成人正常鼓膜振动激光多普勒测振仪检测研究

王杰　赵非　张颖　李永新首都医科大学附属北京同仁医院耳鼻咽喉头颈外科；耳鼻咽喉头颈科学教育部重点实验室（首都医科大学）北京市人工听觉工程技术研究中心（北京0070）中山大学新华学院听力言语科学系（广州5050）英国卡迪夫大学城市大学，言语治疗与听觉科学研究中心（卡迪夫CF5 YB）中国人民解放军6医院临床部耳鼻咽喉头颈外科（北京049）



成人正常鼓膜振动激光多普勒测振仪检测研究

王杰1赵非2张颖3李永新1
1首都医科大学附属北京同仁医院耳鼻咽喉头颈外科；耳鼻咽喉头颈科学教育部重点实验室（首都医科大学）北京市人工听觉工程技术研究中心（北京100730）2中山大学新华学院听力言语科学系（广州510520）英国卡迪夫大学城市大学，言语治疗与听觉科学研究中心（卡迪夫CF5 2YB）3中国人民解放军263医院临床部耳鼻咽喉头颈外科（北京101149）

【摘要】目的利用激光多普勒测振仪检测成人正常鼓膜振动特征。方法于2015年6月至2015年9月间招募成人志愿者，检测鼓膜正常、纯音听阈正常后，应用激光多普勒测振仪检测90 dB SPL纯音刺激条件下鼓膜脐部振动幅度。刺激频率范围为400、800、1000、1500、2000、2500、3000、4000、5000、6000、8000 Hz共11个频率。结果鼓膜脐部振动于400-8000 Hz 11个频率处均可检测到，信噪比大于等于10 dB。鼓膜脐部振动于1000 Hz、3000 Hz处有两个峰值，于6000 Hz处有一个波谷。每耳测试可于十分钟内完成，测试过程中受试者无不适症状，安静状态平静呼吸对测试没有明显影响。结论激光多普勒测振仪可检测到鼓膜细微振动，成人鼓膜振动检测过程简便、无创、快速，为临床中耳传声功能精细化检测提供了依据。

【关键词】鼓膜振动；鼓室成形；气骨导差

1 The Foundation for Clinical Distinctive Application，Capital of China（Z161100000516144）；2The priming scientific research foundation for the senior researcher in Beijing Tongren Hospital，Capital Medical University（2015-YJJ-GGL-015）；3 The Beijing Natural Science Foundation（7142040）

Declaration of interest：The authors report no conflicts of interest.

外界声音传递至外耳道后经鼓膜振动后传递至听骨链，然后经镫骨底板将振动传递至内耳。当中耳病变时，声波经鼓膜-听骨链传递至内耳的振动受损，表现为传导性听力损失。临床常用鼓室成形术清除中耳病变基础上重建中耳传声结构提高听力。

鉴别传导性听力损失是鼓室成形手术重建听力的前提。目前临床常使用无创的颞骨薄层CT检查鼓膜-听骨链连接程度及鼓室腔气化程度，使用纯音测听气骨导差评估听骨链连接状态。如果鼓膜完整，还可使用鼓室图、镫骨肌声反射检测分析中耳传声状态从而反映鼓膜-听骨链连接状态。但对于鼓室成形术后不明原因气骨导差鉴别诊断时，鼓膜不透明、生物力学属性改变等上述常用检测技术难以提供有价值信息时，临床采用有创的鼓室探查术明确气骨导差可能原因［1-2］。

本研究旨在探索鼓膜振动检测技术作为一项精细化中耳传声功能检测手段引入临床应用的可行性，并观察正常值，为临床分析鼓室成形术后不明原因气骨导差形成的可能机制，以及深入认识中耳传声机制提供依据。

1　资料与方法

1.1受试者资料

本研究通过了首都医科大学附属北京同仁医院伦理委员会评审。于2015年6月-9月间，招募青年受试者30名（男：女=12：18，平均年龄27.24岁）。为了避免双耳重复性可能对结果的影响，每位受试者只测试任意一只耳（或自觉听力较好耳）。纳入标准如下：无外中耳疾病史，无上呼吸道急慢性炎症，近一周内无持续强噪声接触史，纯音听阈正常范围（500、1000、2000、4000 Hz每个频率均25 dB HL），鼓膜完整、标志清楚、无急慢性充血且鼓气耳镜检查活动好，鼓室图A型（50 dapa之间）且于500、1000、2000、4000 Hz镫骨肌声反射引出且阈值无升高），愿意接受试验并签署知情同意书。

