李佳　楊琳　陳力奮　張?zhí)煊顝偷┐髮W附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院（上海0003）復旦大學航空航天系（上海00433）

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LDV在耳科學研究中的應用

李佳1，2楊琳1陳力奮2張?zhí)煊?
1復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院（上海200031）2復旦大學航空航天系（上海200433）

【摘要】激光多普勒測振儀在耳科學研究中用于對鼓膜、聽骨鏈、鼓岬、基底膜等振動特性進行非接觸式的精準測量，其結果能夠反映各部分的動力學特性及聲音信號在外周聽覺系統(tǒng)中的傳播特征。在研究不同病理狀態(tài)對聽覺系統(tǒng)的影響機制、聽覺重建術以及術中進行聽力康復預測等方面具有重要意義。

【關鍵詞】激光多普勒測振儀；耳科學；中耳；內(nèi)耳

This work was supported by：National Natural Science Foundation of China（81570934）.

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

激光多普勒測振儀（Laser Doppler Vibrometer，LDV）是利用激光的多普勒效應和干涉現(xiàn)象來測量物體振動的一種精密光學儀器，主要由控制器和光學頭組成，控制器為光學頭提供電源，它們之間通過光纖電纜連接。其工作原理是采用光外差檢測技術檢測物體表面移動時的散射激光相對于入射激光的多普勒頻移，輸出包含信號光信息（幅值、頻率、相位）的電信號，經(jīng)過信號處理計算得到其運動信息。在耳科學研究使用時，還需配備相應的聲激勵系統(tǒng)、激光頭耦合的顯微鏡以及安放標本的隔振臺。目前有掃描式LDV和單點式LDV兩類產(chǎn)品可用，掃描式LDV是在單點式LDV的基礎上，通過控制設備自動地掃描被測面上預設的網(wǎng)格密度掃描點，能夠進一步獲得預設面積表面的振動模式。LDV具有非接觸、高精度、高分辨率等特點，可為檢測聲波在耳不同結構部位的傳遞特性發(fā)揮優(yōu)勢。

由于中內(nèi)耳結構復雜且微小，在其運動特性研究中無法使用傳統(tǒng)的振動測量儀器，而LDV憑借其獨特的優(yōu)勢，并與顯微鏡相耦合，可以測量鼓膜、鼓岬、鐙骨、耳蝸基底膜等運動，以獲得聲音振動信號在外周聽覺系統(tǒng)中的傳遞特性。LDV已逐漸成為耳科學研究中重要的實驗手段，并有望成為今后耳外科術中監(jiān)測的一個基礎性設備。

本文主要從LDV應用于鼓膜及聽骨鏈的振動特性分析、內(nèi)耳基底膜振動特性分析、鼓室重建術、人工中耳、骨傳導聽力相關研究以及在耳病臨床診治應用前景研究等方面進行綜述。

LDV測量系統(tǒng)LDV Measurement System

1　鼓膜的振動特性分析

鼓膜接收聲壓信號并轉化為機械振動，并通過錘骨將振動傳至砧骨與鐙骨，鼓膜的振動受到鼓膜特性及聽小骨的雙重影響，闡明鼓膜的振動特性對認識聽覺系統(tǒng)的功能有重要意義。

在聲音引起鼓膜振動繼而帶動聽骨鏈振動的過程中，鼓膜臍被認為是最能代表由鼓膜傳導至聽骨鏈的振動信號，其振幅間接反映了從鼓膜傳遞到聽小骨的能量大小。Whittemore［1］等人利用LDV測量了近鼓膜處聲壓與鼓膜臍振動速度之間傳遞關系。研究發(fā)現(xiàn)，中耳腔內(nèi)氣壓大于外界大氣壓將導致該傳遞系數(shù)減小。在其傳遞系數(shù)與年齡的相關性分析研究中發(fā)現(xiàn)，當聲音頻率在6000Hz以下時，其與年齡無明顯的相關性，而在頻率高于6000Hz時，鼓膜臍振動速度有隨年齡上升而增大的趨勢。

