LDV在耳科学研究中的应用

李佳　杨琳　陈力奋　张天宇复旦大学附属眼耳鼻喉科医院（上海0003）复旦大学航空航天系（上海00433）



LDV在耳科学研究中的应用

李佳1，2杨琳1陈力奋2张天宇1
1复旦大学附属眼耳鼻喉科医院（上海200031）2复旦大学航空航天系（上海200433）

【摘要】激光多普勒测振仪在耳科学研究中用于对鼓膜、听骨链、鼓岬、基底膜等振动特性进行非接触式的精准测量，其结果能够反映各部分的动力学特性及声音信号在外周听觉系统中的传播特征。在研究不同病理状态对听觉系统的影响机制、听觉重建术以及术中进行听力康复预测等方面具有重要意义。

【关键词】激光多普勒测振仪；耳科学；中耳；内耳

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

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

激光多普勒测振仪（Laser Doppler Vibrometer，LDV）是利用激光的多普勒效应和干涉现象来测量物体振动的一种精密光学仪器，主要由控制器和光学头组成，控制器为光学头提供电源，它们之间通过光纤电缆连接。其工作原理是采用光外差检测技术检测物体表面移动时的散射激光相对于入射激光的多普勒频移，输出包含信号光信息（幅值、频率、相位）的电信号，经过信号处理计算得到其运动信息。在耳科学研究使用时，还需配备相应的声激励系统、激光头耦合的显微镜以及安放标本的隔振台。目前有扫描式LDV和单点式LDV两类产品可用，扫描式LDV是在单点式LDV的基础上，通过控制设备自动地扫描被测面上预设的网格密度扫描点，能够进一步获得预设面积表面的振动模式。LDV具有非接触、高精度、高分辨率等特点，可为检测声波在耳不同结构部位的传递特性发挥优势。

由于中内耳结构复杂且微小，在其运动特性研究中无法使用传统的振动测量仪器，而LDV凭借其独特的优势，并与显微镜相耦合，可以测量鼓膜、鼓岬、镫骨、耳蜗基底膜等运动，以获得声音振动信号在外周听觉系统中的传递特性。LDV已逐渐成为耳科学研究中重要的实验手段，并有望成为今后耳外科术中监测的一个基础性设备。

本文主要从LDV应用于鼓膜及听骨链的振动特性分析、内耳基底膜振动特性分析、鼓室重建术、人工中耳、骨传导听力相关研究以及在耳病临床诊治应用前景研究等方面进行综述。

LDV测量系统LDV Measurement System

1　鼓膜的振动特性分析

鼓膜接收声压信号并转化为机械振动，并通过锤骨将振动传至砧骨与镫骨，鼓膜的振动受到鼓膜特性及听小骨的双重影响，阐明鼓膜的振动特性对认识听觉系统的功能有重要意义。

在声音引起鼓膜振动继而带动听骨链振动的过程中，鼓膜脐被认为是最能代表由鼓膜传导至听骨链的振动信号，其振幅间接反映了从鼓膜传递到听小骨的能量大小。Whittemore［1］等人利用LDV测量了近鼓膜处声压与鼓膜脐振动速度之间传递关系。研究发现，中耳腔内气压大于外界大气压将导致该传递系数减小。在其传递系数与年龄的相关性分析研究中发现，当声音频率在6000Hz以下时，其与年龄无明显的相关性，而在频率高于6000Hz时，鼓膜脐振动速度有随年龄上升而增大的趋势。

传导性耳聋产生的几个原因，如听骨链断裂、鼓室积液、耳硬化症、听骨链粘连等［2，3］，会对鼓膜的振动特性产生不同影响，因而通过研究不同病理条件下鼓膜对声刺激的响应，进而辅助诊断在理论上是可行的。实验研究结果表明［4，5］，被确诊为镫骨底板固定性耳硬化症患者的鼓膜脐响应（鼓膜振动速度/声压）幅值普遍稍稍低于正常组的平均值，但相位却普遍超前于正常组的平均值；而锤砧关节硬化症组实验结果显示，其鼓膜脐响应幅值远低于正常组的平均值，但相位大大超前于正常组的平均值。对被确诊为听骨链断裂患者与正常耳的对比实验中可以看到，在低频处，他们的幅值普遍高于正常组，而在高频处却普遍地低于正常组的平均值，且其与正常组均值相比都呈负相位，听骨链断裂的位置对实验结果没有明显影响。