1.2激光多普勒振动测试

1.2.1检测方法

在安静环境下，符合条件的受试者平卧头转向对侧，受检耳向上。先在显微镜下（Zeiss OP⁃MI-1FC）检查耳道并置入耳镜式耦合器（Polytec），调整显微镜使得耳镜式耦合器、物镜及鼓膜同一轴线，并使得测试光线近乎垂直于鼓膜表面脐部，检测模式图见图1。嘱患者平静呼吸、放松身体并保持头部制动状态。按照顺序给声并记录鼓膜脐部振动测试信号，每个部位重复5次取平均值。测试频率400、800、1000、1500、2000、2500、3000、4000、5000、6000、8000 Hz共11个频率按顺序发声。每个频率刺激时间为1秒，刺激声强度为纯音90 dB SPL。

1.2.2检测仪器

本研究测试系统由刺激声信号发声器、激光多普勒测振仪、信号分析软件、鼓膜表面声压实时检测仪组成。刺激声信号发生器由16位的数字信号处理板定制，经ER 3A（Etymotic）耳机与耳镜耦合器给声。整个给声装置由中国计量科学研究院按照插入式耳机校准后方可使用。激光多普勒测振仪（CLV-2534，Polytec）为单点式测振仪，采用II类氦氖激光对人体无伤害（除长时间直视），速度上限为10 m/s，激光光斑直径为1.5μm能量小于0.1mv。通过适配器安装在显微镜上使用。通过显微镜上的控制器调节测试激光的方向。信号分析软件由Polytec公司提供。采用ER 7（Etymotic）麦克风经耳镜耦合器置于距鼓膜脐部约10mm处，监测鼓膜表面声压，由信号分析软件实时记录。

4.2 饮食指导 由于鼻咽癌照射分布的特殊性，放疗后会出现食物味觉问题、吞咽或咀嚼困难、口干等而引起患者食欲减退、进食少，久之会造成患者营养不良状态，影响患者的治疗和康复［11］。鼻咽癌患者放疗的中期，恶心程度最为严重，因此应指导患者在放疗中期更应注意进食易消化，富含蛋白，高维生素、低脂肪的清淡饮食，多食新鲜水果和蔬菜。避免过冷、过热及辛辣刺激饮食。少量多餐，注意色香味。整个放疗期间应多饮水，每日3 000 mL，以增加尿量，加速毒素排泄，减轻放疗反应;在放疗后期，患者的上述症状会加剧，要遵医嘱给予抗炎和增强免疫力的治疗。

1.2.3数据分析及误差控制

本研究测试点为鼓膜脐部光锥顶端约1mm范围，测试时同时记录鼓膜表面声压与脐部振动幅值。采用鼓膜脐部振动传输函数（同频率振动幅值与记录到的声压比值）表示鼓膜振动特征，单位为mm/s/Pa。采用SPSS 19.0计算各频率均数、标准差，数据处理后绘制频响曲线表示鼓膜在一定频率范围内振动响程度。本研究没有分析鼓膜脐部振动的相位数据。

为了控制实验误差，首先测试光与鼓膜脐部待测点近乎垂直（与垂线夹角小于15度）；其次，调整测试光，降低背景噪声，提高信噪比。分析测试信号时，选区信噪比大于等于10 dB的信号为振动信号；另外，每个测试频率重复5次，取平均值。

图1　激光多普勒振动仪鼓膜振动测试模式图Fig.1 Schematic of measurement of tympanic membrane vibration using laser Doppler vibrometry

2　结果

本研究有男性12耳、女性18耳纳入研究，受试者基本信息及纯音听力水平见表1。完成每耳测试约10分钟（包括必要的解释、准备时间），测试过程中患者无不适。最大输出为90dB SPL持续11秒，对受试者无听力损失危险。

数据处理后，鼓膜脐部振动传输函数曲线见图2。于1000Hz、3000Hz分别有两个峰值，并于6000Hz有一切迹。灰色区域表示每个频率的标准差。

为了验证LDV鼓膜振动测试的可重复性，对其中一名受试者于第一天、第二天、第三天、第六天重复测试4次。如图3所示，重复测试结果与首次测试结果比值接近1，表示重复性较好。

图2　成人正常鼓膜振动测试结果Fig .2 Normative data of the vibration transfer function of adult tympanic membrane at umbo

图3　本研究中鼓膜振动测试重复性评估Fig .3 Repeatability of the measurement of tympanic membrane using laser Doppler vibrometry