傳導性耳聾產(chǎn)生的幾個原因，如聽骨鏈斷裂、鼓室積液、耳硬化癥、聽骨鏈粘連等［2，3］，會對鼓膜的振動特性產(chǎn)生不同影響，因而通過研究不同病理條件下鼓膜對聲刺激的響應，進而輔助診斷在理論上是可行的。實驗研究結果表明［4，5］，被確診為鐙骨底板固定性耳硬化癥患者的鼓膜臍響應（鼓膜振動速度/聲壓）幅值普遍稍稍低于正常組的平均值，但相位卻普遍超前于正常組的平均值；而錘砧關節(jié)硬化癥組實驗結果顯示，其鼓膜臍響應幅值遠低于正常組的平均值，但相位大大超前于正常組的平均值。對被確診為聽骨鏈斷裂患者與正常耳的對比實驗中可以看到，在低頻處，他們的幅值普遍高于正常組，而在高頻處卻普遍地低于正常組的平均值，且其與正常組均值相比都呈負相位，聽骨鏈斷裂的位置對實驗結果沒有明顯影響。

通過對三類（包含正常耳、中耳傳導性聾以及上半規(guī)管裂綜合征）總計超過300個實驗樣本的分析研究［6］，綜合比較了不同情形下鼓膜臍對聲壓的振動響應差異，結果顯示耳硬化癥和上半規(guī)管裂綜合征對鼓膜臍振動的影響也是不同的。上述的研究啟示我們可以建立一種經(jīng)由LDV測量鼓膜振動的新的簡單可行的耳病診斷手段。

鼓膜緊張部由上皮層、纖維層、粘膜層組成，而松弛部不包含纖維層，這種特殊結構及不同組織的力學特性差異，使之成為非各向同性和具有粘彈性特征的材料［7］。LDV能夠記錄鼓膜振動信號，用頻譜方法分析鼓膜振動中的超諧波及亞諧波響應等畸變成分［8，9］，可研究其非線性振動響應特征。對鼓膜整體振動響應特性的實驗研究，能揭示鼓膜不同部位的動力學特性，探究聽骨鏈的不同病理狀態(tài)對鼓膜各部位的影響［10］，也可對鼓膜的有限元仿真模型的正確性進行驗證［11，12］。Maftoon［13］等通過LDV對沙鼠鼓膜緊張部、松弛部和沿錘骨柄部位的不同測點在不同條件下的響應進行了研究，發(fā)現(xiàn)在低頻聲刺激下鼓膜的松弛部內(nèi)陷會大大降低松弛部的幅值響應，但對其他部位卻沒有影響。Zhang［12］等人使用了掃描式LDV測量了整個鼓膜的運動狀態(tài)，分析了中耳積液對于鼓膜運動的影響。通過在中耳腔內(nèi)灌入不同量的液體來模擬不同程度的中耳積液，結果發(fā)現(xiàn)，在1kHz以下，正常組及中耳積液組的鼓膜的振形相似，都呈現(xiàn)簡單的一個或兩個的最大位移區(qū)域，而在1kHz以上，中耳積液會顯著改變鼓膜的振動形態(tài)。

借助于LDV非接觸式測量的優(yōu)點，在鼓膜相關的疾病治療上，LDV也可被應用于治療方法結果可靠性的驗證中［14］。Song［15］等人探索了一種不需手術直接驅動鼓膜助聽裝置，該裝置是將接收到的聲音信號經(jīng)過處理轉化為光強信號，使用LDV對其在新鮮顳骨上進行性能測試，通過光照射到固定在鼓膜上的振子從而將光強信號合理的轉換為鼓膜上的機械振動信號，最終產(chǎn)生聽覺（3000Hz以下）。這種聽力輔助設備具有不需外科手術、不需設備間線纜連接等優(yōu)點。

2　聽骨鏈的振動特性分析

由于從耳道觀察聽骨鏈被鼓膜遮擋，采用LDV對聽骨鏈的非接觸測量及實驗研究受到了限制，該測試通常是在顳骨標本上通過乳突切開術暴露中耳腔來完成。對聽骨鏈的實驗研究目的是要分析聽骨鏈從錘骨柄到鐙骨底板間的機械振動的傳遞特性，進一步為聽骨鏈重建、中耳植入式助聽器最佳位置等做理論指導。其中幾個需要注意的研究問題是鐙骨肌和鼓膜張肌的作用、錘砧關節(jié)及砧鐙關節(jié)病變產(chǎn)生的對聽骨鏈傳聲作用的影響、聽骨鏈特別是鐙骨底板在不同聲音頻率下的不同振動模式。

