豚鼠鼓膜脐部振动的初步观察△

张秀玲 佘万东 张淑仪 水修基戴艳红乔振花

1 东南大学医学院(南京 210009)； 2 南京大学医学院附属鼓楼医院耳鼻咽喉头颈外科； 3 南京大学声学研究所

鼓膜的主要功能是将外界传来的声压通过鼓膜振动转换成听骨链的运动。由于听骨链很难经外耳道直接观察，所以脐部成为经外耳道检测听骨链运动的最佳位点。Goode等[1]提出：鼓膜的功能越好，脐部的位移越大，反之亦然；鼓膜的性能越好，其听阈也越好。因此，如果能对个体鼓膜的功能进行定量分析，则有利于更好地理解鼓膜的传音功能。目前已有多种方法测量鼓膜的微小振动，如激光干涉技术[2]、激光多普勒振动仪检测系统[3]、激光全息摄影干涉技术[4]等。激光多普勒振动仪检测系统是利用激光多普勒振动仪(laser doppler vibrometer，LDV)研究中耳的传音功能，是一种非接触式的、安全、迅速、可重复的检测系统，国外已广泛应用于动物[3]、新鲜颞骨标本[5]及人[6]的中耳功能方面的研究。本实验旨在通过LDV检测系统观察正常豚鼠鼓膜脐部的振动速度，分析脐部振动速度的频率响应，初步探讨豚鼠鼓膜的传音功能。

1 材料与方法

1.1 实验动物及分组 选健康杂色雄性豚鼠10只(18耳)，体重200～400 g，耳廓反射灵敏，鼓膜完整、标志清楚。2%戊巴比妥钠(40 mg/kg)腹腔注射麻醉动物后，快速断头取双侧听泡，用电钻磨除骨性外耳道，尽量暴露鼓膜。其中2只豚鼠(2耳)用于验证LDV系统检测鼓膜脐部振动速度的稳定性，其余8只豚鼠(16耳)用于观察鼓膜脐部的振动速度。整个实验过程在听泡取出后6小时内完成，实验过程中鼓膜和中耳结构定时用生理盐水湿润防止干燥可能造成误差。

1.2 LDV检测系统 本实验在南京大学声学研究所完成。LDV检测系统由两部分组成：声刺激系统和LDV系统(图1)。声刺激系统：扬声器(YDG60-18, 南京电声股份有限公司)给刺激声，由贴近鼓膜的一个麦克风探头(驻极体话筒 瑞声声学科技有限公司)探测之，麦克风探头与示波器(TDS2010, 美国)连接。信号发生器(33220A, Agilent, 美国)和功率放大器(EX-1480, 南京电声股份有限公司)产生从0.5～8 kHz共14个频率的正弦信号。在每个频率用声级计(DT-805, 深圳华盛昌机械实业有限公司)将声压级(SPL)校准到90 dB SPL。LDV系统包括自动聚焦光学头(OFV-505, Polytec, 德国)、控制系统(OFV-5000, Polytec, 德国)及相关软件(Vibsoft 4.2, Polytec, 德国)。LDV的原理是利用氦氖激光束瞄准运动中的物体，同时接收物体表面的反射光束，利用多普勒原理分析运动目标的速度、振幅和时相。氦氖激光束直接垂直照射到鼓膜脐部，反射信号由振动仪控制器检测和解码，换算成输出压，以速度、振幅和时相显示在显示屏上。运动物体在中耳内所有频率的位移其灵敏度和精确度可以测量到1 nm，由于LDV不直接接触被测目标，所以在测量中耳振动时无机械负荷和声的干扰。