通过对三类（包含正常耳、中耳传导性聋以及上半规管裂综合征）总计超过300个实验样本的分析研究［6］，综合比较了不同情形下鼓膜脐对声压的振动响应差异，结果显示耳硬化症和上半规管裂综合征对鼓膜脐振动的影响也是不同的。上述的研究启示我们可以建立一种经由LDV测量鼓膜振动的新的简单可行的耳病诊断手段。

鼓膜紧张部由上皮层、纤维层、粘膜层组成，而松弛部不包含纤维层，这种特殊结构及不同组织的力学特性差异，使之成为非各向同性和具有粘弹性特征的材料［7］。LDV能够记录鼓膜振动信号，用频谱方法分析鼓膜振动中的超谐波及亚谐波响应等畸变成分［8，9］，可研究其非线性振动响应特征。对鼓膜整体振动响应特性的实验研究，能揭示鼓膜不同部位的动力学特性，探究听骨链的不同病理状态对鼓膜各部位的影响［10］，也可对鼓膜的有限元仿真模型的正确性进行验证［11，12］。Maftoon［13］等通过LDV对沙鼠鼓膜紧张部、松弛部和沿锤骨柄部位的不同测点在不同条件下的响应进行了研究，发现在低频声刺激下鼓膜的松弛部内陷会大大降低松弛部的幅值响应，但对其他部位却没有影响。Zhang［12］等人使用了扫描式LDV测量了整个鼓膜的运动状态，分析了中耳积液对于鼓膜运动的影响。通过在中耳腔内灌入不同量的液体来模拟不同程度的中耳积液，结果发现，在1kHz以下，正常组及中耳积液组的鼓膜的振形相似，都呈现简单的一个或两个的最大位移区域，而在1kHz以上，中耳积液会显著改变鼓膜的振动形态。

借助于LDV非接触式测量的优点，在鼓膜相关的疾病治疗上，LDV也可被应用于治疗方法结果可靠性的验证中［14］。Song［15］等人探索了一种不需手术直接驱动鼓膜助听装置，该装置是将接收到的声音信号经过处理转化为光强信号，使用LDV对其在新鲜颞骨上进行性能测试，通过光照射到固定在鼓膜上的振子从而将光强信号合理的转换为鼓膜上的机械振动信号，最终产生听觉（3000Hz以下）。这种听力辅助设备具有不需外科手术、不需设备间线缆连接等优点。

2　听骨链的振动特性分析

由于从耳道观察听骨链被鼓膜遮挡，采用LDV对听骨链的非接触测量及实验研究受到了限制，该测试通常是在颞骨标本上通过乳突切开术暴露中耳腔来完成。对听骨链的实验研究目的是要分析听骨链从锤骨柄到镫骨底板间的机械振动的传递特性，进一步为听骨链重建、中耳植入式助听器最佳位置等做理论指导。其中几个需要注意的研究问题是镫骨肌和鼓膜张肌的作用、锤砧关节及砧镫关节病变产生的对听骨链传声作用的影响、听骨链特别是镫骨底板在不同声音频率下的不同振动模式。

Gan［16］等建立了一个采用两个LDV分别同时测量鼓膜和镫骨底板振动的人颞骨实验模型，其优点是可以方便地测量整个听骨链的振动传递特性。在实验中通过设置不同的实验条件，包括于中耳腔内施加与外界大气间不同的静压差和在中耳腔中注入不同量的液体（模拟分泌性中耳炎），分析对听骨链传声特性的影响。由于镫骨底板是嵌在内耳的卵圆窗内，必须打开听泡才能通过LDV测量镫骨底板的振动，该实验也比较了在打开听泡前后鼓膜的振动响应差异。实验结果表明当中耳腔与外界间静压差在0至20厘米水柱、耳蜗内液体从没有到充满的条件下，鼓膜—镫骨底板间振动位移幅值比在4000Hz以下随着频率而上升，而中耳腔内液体对于该传递系数的影响在小于1000Hz、1000Hz至4000Hz及4000Hz以上分别有不同的作用。

听骨链的运动通过镫骨底板传至内耳淋巴液，其运动速度的大小代表了传递至内耳的振动能量［17］，对镫骨底板的运动形式的研究有助于深入理解这一过程。镫骨微观运动的实际方式是包含摆动、平移、旋转的镫骨底板活塞或推拉综合运动。一般认为，在低频处，镫骨底板的运动以活塞式运动为主，在更高频率处，其运动包含了绕长轴和短轴的摇摆运动［18，19］。Sim［20］等通过使用扫描式LDV测量镫骨底板的振动，并通过数据处理方法降低由于其特殊形状及激光入射角度引起的误差，得到了在不同频率下的运动特性。该研究发现，在0.5-8kHz声激励范围内，摇摆运动幅度与活塞形式的运动幅度相当。

