金蕾 倪坤 李克勇 李晓艳

咽鼓管声测法能直接实时动态反映咽鼓管开闭状态而无需向中耳施加额外的压力，是生理状态下的检查，其结果基本不受鼓膜厚度及鼓膜是否完整的影响，既可在鼓膜完整情况下进行测试，也可以对鼓膜穿孔或鼓膜置管术后的咽鼓管功能进行测试。并且，咽鼓管声测法无创而廉价，不会给受试查者带来痛苦，尤其适合用于儿童咽鼓管功能的研究，故值得进一步完善以期应用于临床。然而，目前国内外并没有公认的咽鼓管声测仪的测试声源频率。迄今7～8 kHz的窄带噪声是最常被选择的实验频率，各实验室是根据前人经验和喜好选择“最佳”方式，部分实验选择使用白噪声，部分选择窄带白噪声[1～5]，有的使用自己设定的“完美序列”[6,7]，有的使用纯音信号[8～12]。

本研究拟通过在咽鼓管功能声测法中采用既往文献中常用的窄带白噪声和宽频白噪声作为声源信号，探讨其是否合理，为咽鼓管功能声测法找到较为可靠的声源频率。

1 资料与方法

1.1研究对象 以31例健康成人为研究对象，男20例，女11例，年龄20～43岁，平均26.2±2.8岁；入选标准：①年龄大于18周岁;②近半年内无急性中耳炎病史，既往无分泌性中耳炎、反复耳痛、鼓膜外伤或听力下降病史;③气压变化时无中耳气压调节障碍情况;④无过敏性鼻炎、慢性鼻炎、鼻窦炎病史;⑤无鼻咽部、鼻腔鼻窦、中耳手术史;⑥近两周内无上呼吸道感染病史;耳内镜检查(包括鼓气耳镜检查)、声导抗检查、纯音测听、鼻内镜检查排除鼻腔及鼻咽部病变;鼓室导抗图为A型；⑦咽鼓管功能障碍七项评分量表(ETDQ-7量表)总分在14分及以下(此问卷表根据症状的严重程度分为七个等级，症状越重，分数越高，“1分”代表几乎无影响，“7分”代表最严重[13])。排除标准：①耳内镜检查发现任何鼓膜病变、鼓膜内陷或鼓室内积液者;②纯音测听异常者；③鼓室导抗图为B型、C型；④ETDQ-7量表总分在15分以上。所有受试者完成ETDQ-7量表，平均单项分为1.4±0.2分。

1.2自行研制组装咽鼓管功能声测系统(图1) 该测试系统以电脑微机为基础平台，外设音频信号。转换设备及声源输出和声传感终端。本系统声源输出终端为入耳式扬声器，声传感终端为直径4 mm微型传声器(MicroW，L825)，并通过外置声卡(Fast Track Duo)对输入/输出的音频信号经数字转换与电脑相通。利用Cool Edit 2.1(Adobe公司)软件播放声源特定音频信号，输出至置于记忆棉鼻部适配器内的耳机扬声器，而外耳道适配器内置的微型传声器会将传导到外耳道中的声信号采集输入电脑，并由Cool Edit 2.1同步进行无损数字音频格式存储，以便后期计算机软件进行时频动态特性分析，进一步基于MATLAB编程对测试音频数据开展时频动态特性分析与统计。经过测试，输出声源信号的强度在前鼻孔为100 dB SPL。本研究选择该强度是由于输出声源强度必须足够强，才能经过传导后被外耳道内的微型传声器探测到声强的变化，但又不能太强，因为虽然前鼻孔的扬声器和外耳道的微型传声器都有吸音记忆棉适配器包裹，能够有效隔音，但是太强的声源信号会导致漏音过强，被外耳道内的微型传声器探测到，造成干扰；且近几年的文献中，也多选用90～105 dB SPL的输出声强[14，15]。本研究所用咽鼓管功能声测系统的建立基本参照以往文献所述，由于咽鼓管功能声测法的提出至今已有数十年，无受试者不良反应报道，故本研究未作安全性评测。前鼻孔输出端扬声器采用IEC711标准的人工耳进选择频宽20～20 000 Hz的频响校准，接收端外耳道微型传声器利用标准麦克风在20～20 000 Hz相应频率上对同一声源的频响差异进行补偿校准。