3　讨论

本研究旨在利用LDV检测成人正常听力、正常鼓膜振动特征，以鼓膜脐部为观测点，用鼓膜脐部振动传输函数表示鼓膜振动幅值。本研究结果显示鼓膜脐部振动于1000Hz及3000 Hz分别有两个峰值。在中耳有限元模型、颞骨实验测量研究鼓膜振动结果也显示于1000 Hz出现共振峰。如Koike等［8］应用中耳有限元模型进行谐响应分析结果显示正好于1000 Hz处出现共振峰。而Gan［9-10］等应用有限元模型及颞骨实验测量，Jie等［11］应用有限元模型也观察到于1000 Hz左右鼓膜脐部振动出现共振峰。需要注意的是有限元模型计算时，当刺激声直接加载于鼓膜表面时，共振峰出现于1000 Hz左右；当刺激声加载于外耳道口时，于3000 Hz左右再次出现共振峰［11］。本研究中耳镜耦合器末端距离鼓膜约1cm，可能该段外耳道导致3000 Hz出现共振峰。因此，鼓膜脐部振动于1000 Hz及3000 Hz处出现峰值与外耳道及中耳腔共振有关。另外，耳镜耦合器末端距离鼓膜表面较短，导致声能在耳道中传播距离较短，可导致4000 Hz以上声音产生驻波［12］，表现为刺激声能量减弱。如本研究结果中表现为6000 Hz鼓膜脐部振动切迹。

表1　30耳正常鼓膜成人受试者听力水平（dB HL）Table 1 Hearing level（dB）of 30 adult volunteers with normal tympanic membrane

与文献数据［1，3，7，13］比较，如图4所示，本研究结果中各频率鼓膜脐部振动数值在文献发表数据上下限范围之内。但是，文献发表数据与本研究结果的均值在1000Hz以上差别稍大，而1000 Hz以下差别不大。该差异可能是由于测试方法差异所致。如Goode等［3］使用反光片技术增加信噪比，本研究中只利鼓膜脐部的自然反光。Huber等［13］使用的是扫描式激光多普勒测振仪，可以对鼓膜脐部整个区域测试，而本研究只是检测一个点。此外，Jakob［7］等使用的刺激声强度为80-90 dB SPL，本研究使用的按照插入式耳机校准的恒定90 dB SPL刺激声，由于外耳道作用，使得中高频区较文献报道值稍高。样本量也是一个重要因素，本研究仅30耳，后续大样本研究将有可能减小上述差异。虽然有上述差异，但本研究结果与文献报道数据基本一致，且在文献报道数据上下限之内。

图4　本研究结果与文献发表数据比较Fig .4 Comparison of this study with published data

在测试重复性方面，与文献发表数据比较（图5）显示研究可重复性在Whittemore等［1］报道数据的上下限（4dB）之内。但约2000 Hz以下较其均值略低，除了每次测试光与鼓膜表面垂线夹角及测试点有差别之外，还有可能是由于我们测试经验较少导致实验误差所致。

图5　本研究鼓膜振动测试重复性与文献发表结果比较Fig .5 Comparison of the repeatability of this study with published data

受试者年龄可能影响测试结果。本研究平均年龄较Jakob等报道的受试者年龄较小。该作者的测试结果显示年龄介于60-70岁间受试者的鼓膜脐部振动传输函数较青年人略高，而本研究中青年受试者平均值于约2000 Hz以下确实低于Jakob等报道数据，但2000 Hz以上略高。然而，虽然Whittemore［1］等受试者平均年龄也较本研究组年龄稍大，但其平均值反而较本研究结果于1000 Hz以上略低，该差异除了测试方法不同所致外，测试过程中外耳道对鼓膜表面记录到的声压不同也有可能有影响。此外，文献报道数据显示年龄对鼓膜振动速度影响不一致。如Goode［3］等结果显示青年受试者与老年受试者间鼓膜脐部振动速度无明显差异。而Wiley［14］等与Be⁃attie等［15］分别报道老年人鼓膜脐部振动速度于6000 Hz及226 Hz较青年受试者增加。

此外，中耳腔压力对鼓膜振动有显著影响。本组受试者检测前均行鼓室图检测，压力在50 dapa之间，中耳腔压力对本测试结果基本没有影响。刺激声导致镫骨肌收缩增加中耳传声系统劲度，从而降低鼓膜振动幅值。如Whittemore等报道结果显示，降低刺激声20 dB时，鼓膜脐部振幅平均减低约1dB。虽然本研究采用与文献报道一致的刺激声强度，但是在分析结果时应该考虑到镫骨肌收缩的影响。