中耳整复中的一个重要的手段是听骨链重建［21，22］，包括部分听骨赝复物（Partial Ossicular Replacement Prosthesis，Porp）、全听骨赝复物（Total Ossicular Re⁃placement Prosthesis，Torp）、活塞赝复物（Piston）。Torp被用来代替受到严重损害的听骨链，但其由于不具有正常听骨链的振动信号的功能、镫骨肌及鼓膜张肌的保护以及振动调节作用以及振动模式单一等缺点，其效果并不能得到很好的保证。Torp手术的术后效果差别很大，而效果的差别主要取决于植入Torp的长度，因为该长度决定了Torp与鼓膜与镫骨底板的接触紧密度以及其对鼓膜环状韧带、镫骨底板环状韧带的压力。Ulku［23］等利用LDV以及频闪全息照像术对在颞骨标本上所植入的Torp长度以及Torp与鼓膜之间垫的软骨的大小对鼓膜及镫骨底板振动特性的影响进行了研究，结果发现根据术前影像测量及术中工具测量所得到的不同患者的合适的Torp长度及较小的软骨垫可以加大镫骨底板的振动速度，即具有更好的声音传递特性。

中耳植入式助听器（人工中耳）是一种通过麦克风接受声音信号，经过对信号的处理及放大，用转换后的电信号驱动固定于听骨链上的振子振动，进而将声音信号传至内耳的听力辅助设备。在该设备的研发过程中，其助听效果的实验验证可以通过对新鲜颞骨标本LDV检测而得到。Böhnke［24］等人通过建立包含固定在砧骨长突的振子的多体动力学模型以及LDV实验研究模型，分析了在振子的驱动下，镫骨底板所产生的振动响应，并且实验分析结果符合其仿真分析结果。目前的人工中耳振子主要是固定在砧骨长突上，而实验研究结果显示将其固定在砧骨短突上也是可行的［25］。在中耳振子的植入过程中，中耳振子植入的位置、固定情况，也会影响听力恢复的效果，对中耳振子植入方法的优化的实验设计［26，27］中，优化目标是增大镫骨底板的振动速度，该速度可以通过LDV进行监测。不仅如此，人们也使用LDV测量方法分析了植入助听器手术中的一些步骤，如钻头磨开乳突过程［27］、听骨链打孔过程［28］等，对听力可能造成的损害进行了研究。

3　基底膜振动特性分析

内耳基底膜的振动是传导至内耳声音信息强度大小的最重要的指示器。基底膜带动其上的毛细胞运动进而产生听神经反应，对基底膜运动的测量最能直接反映外周听觉系统中对声压信号的最终响应。由于内耳的封闭结构，基底膜及耳蜗内液体的运动无法直接观测，目前多采用耳蜗开窗的方法使激光束能够到达基底膜。开窗测量过程中，要特别注意尽量不改变耳蜗内的正常生理状态，采取的措施包括采用玻璃片封闭耳蜗并使外淋巴液充满耳蜗而不能有空气。实验中需要在基底膜上放置反光珠来增强激光反射信号、激光入射角度与基底膜的夹角对结果的影响也应被考虑［29］。目前用于研究中耳渗出液、中耳植入振子、耳蜗放大器等。

Dai［30］等采用LDV研究了分泌性中耳炎对耳蜗基底膜响应的影响。通过在豚鼠的中耳腔内注射脂多糖进行分泌性中耳炎造模，分别测量基底膜底回和顶回处的基底膜响应。研究发现，造模后，底回和顶回对声压信号的响应幅值均下降了25dB。

对于中耳畸形等不适宜进行中耳修复或人工中耳植入于听骨链的患者，在圆窗处放置中耳振子是一个可行的办法。但振动信号经圆窗膜传入耳蜗与经镫骨底板传入耳蜗的差异并不完全清楚，Chen等［29］在动物模型圆窗植入电磁式振子，使用LDV测量振子振动幅度以及基底膜底回及砧骨处的位移响应，比较了声音信号经圆窗振子驱动与中耳传导的传递差异。实验结果表明，经圆窗驱动能够得到与正常气导途径大小相当的基底膜响应幅值，而显然振子与圆窗结合的紧密程度会影响传至耳蜗内的能量，且听骨链的后负荷使圆窗处需要更强的激励。