图1 咽鼓管功能声测法原理示意图

1.3咽鼓管功能声测方法

1.3.1静态测试 用时长8秒反复循环8次的1～8 kHz线性扫频信号作为测试声源，对31例受试者(31个左耳)进行静态测试，统计静态情况下同侧鼻腔至外耳道声传导各频点相应衰减分贝数，分析比较各频段声传递系数的稳定一致性，以初步寻找适合的声源信号频率区间。

1.3.2白噪声测试 参照以往声测法所采用的声源信号主要类型，分别用时长10秒、频率为7～9 kHz的窄带白噪声、2～20 kHz及1～8 kHz的宽带白噪声作为测试声源，对31例受试者(左耳)进行测试。三组白噪声播放中间有10秒间隔，在间隔期受试者完成2个吞咽动作；统计每位受试者静态下所接收的三组不同带宽测试白噪声的相对声功率级，以及每次空歇期间吞咽所致冲击噪声在3组相应频段的最大声功率级，以分析白噪声从单侧鼻腔至外耳道传导的声级衰减统计特性，并与吞咽噪声作对比。为了明确吞咽动作的发生时刻，通过计算每128/3 000秒区间内6～10 kHz频带上平均声功率级的方法来定位每次吞咽动作伴随的冲击声信号最强时刻，并在之后的数据分析中以此作为吞咽标志参考点。

2 结果

2.1吞咽信号频谱分析结果 本研究用纯音线谱作为测试声源配合吞咽动作进行测试，从Adobe Audition CS6软件图上可以看出，伴随95%以上的有效吞咽动作外耳道所测得声信号的时频图中会同步出现一种短时宽频冲击声信号(图2)，本研究利用MATLAB程序对这部分实验信号做短时傅里叶分析，对其声功率的时间-频谱三维分布图进行观察，可见，吞咽动作是非常明确的贯穿1～10 kHz的强冲击信号，形似“一堵墙”(图3)。

图3 纯音声源分段测试中测得声信号MATLAB三维时频图 吞咽同步伴随一条短时宽频冲击声信号,第四段测试声信号显示该区间内无吞咽动作发生。图中三维坐标轴分别是声强、时间、频率

2.2静态测试结果 同侧鼻腔传入不同频率声波，传导至外耳道的声信号衰减及稳定程度区别较大。从信号的时频分布图上可以看出，测试中常规的设备机械噪声(比如散热风扇噪声)和人体生理噪声(如耳道附近颞浅动脉搏动声)成分主要分布于较低频率(图4)，3 kHz以下的频段相对易受环境噪声干扰，不适宜作为测试声源；通过对同侧鼻腔至外耳道声传导各频点相应衰减分贝数的统计(图5)，可见6.3～8 kHz频带区间的标准差较大，部分受试者该区间内相当多频率对应的静态声传导衰减声级，前后几次周期间的差异高于5 dB，反映了测试声信号于该频段的传导稳定性差；由此可见，3～6 kHz是较适宜的备选声源频段。