总之，本研究获得激光多普勒测振仪对成人正常鼓膜振动测试的正常值，成人鼓膜振动检测过程简便、无创、快速，为激光多普勒测振仪对中耳传声功能精细化检测的临床应用提供了依据。

参考文献

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7Jakob A，Bornitz M，Kuhlisch E et al：New aspects in the clinical di⁃agnosis of otosclerosis using laser Doppler vibrometry.Otology & neurotology：official publication of the American Otological Society，American Neurotology Society［and］European Academy of Otology and Neurotology 2009，30（8）：1049-1057.

8Koike T，Wada H，Kobayashi T：Modeling of the human middle ear using the finite-element method.Journal of the Acoustical Society of America 2002，111（3）：1306-1317.

9Gan RZ，Feng B，Sun Q：Three-dimensional finite element modeling of human ear for sound transmission.Annals of Biomedical Engi⁃neering 2004，32（6）：847-859.

10Gan RZ，Wood MW，Dormer KJ：Human middle ear transfer func⁃tion measured by double laser interferometry system.Otology & neu⁃rotology：official publication of the American Otological Society，American Neurotology Society［and］European Academy of Otology and Neurotology 2004，25（4）：423-435.

11Wang J，Zhao F，Li Y et al：Effect of anterior tympanomeatal angle blunting on the middle ear transfer function using a finite element ear model.Medical Engineering and Physics 2011，33（9）：1136-1146.

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13Huber AM，Schwab C，Linder T et al：Evaluation of eardrum laser doppler interferometry as a diagnostic tool.The Laryngoscope 2001，111（3）：501-507.

14Wiley TL，Cruickshanks KJ，Nondahl DM et al：Aging and middle ear resonance.J Am Acad Audiol 1999，10（4）：173-179.

15BEATTIE RC，LEAMY DP：OTOADMITTANCE：NORMATIVE VALUES，PROCEDURAL VARIABLES，AND RELIABILITY.Ear and hearing 1975，1（1）：21-27.

·耳力学专辑·

Measurement of Tympanic Membrane Motion in Normal Adults Using Laser Doppler Vibrometry

WANG Jie1，ZHAO Fei2，ZHANG Ying3，LI Yongxin1
1 Department of Otolaryngology Head and Neck Surgery，Beijing Tongren Hospital；Key Laboratory of Otolaryngology，Capital Medical University；Beijing Engineering Research Center of Hearing Technology，Beijing 100730 2 Department of Hearing-Speech Sciences，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510520；Department of SLT and Hearing Science，Cardiff Metropolitan University，CF5 2YB，UK 3 Department of Otolaryngology Head and Neck Surgery，PLA Hospital 263，Beijing 101149 Corresponding author：LI YongxinEmail：entlyx@sina.com

【Abstract】Objective To obtain normative data of tympanic membrane motion in adults using laser Doppler vibrometry（LDV）.Methods Between June to September in 2016，30 subjects with normal tympanic membrane and normal pure tone hearing levels were enrolled in this study.Tympanic membrane motion magnitudes in response to 90 dB SPL pure tones at 400，800，1000，1500，2000，2500，3000，4000，5000，6000 and 8000 Hz were measured using LDV.Results Tympanic membrane motion at the umbo were observed with signal/noise ratios of more than 10 dB at all test frequencies.Two motion magnitude peaks were seen at 1000 Hz and 3000 Hz，and a notch at 6000 Hz.All measurements were completed within 10 minutes for each ear.Normal quiet breathing had little effects on the measurement and subjects experienced no obvious discomfort in this study.Conclusion The fine motion of the TM can be measured using LDV.Measurement in adults is easy，non-invasive and fast.LDV provides a means of precise measurement of middle ear sound transmission functions.

【Key words】motion of tympanic membrane；tympanoplasty；air-bone gap

【中图分类号】R764.29

【文献标识码】A

【文章编号】1672-2922（2016）03-330-4

DOI：10.3969 / j.issn.1672-2922.2016.03.003

基金项目：1首都临床特色应用研究项目（Z161100000516144）；2首都医科大学附属北京同仁院研骨干培育基金资助课题（2015-YJJ-GGL-015）；3北京市自然科学基金项目（7142040）。

作者简介：王杰，医学博士，主治医师，研究方向：耳力学，人工听觉技术。

通讯作者：李永新，Email：entlyx@sina.com

收稿日期：（2016-04-25）