数据,实线代表拟合数据,五角星代表刺激声强度和刺激声频率。实验中SFOAE STCs的调谐特性用品质因数 Q10来表示,为了更准则的计算品质因数,对SFOAE STCs进行了拟合处理。采用对数频率轴和以分贝(dB)为单位的强度轴下,对调谐曲线拖尾部分、 V型尖端以左低频部分和以右的高频部分进行分段线性拟合,得出调谐曲线原始数据的拟合曲线。将图3中的拟合曲线与原始数据进行对比,可以看出拟合曲线具备原始曲线的趋势,基本能够替代原始曲线进行数据分析。从图3中可以明显看出, SFOAE STCs同PTCs一样能够呈现出较好的V型调谐形态,证明其具有对频率选择特性评估的潜在可能性。无论抑制准则值如何变化,调谐曲线顶点的横坐标总是大于刺激频率,即顶点横坐标存在一定量的偏移。这一结论与Keefe[11]在2007年的研究结果相一致。此外,可以看出,抑制准则值的变化对于SFOAE STCs的形状并无明显影响。

图3 受试者1在不同抑制准则值时的SFOAE STCs

图4为中心频率分别为1、 2、 4kHz时不同抑制准则值下所有受试者SFOAE STCs的 Q10的平均值的变化趋势图。从图中可以看出,随着抑制准则值以及中心频率的增加, SFOAE STCs的 Q10呈现增长趋势,即调谐曲线更为尖锐。此外,在1kHz情况下, Q10呈线性变化;在2kHz情况下,抑制准则值为-6dB和-10.6dB的调谐曲线的 Q10更为接近;在4kHz情况下,抑制准则值为-3dB和-6dB的调谐曲线的 Q10更为接近。

图4 在不同抑制准则值时所有受试者SFOAE STCs的 Q10的平均值的变化趋势图

表1表3分别为中心频率是1、 2、 4kHz时在不同抑制准则值时所有受试者SFOAE STCs的 Q10值。从表中看出对于同一受试者,在不同抑制准则值时的SFOAE STCs的 Q10值十分接近。当中心频率为1kHz情况下, 3个抑制准则值(-3、 -6、 -10.6dB)下SFOAE STCs的 Q10的平均值及标准差分别为(3.0157±0.7464)、 (3.3619±0.8240)、 (3.6958±0.7256), ANOVA分析结果无显著差异( F(2,29) =1.9682, P=0.1592)。当中心频率为2kHz情况下,在3个抑制准则值(-3、 -6、 -10.6dB)时SFOAE STCs的 Q10的平均值及标准差分别为(3.5634±1.2393)、 (4.1383±1.1130)、 (4.2832±1.2366), ANOVA分析结果无显著差异( F(2,29)=1.0102, P=0.3775)。当中心频率为4kHz情况下,在3个抑制准则值(-3、 -6、 -10.6dB)时SFOAE STCs的 Q10的平均值及标准差分别为(4.6547±0.8264)、 (4.7110±0.5980)、 (5.2869±0.7701), ANOVA分析结果无显著差异( F(2,29)=2.2480, P=0.1250)。

表1 中心频率为1kHz时在不同抑制准则值时所有受试者SFOAE STCs的 Q10
表2 中心频率为2kHz时在不同抑制准则值时所有受试者SFOAE STCs的 Q10
表3 中心频率为4kHz时在不同抑制准则值时所有受试者SFOAE STCs的 Q10
2.2 抑制准则值对SFOAE STCs的BW10的影响

图5为中心频率分别为1、 2、 4kHz时在不同抑制准则值时所有受试者SFOAE STCs的BW10的平均值的变化趋势图。从图中可以看出,随着中心频率的增加, SFOAE STCs的BW10呈现增长趋势。此外,在1kHz情况下, SFOAE STCs的BW10随着抑制准则值的增加呈现线性减少的趋势,但是,在 2kHz 和4kHz情况下,随着抑制准则值的增加, SFOAE STCs的变化趋势呈现出不规律性。