Gan［16］等建立了一個采用兩個LDV分別同時測量鼓膜和鐙骨底板振動的人顳骨實驗模型，其優(yōu)點是可以方便地測量整個聽骨鏈的振動傳遞特性。在實驗中通過設置不同的實驗條件，包括于中耳腔內(nèi)施加與外界大氣間不同的靜壓差和在中耳腔中注入不同量的液體（模擬分泌性中耳炎），分析對聽骨鏈傳聲特性的影響。由于鐙骨底板是嵌在內(nèi)耳的卵圓窗內(nèi)，必須打開聽泡才能通過LDV測量鐙骨底板的振動，該實驗也比較了在打開聽泡前后鼓膜的振動響應差異。實驗結果表明當中耳腔與外界間靜壓差在0至20厘米水柱、耳蝸內(nèi)液體從沒有到充滿的條件下，鼓膜—鐙骨底板間振動位移幅值比在4000Hz以下隨著頻率而上升，而中耳腔內(nèi)液體對于該傳遞系數(shù)的影響在小于1000Hz、1000Hz至4000Hz及4000Hz以上分別有不同的作用。

聽骨鏈的運動通過鐙骨底板傳至內(nèi)耳淋巴液，其運動速度的大小代表了傳遞至內(nèi)耳的振動能量［17］，對鐙骨底板的運動形式的研究有助于深入理解這一過程。鐙骨微觀運動的實際方式是包含擺動、平移、旋轉的鐙骨底板活塞或推拉綜合運動。一般認為，在低頻處，鐙骨底板的運動以活塞式運動為主，在更高頻率處，其運動包含了繞長軸和短軸的搖擺運動［18，19］。Sim［20］等通過使用掃描式LDV測量鐙骨底板的振動，并通過數(shù)據(jù)處理方法降低由于其特殊形狀及激光入射角度引起的誤差，得到了在不同頻率下的運動特性。該研究發(fā)現(xiàn)，在0.5-8kHz聲激勵范圍內(nèi)，搖擺運動幅度與活塞形式的運動幅度相當。

中耳整復中的一個重要的手段是聽骨鏈重建［21，22］，包括部分聽骨贗復物（Partial Ossicular Replacement Prosthesis，Porp）、全聽骨贗復物（Total Ossicular Re?placement Prosthesis，Torp）、活塞贗復物（Piston）。Torp被用來代替受到嚴重損害的聽骨鏈，但其由于不具有正常聽骨鏈的振動信號的功能、鐙骨肌及鼓膜張肌的保護以及振動調節(jié)作用以及振動模式單一等缺點，其效果并不能得到很好的保證。Torp手術的術后效果差別很大，而效果的差別主要取決于植入Torp的長度，因為該長度決定了Torp與鼓膜與鐙骨底板的接觸緊密度以及其對鼓膜環(huán)狀韌帶、鐙骨底板環(huán)狀韌帶的壓力。Ulku［23］等利用LDV以及頻閃全息照像術對在顳骨標本上所植入的Torp長度以及Torp與鼓膜之間墊的軟骨的大小對鼓膜及鐙骨底板振動特性的影響進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)根據(jù)術前影像測量及術中工具測量所得到的不同患者的合適的Torp長度及較小的軟骨墊可以加大鐙骨底板的振動速度，即具有更好的聲音傳遞特性。

中耳植入式助聽器（人工中耳）是一種通過麥克風接受聲音信號，經(jīng)過對信號的處理及放大，用轉換后的電信號驅動固定于聽骨鏈上的振子振動，進而將聲音信號傳至內(nèi)耳的聽力輔助設備。在該設備的研發(fā)過程中，其助聽效果的實驗驗證可以通過對新鮮顳骨標本LDV檢測而得到。B?hnke［24］等人通過建立包含固定在砧骨長突的振子的多體動力學模型以及LDV實驗研究模型，分析了在振子的驅動下，鐙骨底板所產(chǎn)生的振動響應，并且實驗分析結果符合其仿真分析結果。目前的人工中耳振子主要是固定在砧骨長突上，而實驗研究結果顯示將其固定在砧骨短突上也是可行的［25］。在中耳振子的植入過程中，中耳振子植入的位置、固定情況，也會影響聽力恢復的效果，對中耳振子植入方法的優(yōu)化的實驗設計［26，27］中，優(yōu)化目標是增大鐙骨底板的振動速度，該速度可以通過LDV進行監(jiān)測。不僅如此，人們也使用LDV測量方法分析了植入助聽器手術中的一些步驟，如鉆頭磨開乳突過程［27］、聽骨鏈打孔過程［28］等，對聽力可能造成的損害進行了研究。