图4 Adobe Audition 1～8 kHz扫频信号频谱图 从图中可以看出测试中环境噪声干扰主要分布在3 kHz以下频带

2.3结合吞咽动作检验既往研究中宽频和窄带白噪声作为测试声源的合理性 31例受试者左耳测试结果如图6所示，由于音频固有特性，声信号各频段成分随频率提升在传导过程中更易衰减，导致传入外耳道的高频信号减弱明显，使按频谱区间均分的白噪声能量很大程度上被无效损耗；而在2.5 kHz以下，如：颞浅动脉搏动的生理噪声占据了相当比重，这些因素很大程度上会降低所选用宽带白噪声测试的信噪比。另一方面，由于伴随吞咽的生理噪声最显著部分是贯穿1～10 kHz频带的短时宽频冲击声，也含大量中高频成分，因此若依据传统声测法方案，选用白噪声测试信号在静态下的基线作为参考声级，则须考虑吞咽生理噪声可能带来的干扰误判。本研究计算统计了每位受试者静态下所接收的三组不同带宽测试白噪声的相对声功率级，以及每次空歇期间吞咽所致冲击噪声在3组相应频段的最大声功率级，结果如图7所示，用7～9 kHz白噪声测试后，在外耳道内所测得声功率级明显最低，1～8 kHz白噪声对应声功率级最高，2～20 kHz白噪声次之，这是由于三组白噪声声信号中低频成分所占比重不同引起的，高频白噪声在静态传导中损耗最多。在白噪声间歇期，测得吞咽产生的短时冲击噪声在对应测试白噪声频带上(7～9、1～8、2～20 kHz)的瞬时声功率级至少超过了测试信号声功率基线值5 dB以上。

3 讨论

1978年Virtanen首次用1～20 kHz的声波对咽鼓管功能进行检测，提出吞咽时生理噪声频率范围在100～2 000 Hz，该频段的生理噪声会和相同频率的测试声波产生共鸣-反共鸣(相干)现象;基于以上理论分析，作者提出最适合进行咽鼓管开放的测试声频率在6～8 kHz，当吞咽时外耳道收录的测试频率声信号的声功率级上升超过5 dB时，定义为咽鼓管开放。该套实验方法成为之后许多研究的标准，并沿用至今[16]。然而，本研究发现，伴随95%以上的有效吞咽动作，外耳道所测得声信号时频图中会同步出现一种短时宽频冲击声信号，贯穿1～10 kHz。吞咽动作并不如文献中所述是3 kHz以下的低频噪声，因此，既往研究中使用7～8 kHz高频信号作为声源信号可能并不能很好地避免吞咽噪声造成的干扰，不一定是最为合适的声源信号。本研究用1～8 kHz线性周期扫频信号对31例受试者进行静态测试发现，3 kHz以下的频段相对易受环境噪声干扰，6.3～8 kHz频带多次测试周期结果的标准差较大，部分受试者在该频段内有多个频率点在前后几次测试周期间声传导衰减声级的差异高于5 dB，说明6.3～8 kHz频带声信号传导稳定性差，如果选用该频段作为声源信号，当吞咽时外耳道收录的测试频率声信号的声功率级上升超过5 dB时，将无法判断声功率级变化究竟是由有效咽鼓管开放引起的还是由于传导稳定性差本身导致的波动引起的。根据以上研究结果，本研究认为7～8 kHz高频信号并不一定是最为合适的声源信号频段，而中频段3～6 kHz既可以规避测试时设备噪声和人体生理噪声，稳定性又相对较高，是较适宜的声源频段。但是，本研究仅仅在正常成年人中做了静态测试，而且样本量较小，本研究结果尚需要增加测试样本量，并进一步在咽鼓管功能障碍和分泌性中耳炎患者中测试验证。

图5 MATLAB绘制周期性扫频声源信号对应稳态声传导测试的频率响应曲线 如图所见,对同一受试者反复八个周期的扫频信号测试发现,6.5 kHz以上频带区间多次扫频所得的频响曲线间偏差较大,声信号传导稳定性较差。N代表测试周期

图6 用频率为7～9 kHz的窄带白噪声、2～20 kHz以及 1～8 kHz的宽带白噪声进行测试频图 环境噪声多集中在3 kHz以,而吞咽信号为短时宽频信号,贯穿1～10 kHz,与白噪声有广泛的频率重叠

图7 三组不同带宽测试白噪声的相对声功率级,以及每次空歇期间吞咽所致冲击噪声在3组相应频段的最大声功率级 7～9 kHz白噪声对应的测试信号声功率级明显最低,1～8 kHz白噪声对应声功率级最高,2～20 kHz白噪声次之。吞咽产生的短时冲击噪声在对应声源频带上的声功率级至少超过了白噪声基线值5 dB以上