耳声发射现象［31］反映了内耳的主动非线性放大机制，是20世纪后叶听觉生理学研究最重要的进展，已经被应用在耳病的临床诊断中。耳声发射以起源于耳蜗内外毛细胞的主动运动，该运动通过淋巴液推动镫骨底板，逆向传至鼓膜引起外耳道内的微小声压。耳声发射中中耳的逆向传播与正向传播相似，不同点在于负载不同［32］。耳声发射内耳中的传播方式过去被推测为逆行传向蜗底的行波，但近期研究发现，该振动信号可能是以压缩波的形式实现。Ren及He［33，34］等采用扫描式激光干涉仪，给活体动物施加频率成一定比例的纯音，并且同时测量了基底膜振动、镫骨底板振动以及外耳道声压，研究中发现在镫骨底板处比基底膜测点上更早地接收到畸变产物耳声发射信号，这一实验结果有力的反驳了耳声发射的‘逆向行波’理论。

4　骨传导听力相关研究

对于骨导助听器来说，由于其对于听觉的作用主要是将振动信号经骨、脑脊液及由外耳道声辐射及中耳的惯性作用传导至内耳最终引起基底膜运动，所以对骨导助听的评估需要对声音信号在整个颅骨振动传递特征［35，36］进行研究。骨传导中实现基底膜振动的准确测量具有很大的难度，目前多采用测量鼓岬、镫骨底板、圆窗膜等位置的响应来间接反映骨传导至耳蜗的能量大小［37］。

对于骨导助听器的研究，集中在振子设计［38］、振子固定方式和固定位置等方面。目前最常使用的骨导助听器是骨锚式助听器（Bone-anchored Hearing Aid，BAHA），对于BAHA的固定位置，如与外耳道之间的距离，是否跨越鳞缝等对助听效果的影响的实验研究中［39］，采用LDV对经过乳突切开术后中耳腔内暴露的鼓岬的振动进行测量来评估耳蜗的振动。通过对BAHA不同固定位置的实验结果对比发现，当BAHA与耳蜗的距离减小时，鼓岬的振动速度增大，而最大的振动速度响应出现在其中一个接近耳蜗骨囊的位置处。

在双侧的BAHA植入中，一般两侧的BAHA被设置为是同相的，而经研究发现［40］，假如将双侧的BAHA设置为异相，在低频处（750Hz以下）的结果显示病人骨传导听阈改善，颞骨标本实验中鼓岬位置处响应的增加也支持了这一结论。

在气传导途径中圆窗膜随着镫骨底板的运动维持耳蜗内压力的均衡，在骨传导情况下，其也起到了相同的作用。在人颞骨标本上，采用LDV测量圆窗膜在气导与骨导两种激励下其整体的振动形态，发现其在不同频率出的振动形式呈现相似的特征［41］。在纯音刺激频率低于1.5kHz时，圆窗膜呈现整体的凸起、凹陷形式的运动，频率在1.5kHz以上时，圆窗膜分成两部分作反向的运动，在频率高于3kHz时，圆窗膜运动变得复杂。研究还发现，随着激励强度的增加，圆窗膜的振动形式不发生变化，只发生振动位移幅值的改变。

新型的植入式骨导助听器（Bone Conduction Im⁃plant，BCI）与BAHA的区别在于其是被植入于颞骨表皮下骨槽内，因而具有美观、不需长期穿透皮肤等优点。在对于该产品的性能的实验研究［42］中通过LDV测量鼓岬位置处的响应发现，对于颞骨模型，在人的可听频率内，BCI所产生的同侧的鼓岬上加速度幅值比BAHA相比高了0到10dB，而异侧的幅值却明显小于BAHA的结果。

5　在耳外科术中评估的应用前景

近年来利用激光多普勒测振技术非接触性测量等优势，已经有学者使用LDV对听骨链成形术［43］、人中耳植入手术［26］中改善听力效果进行术中检测。术中实时监测对于提高手术效果，降低手术风险具有重要作用。耳外科术中LDV对精确预测听力康复效果具有重要意义，将会展现美好的应用前景。

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·耳力学专辑·

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

【中图分类号】R764

【文献标识码】A

【文章编号】1672-2922（2016）03-325-5

DOI：10.3969 / j.issn.1672-2922.2016.03.002

基金项目：国家自然科学基金面上项目（81570934）

作者简介：李佳，博士生，研究方向：耳力学

通讯作者：张天宇，Email：ty.zhang2006@aliyun.com

收稿日期：（2016-04-05）