图1 LDV检测系统模式图

1.3 实验方法 将听泡用医用膨胀海绵包裹并固定于本实验室自制的四维升降台上，定时给予生理盐水湿润，将麦克风和声级计探头紧贴听泡两侧放置，扬声器固定于鼓膜前方5 cm处。给予刺激声为声强90 dB SPL、频率分别为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、7、8 kHz的纯音，每个频率的声音刺激持续1 min。用LDV测量鼓膜脐部的振动速度，将激光束几近垂直对准脐部(图2)，参数设定为采样时间1.28 s，每次显示的数值为五个采样值的平均数，连续记录六个数据，再取平均数，即为该点某一频率固定声压级的振动速度。用于验证LDV系统检测鼓膜脐部振动速度的稳定性的2只豚鼠(2耳)，在90 min内对其所有频率上的脐部振动速度重复测量5次，其余8只豚鼠(16耳)的脐部振动速度在所有频率上只测量1次。

图2 豚鼠鼓膜

1.4 统计学方法 使用SPSS16.0统计软件对左右耳鼓膜脐部振动速度进行正态性检验，并采用配对t检验进行统计学分析。

2 结果

2.1 豚鼠鼓膜脐部振动测量的稳定性 90 dB SPL声刺激下，在不同时刻分别对2只豚鼠(2耳)鼓膜脐部振动速度重复测量(图3)。豚鼠1在不同时刻重复测得的脐部振动的频率响应曲线峰值均出现在4 kHz处，且79 min内频率响应曲线形状基本接近，3 kHz以下频率范围内振动速度大小基本一致，3 kHz以上频率范围内其变化范围为+5～-2 dB(图3a)；2 kHz时豚鼠1脐部振动速度在79 min内很稳定，大小基本不变，5 kHz时在20～60 min内较稳定，8 kHz时在60 min处出现一个峰值(图3b)。豚鼠2在不同时刻重复测得的脐部振动的频率响应曲线峰值均出现在3.5～5.5 kHz之间，且83 min内频率响应曲线形状基本接近，变化范围为+2～-2 dB(图3c)。2 kHz和5 kHz时豚鼠2脐部振动速度在83 min内大小基本不变，8 kHz时在20～60 min内较稳定(图3d)。

2.2 鼓膜脐部的振动速度 90 dB SPL声刺激下8只豚鼠(16耳)脐部振动速度检测结果显示(图4)，频率响应曲线个体间差异最大为27 dB，频率响应曲线总体上表现出两个峰值，第一个峰值在2 kHz处，第二个峰值在4.5 kHz处，由于本实验的给声频率范围≤8 kHz，所以尚不能判断7 kHz以后的峰值情况。

图3 不同时刻重复测得的脐部振动速度豚鼠1、2不同时刻重复测得的脐部振动速度曲线(a、c)，豚鼠1、2不同频率脐部振动速度随时间变化曲线(b、d)

图4 90 dB声刺激下16耳脐部振动的频率响应曲线

2.3 左右耳鼓膜脐部振动速度比较 90 dB SPL声刺激下对8只豚鼠左右耳脐部振动速度进行检测，其中4只豚鼠(编号3、4、5、6)左右耳鼓膜脐部振动的频率响应曲线比较(图5)，变化范围在+5～-12 dB；第一个峰值左右耳均同步出现在2 kHz，第二个峰值左右耳也同步出现，但不同豚鼠间峰值有差异。另外4只豚鼠(编号7、8、9、10)左右耳鼓膜脐部振动的频率响应曲线比较(图6)，变化范围在+3～-5 dB之间；豚鼠7、9的第一个峰值左右耳同步出现在2 kHz处，豚鼠第二个峰值豚鼠7左右耳同步出现在4.5 kHz处，豚鼠9左右耳第二个峰值未同步出现。豚鼠8、10左右耳鼓膜脐部振动速度在4 kHz以下频率范围内未出现明显峰值，4 kHz以上频率范围内左右耳未同步出现峰值。不同频率声刺激下8只豚鼠左右耳鼓膜脐部振动速度的正态性检验P值均>0.05，数据符合正态性分布；8只豚鼠左右耳脐部振动速度的配对t检验结果显示：除4.5 kHz处(P=0.034)外，其余所有频率的P值均>0.05，提示豚鼠脐部振动速度左右耳的差异基本无统计学意义。