3　基底膜振動特性分析

內(nèi)耳基底膜的振動是傳導至內(nèi)耳聲音信息強度大小的最重要的指示器。基底膜帶動其上的毛細胞運動進而產(chǎn)生聽神經(jīng)反應，對基底膜運動的測量最能直接反映外周聽覺系統(tǒng)中對聲壓信號的最終響應。由于內(nèi)耳的封閉結構，基底膜及耳蝸內(nèi)液體的運動無法直接觀測，目前多采用耳蝸開窗的方法使激光束能夠到達基底膜。開窗測量過程中，要特別注意盡量不改變耳蝸內(nèi)的正常生理狀態(tài)，采取的措施包括采用玻璃片封閉耳蝸并使外淋巴液充滿耳蝸而不能有空氣。實驗中需要在基底膜上放置反光珠來增強激光反射信號、激光入射角度與基底膜的夾角對結果的影響也應被考慮［29］。目前用于研究中耳滲出液、中耳植入振子、耳蝸放大器等。

Dai［30］等采用LDV研究了分泌性中耳炎對耳蝸基底膜響應的影響。通過在豚鼠的中耳腔內(nèi)注射脂多糖進行分泌性中耳炎造模，分別測量基底膜底回和頂回處的基底膜響應。研究發(fā)現(xiàn)，造模后，底回和頂回對聲壓信號的響應幅值均下降了25dB。

對于中耳畸形等不適宜進行中耳修復或人工中耳植入于聽骨鏈的患者，在圓窗處放置中耳振子是一個可行的辦法。但振動信號經(jīng)圓窗膜傳入耳蝸與經(jīng)鐙骨底板傳入耳蝸的差異并不完全清楚，Chen等［29］在動物模型圓窗植入電磁式振子，使用LDV測量振子振動幅度以及基底膜底回及砧骨處的位移響應，比較了聲音信號經(jīng)圓窗振子驅動與中耳傳導的傳遞差異。實驗結果表明，經(jīng)圓窗驅動能夠得到與正常氣導途徑大小相當?shù)幕啄ろ憫担@然振子與圓窗結合的緊密程度會影響傳至耳蝸內(nèi)的能量，且聽骨鏈的后負荷使圓窗處需要更強的激勵。

耳聲發(fā)射現(xiàn)象［31］反映了內(nèi)耳的主動非線性放大機制，是20世紀后葉聽覺生理學研究最重要的進展，已經(jīng)被應用在耳病的臨床診斷中。耳聲發(fā)射以起源于耳蝸內(nèi)外毛細胞的主動運動，該運動通過淋巴液推動鐙骨底板，逆向傳至鼓膜引起外耳道內(nèi)的微小聲壓。耳聲發(fā)射中中耳的逆向傳播與正向傳播相似，不同點在于負載不同［32］。耳聲發(fā)射內(nèi)耳中的傳播方式過去被推測為逆行傳向蝸底的行波，但近期研究發(fā)現(xiàn)，該振動信號可能是以壓縮波的形式實現(xiàn)。Ren及He［33，34］等采用掃描式激光干涉儀，給活體動物施加頻率成一定比例的純音，并且同時測量了基底膜振動、鐙骨底板振動以及外耳道聲壓，研究中發(fā)現(xiàn)在鐙骨底板處比基底膜測點上更早地接收到畸變產(chǎn)物耳聲發(fā)射信號，這一實驗結果有力的反駁了耳聲發(fā)射的‘逆向行波’理論。

4　骨傳導聽力相關研究

對于骨導助聽器來說，由于其對于聽覺的作用主要是將振動信號經(jīng)骨、腦脊液及由外耳道聲輻射及中耳的慣性作用傳導至內(nèi)耳最終引起基底膜運動，所以對骨導助聽的評估需要對聲音信號在整個顱骨振動傳遞特征［35，36］進行研究。骨傳導中實現(xiàn)基底膜振動的準確測量具有很大的難度，目前多采用測量鼓岬、鐙骨底板、圓窗膜等位置的響應來間接反映骨傳導至耳蝸的能量大小［37］。