宽频白噪声和相对窄带白噪声也是既往研究中较为多见的测试声源信号。本研究选取了三组文献中提到过的白噪声信号结合吞咽动作进行咽鼓管功能声测法测试，结果显示，由于吞咽信号是一种短时宽频信号，贯穿1～10 kHz，因而，白噪声特别是宽频白噪声由于信号能量分散，在很多频段上与吞咽噪声信号重叠，极易受到干扰；当咽鼓管开放时，很难将声源白噪声信号的强度改变和吞咽造成的干扰分辨开；且本研究测得吞咽产生的短时冲击噪声在对应测试白噪声频带上(7～9 kHz、1～8 kHz、2～20 kHz)的瞬时声功率级至少超过了测试信号声功率基线值5 dB以上，因此，当吞咽动作发生时，白噪声声源信号的声功率级有5 dB的波动究竟是由咽鼓管开放引起的还是吞咽动作本身相应频段噪声引起的很难分辨。白噪声可能并非理想的声源信号，又或者说，声源信号声功率级5 dB的波动不是一个合适的咽鼓管开放的判断标准，需要进一步设计实验来找到合适的判断标准。

本研究对吞咽中心时刻对应的声学特征进行了标定，这同样是很有意义的。应用咽鼓管功能声测法来检测咽鼓管是否开放时，数据分析的要点就是要能对声源信号的时域声功率级变化进行跟踪提取和定量统计分析。因为声源信号的声功率级变化发生在吞咽动作之后，那么，明确吞咽动作发生的时刻对数据分析至关重要。然而，既往相关研究中，对吞咽时刻的定义有些是通过肌电图变化来同步表示，更多的则模糊未明确定义。本研究发现，环境干扰噪声基本集中在3 kHz以下，合适的声源信号频带会选择在3～6 kHz之间，而吞咽动作是贯穿1～10 kHz的短时宽频信号，那么，在进行咽鼓管功能声测法测试时，外耳道内收集到的声信号中6 kHz以上频段短时间内能量非常集中的升高只可能由吞咽动作产生；所以，本研究提出通过计算每128/3 000秒区间内6～10 kHz频带上平均声功率级的方法来定位每次吞咽动作伴随的冲击声信号最强时刻，以此作为中心时刻来对声源信号的时域声功率级变化进行提取和定量统计分析。本研究中对吞咽中心时刻的定义在文献中未曾提及，认为对吞咽中心时刻对应的声学特征标定是非常重要的，不仅关系到本研究中对声功率级变化进行提取分析，同时，也关系到今后进一步开发机器学习模型时以此来自动识别吞咽动作的发生；特别对于低龄儿童，无法根据指令完成吞咽动作时，只能依靠喝水来促使吞咽发生，这种没有规律的不定时的吞咽动作需要通过对声学特征数据的机器学习来进行有效识别分类，而此类分频段短时声功率级的时域变化正是一种所需的声学特征。

综上所述，采用7～8 kHz作为声源信号传导稳定性较差，采用宽频和相对窄带白噪声信号易受吞咽噪声干扰影响判断；咽鼓管功能声测法声源信号较为合适的测试声源频段为3～6 kHz中频；本研究对吞咽动作最强时刻进行了定义，为下一步改良咽鼓管功能声测法奠定了基础。本研究下一步将设计实验在3～6 kHz频率区间内进一步找到最为合理的测试频率，并且，既往研究中通常采用外耳道声信号强度上升5 dB的简单量化指标来作为咽鼓管开放的依据，由于个体间的差异性和生理活动的非稳态特点，这样的评判指标很可能鲁棒性(robust的音译，健壮和强壮的意思，它也是在异常和危险情况下系统生存的能力。)不够，下一步也将对咽鼓管开放的依据指标进行分析探索。此外，增加样本量以及进一步在咽鼓管功能障碍和分泌性中耳炎患者中测试验证也是需要的。