图5 在不同抑制准则值时所有受试者SFOAE STCs的BW10的平均值的变化趋势图

当中心频率为1kHz情况下,在3个抑制准则值(-3、 -6、 -10.6dB)时SFOAE STCs的BW10的平均值及标准差分别为(419.5600±81.7162)dB SPL、 (391.1000±77.6666) dB SPL、 (367.6867±77.1948)dB SPL, ANOVA分析结果无显著差异( F(2,29)=1.1570, P=0.3295)。当中心频率为2kHz情况下,在3个抑制准则值(-3、 -6、 -10.6dB)时SFOAE STCs的BW10的平均值及标准差分别为(671.5600±195.8971) dB SPL、 (627.8600±192.6703) dB SPL、 (633.4500±248.8420)dB SPL, ANOVA分析结果无显著差异( F(2,29)=0.1235, P=0.8843)。当中心频率为4kHz情况下,在3个抑制准则值(-3、 -6、 -10.6dB)时SFOAE STCs的BW10的平均值及标准差分别为(976.5800±175.9794)dB SPL、 (990.1500±133.4156) dB SPL、 (929.5200±120.1283)dB SPL, ANOVA分析结果无显著差异( F(2,29)=0.4457, P=0.6450)。总体来说,抑制准则值对SFOAE STCs的BW10无显著影响。

2.3 抑制准则值对SFOAE STCs顶点纵坐标偏移量的影响

图6为中心频率分别为1、 2、 4kHz时在不同抑制准则值时SFOAE STCs的顶点纵坐标的均值与标准差的变化。从图中可以看出,随着抑制准则值的增加, SFOAE STCs的顶点纵坐标呈现明显降低的趋势; 即: 随着抑制准则值的增加,为了达到抑制效果所需的抑制声强度不断减少。但是,刺激声的中心频率的变化对SFOAE STCs的顶点纵坐标几乎无任何影响。此外,当抑制准则值为-3dB时,为了达到抑制效果所需的抑制声强度大于刺激声强度(为了达到较高的信噪比,实验中刺激声强度选取50dB SPL); 当抑制准则值为-6dB和-10.6dB时,为了达到抑制效果所需的抑制声强度均小于刺激声强度。

图6 在不同抑制准则值时SFOAE STCs的顶点纵坐标的均值与标准差的变化

当中心频率为1kHz情况下,在3个抑制准则值(-3、 -6、 -10.6dB)时SFOAE STCs的顶点纵坐标的平均值及标准差分别为(52.03±6.26)dB SPL、 (45.10±5.80)dB SPL、 (37.70±5.76)dB SPL, ANOVA分析结果有显著差异( F(2,29)=14.5395, P<0.05)。当中心频率为2kHz情况下,在3个抑制准则值(-3、 -6、 -10.6dB)时SFOAE STCs的顶点纵坐标的平均值及标准差分别为(52.80±6.51)dB SPL、 (45.8±6.56)dB SPL、 (39.6±6.41)dB SPL, ANOVA分析结果有显著差异( F(2,29)=10.3331, P<0.05)。当中心频率为4kHz情况下,在3个抑制准则值(-3、 -6、 -10.6dB)时SFOAE STCs的顶点纵坐标的平均值及标准差分别为(53.00±6.09) dB SPL、 (47.70±7.30)dB SPL、 (37.5±5.74)dB SPL, ANOVA分析结果有显著差异( F(2,29)=15.0883, P<0.05)。总体来说,抑制准则值对SFOAE STCs的顶点纵坐标有显著性差异。

3 结论

对10名听力正常受试者在1、 2、 4kHz的中心频率下,测试了抑制准则值对SFOAE STCs的特征参数的影响,实验结果表明:

1) 对SFOAE STCs的 Q10无显著影响。随着抑制准则值增大, SFOAE STCs更尖锐。

2) 对SFOAE STCs的BW10无显著影响。

3) 对SFOAE STCs的顶点纵坐标有显著性差异。随着抑制准则值的增加, SFOAE STCs的顶点纵坐标呈现明显降低的趋势。

SFOAE STCs对于听觉系统的客观研究具有重要意义,本研究的统计结果对于在SFOAE STCS的提取实验中抑制准则值的选取具有一定的借鉴意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

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