對于骨導助聽器的研究，集中在振子設計［38］、振子固定方式和固定位置等方面。目前最常使用的骨導助聽器是骨錨式助聽器（Bone-anchored Hearing Aid，BAHA），對于BAHA的固定位置，如與外耳道之間的距離，是否跨越鱗縫等對助聽效果的影響的實驗研究中［39］，采用LDV對經(jīng)過乳突切開術后中耳腔內(nèi)暴露的鼓岬的振動進行測量來評估耳蝸的振動。通過對BAHA不同固定位置的實驗結果對比發(fā)現(xiàn)，當BAHA與耳蝸的距離減小時，鼓岬的振動速度增大，而最大的振動速度響應出現(xiàn)在其中一個接近耳蝸骨囊的位置處。

在雙側的BAHA植入中，一般兩側的BAHA被設置為是同相的，而經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)［40］，假如將雙側的BAHA設置為異相，在低頻處（750Hz以下）的結果顯示病人骨傳導聽閾改善，顳骨標本實驗中鼓岬位置處響應的增加也支持了這一結論。

在氣傳導途徑中圓窗膜隨著鐙骨底板的運動維持耳蝸內(nèi)壓力的均衡，在骨傳導情況下，其也起到了相同的作用。在人顳骨標本上，采用LDV測量圓窗膜在氣導與骨導兩種激勵下其整體的振動形態(tài)，發(fā)現(xiàn)其在不同頻率出的振動形式呈現(xiàn)相似的特征［41］。在純音刺激頻率低于1.5kHz時，圓窗膜呈現(xiàn)整體的凸起、凹陷形式的運動，頻率在1.5kHz以上時，圓窗膜分成兩部分作反向的運動，在頻率高于3kHz時，圓窗膜運動變得復雜。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著激勵強度的增加，圓窗膜的振動形式不發(fā)生變化，只發(fā)生振動位移幅值的改變。

新型的植入式骨導助聽器（Bone Conduction Im?plant，BCI）與BAHA的區(qū)別在于其是被植入于顳骨表皮下骨槽內(nèi)，因而具有美觀、不需長期穿透皮膚等優(yōu)點。在對于該產(chǎn)品的性能的實驗研究［42］中通過LDV測量鼓岬位置處的響應發(fā)現(xiàn)，對于顳骨模型，在人的可聽頻率內(nèi)，BCI所產(chǎn)生的同側的鼓岬上加速度幅值比BAHA相比高了0到10dB，而異側的幅值卻明顯小于BAHA的結果。

5　在耳外科術中評估的應用前景

近年來利用激光多普勒測振技術非接觸性測量等優(yōu)勢，已經(jīng)有學者使用LDV對聽骨鏈成形術［43］、人中耳植入手術［26］中改善聽力效果進行術中檢測。術中實時監(jiān)測對于提高手術效果，降低手術風險具有重要作用。耳外科術中LDV對精確預測聽力康復效果具有重要意義，將會展現(xiàn)美好的應用前景。

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·耳力學專輯·

Application of Laser Doppler Vibrometer in Otology

LI Jia1，2YANG Lin1CHEN Lifen2ZHANG Tianyu1
1 Eye &ENT Hospital of Fudan University，shanghai，200031 2 Department of Aeronautics and Astronautics of Fudan University，shanghai，200433 Corresponding author：ZHANG TianyuEmail：ty.zhang2006@aliyun.com

【Abstract】Laser Doppler Vibrometer is used as a non-contact and precision measurement in otology research for detecting vibration of the tympanic membrane，ossicular chain，cochlear promontory and basilar membrane.The results reflect the dynamic characteristics of each part and help evaluate sound-transmitting properties through the peripheral auditory system.Therefore the use of LDV is of great significance to increasing understanding of the influence of different pathologies on the auditory system，and to proper design and optimization of auditory reconstructive surgeries and listening assistance devices.It also has the potential of becoming an objective technique for intraoperative monitoring.

【Keywords】Laser Doppler Vibrometer（LDV）；Otology；Middle Ear；Inner Ear

【中圖分類號】R764

【文獻標識碼】A

【文章編號】1672-2922（2016）03-325-5

DOI：10.3969 / j.issn.1672-2922.2016.03.002

基金項目：國家自然科學基金面上項目（81570934）

作者簡介：李佳，博士生，研究方向：耳力學

通訊作者：張?zhí)煊睿珽mail：ty.zhang2006@aliyun.com

收稿日期：（2016-04-05）