图5 鼓膜脐部振动的频率响应曲线 豚鼠 3 (a)，豚鼠4 (b)，豚鼠5 (c)，豚鼠6 (d)

图6 鼓膜脐部振动的频率响应曲线 豚鼠 7 (a)，豚鼠8 (b)，豚鼠9 (c)，豚鼠10 (d)

3 讨论

自从1960年Békésy用电容式声探子研究鼓膜振动以来，人们便开始对鼓膜振动在中耳传音功能中的作用有了初步认识[7]。20世纪70年代，Khanna和Tonndorf等[8,9]利用全息摄影技术分别观察并研究了猫和人尸体的鼓膜振动与位移图形；90年代，LDV的商业化让鼓膜、听小骨的振动和传音功能研究受到广泛重视。Goode[6]应用LDV观察了正常人及新鲜颞骨标本鼓膜振动的位移情况，结果显示0.14～1 kHz频率范围内鼓膜脐部振动位移曲线较平坦，在1～7 kHz频率范围内每个倍频程逐渐下降8.25 dB，而在8～14 kHz频率范围内每个倍频程下降增加到12.5 dB；1 kHz处80 dB SPL声刺激时脐部平均位移为0.045 μm，并且新鲜颞骨标本与活体的测量结果相似。有学者[10]研究了豚鼠中耳的力学表现，发现在65 dB SPL刺激声刺激下，鼓膜不同位点对0.1～3.0 kHz的频率刺激有不同的反应。在低频区，锤骨和砧骨围绕锤骨头和砧骨短脚轴旋转；在中频区，整个听骨链呈现活塞样运动；而在高频区，锤骨和砧骨围绕听骨的纵轴旋转。Akache等[11]应用LDV研究大鼠鼓膜和锤骨的振动情况，结果显示鼓膜和锤骨上不同点的频率响应曲线形状相似，提示1～10 kHz范围内大鼠鼓膜的振动形式单一。从本研究不同时刻重复测得的豚鼠鼓膜脐部振动速度的结果可以看出，本实验所构建的LDV检测系统具有较好的稳定性和重复性，频率响应曲线间差异在10 dB以内，尤其是在低频(3 kHz以下)范围内，差异小于1 dB。Bigelow等[12]报道大鼠鼓膜脐部振动的频率响应曲线在1～40 kHz范围内有三个峰值，分别位于2.5、5.5和15 kHz处；Akache等[11]研究大鼠鼓膜和锤骨的振动实验结果也显示大鼠鼓膜脐部振动的频率响应曲线在1～10 kHz范围内出现两个峰值，分别在1.5～2.5 kHz和5～7.5 kHz范围内；本实验发现豚鼠鼓膜脐部振动的频率响应曲线在0.5～8 kHz范围内有两个峰值，分别在2和4.5 kHz处，这些峰值很可能代表了中耳各个独立结构之间的相互影响[12]。哈佛大学的Whittemore[13]应用LDV检测正常人耳鼓膜脐部的振动速度，并将左右耳脐部振动情况进行相关分析得出在0.3、0.5、0.7、1、1.5、2、3、4、6 kHz频率处，人左右耳脐部振动速度仅在0.3、4、6 kHz处不相关，而左右耳传音功能的相位角则在1.5、3、4、6 kHz处不相关；而德国学者Arechvo等[14]应用LDV研究正常人鼓膜振动的实验结果显示，在0.5～3.7 kHz范围内36个频率上正常人鼓膜脐部的振动幅值和相位角左右耳比较差异均有统计学意义；本实验结果还提示豚鼠脐部振动的频率响应曲线左右耳相比较变异性较小，差异在+5～-12 dB范围内，其频率响应峰值基本具有一致性。这可能是因为本实验的检测对象是离体状态下豚鼠的鼓膜，而上述研究均是检测正常人的鼓膜，另外，人存在不同耳侧的使用度，也可能是造成实验结果双耳不尽相同的原因。

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