听性脑干反应的相位谱分析和阈值测定
作者：杨宜林 吕建忠 唐小青
单位：杨宜林(北京市耳鼻咽喉科研究所生理室 北京 100005)；吕建忠(北京市耳鼻咽喉科研究所生理室 北京 100005)；唐小青(北京市耳鼻咽喉科研究所生理室 北京 100005)
关键词：听性脑干反应发；相位谱分析；同步度
听力学及言语疾病杂志000201 【摘要】 目的 证实相位谱分析方法——以同步度(SM)为指标测定听性脑干反应(ABR)阈值的实用性。方法 基于对正常组(40耳)30 dB短声诱发ABR相位谱所解析出的有效傅里叶成分100～1 170 Hz，并根据Fridman建立的阳性诱发反应阈值判断公式SM>
+ZPσsm，计算出SM阈值标准为0.13，进而应用于受试组(46耳)ABR的谱分析及阈值测试，同时与ABR时域分析阈值进行比较。结果 受试耳中，谱分析和时域分析阈值相同的有32耳，谱分析阈值高于和低于时域分析阈值分别有8耳和6耳(相差均不超过10 dB)，两者之间统计分析：配对t检验，无显著性差异；相关分析，高度相关。结论 Fridman相位谱分析是一种有效的客观自动化测试ABR阈值的方法。
, http://www.100md.com
【中图分类号】 R764.04 【文献标识码】 A
【文章编号】 1006-7299(2000)02-0065-03
Phase Spectral Analysis of Auditory Brainstem Response and Threshold Detection
Yang Yilin,Lu Jianzhong,Tang Xiaoqing.
(Department of Physiology,Beijing Institute of Otolaryngology,Beijing,100005)
【Abstract】 Objective To confirm the utility of the phase spectral analysis developed by Fridman,known as the synchrony measure(SM) method,for objective detection of auditory brainstem response(ABR)thresholds.Methods A criterion for the presence of a response was SM>+ZPσsm.In this study,the threshold criterion was 0.13,as calculated from the efficient Fourier components at 100 to 1 170 Hz of ABR elicited with 30 dB nHL clicks in a normal group of totally 40 ears.On the basis of the above criterion,ABR thresholds were detected by the phase spectral analysis in a experimental group including 46 ears.The results were compared with the thresholds visually determined on the waveforms of ABR for the same individuals.Results Response thresholds obtained by the phase spectral analysis were the same as those by visual analysis in 32 out of the 46 ears,while the former values were 10 dB higher in 8 ears and 10 dB lower in 6 ears.Highly significant correlation and no significant differences were seen between findings of these two methods by statistical analysis.Conclusion The phase spectral analysis is an useful tool for objective detection of ABR thresholds.
, http://www.100md.com
【Key words】 Auditory brainstem response Phase spectral analysis Synchrony measure
听性脑干反应(auditory brainstem response,ABR)是目前临床应用较为广泛的一种中、高频听力测试方法[1，2]，对于不能配合主观听力测试的患者，尤其是对婴幼儿的听觉功能的评估，有客观、精确和方便等优点，ABR阈值测试的传统方法是以对时域电位波幅和潜伏期参量的分析为主观判断的依据，但在确定阈值时，特别是对于某些耳聋患者，ABR波形分化较差，加上测试者技术水平、经验等因素的影响，时域分析有其局限性。实现包括ABR在内的听神经电位的客观分析，并应用于临床听力学的客观诊断，是生物信号处理技术的一项重要研究内容，国内外学者对此已进行了有益的探讨和研究。
本实验采用Fridman建立的相位谱分析方法[3]对ABR相位特性进行研究，旨在提取出电位的特征参量并应用于阈值的定量计算，从而建立测试ABR阈值的客观自动化技术。
, http://www.100md.com
1 材料和方法
1.1 受试者
受试者分两组：同步度(synchrony measure,SM)阈值标准确定组和实测比较受试组。标准组：30人(男性14例，女性16例)，年龄7～34岁，纯音测试听力正常，共40耳。受试组：33人(男性22例，女性11例)，年龄2～71岁，共46耳(感音神经性聋30耳、传导性聋1耳、混合性聋5耳、听力正常10耳)。
1.2 ABR测试
ABR测试系统为Nicoles Spirit诱发电位仪。刺激参量：刺激声是交替短声(电脉冲波宽0.1 ms)，刺激速率每秒19.7次，强度以10 dB为一级，从10 dB nHL(O dB nHL＝30 dB peSPL)增加(衰减)，用TDH-39耳机给声。记录参量：分析时间20 ms，滤波通带100～3 000 Hz，采样敏度50 μV。引导电极布局：前额一记录电极，同侧乳突一参考电极，鼻根一接地电极，电极对地阻抗<5 kΩ。电位用于时域分析时采样叠加1 024次，用于相位谱分析时取10条波线，每条波线采样叠加200次。
, http://www.100md.com
1.3 ABR相位谱分析
图1 相位谱分析示意图。FFT：快速傅里叶变换，czt:调频z变换，CSM：分量同步度，n:电位波数，SM：同步度，φ(m)：傅里叶成分m的相位，M：计算SM所选傅里叶成分的个数
图1示意相位谱分析原理。同一强度ABR采样n条波线。基于调频Z变换和Mardia's公式[3]，计算电位各傅里叶成分的分量同步度(component synchrony measure,CSM)。CSM值的范围是0～1，代表了给定傅里叶成分的同步程度，如果某一成分同刺激相关，在n条波线中有相同的相位，则反应了刺激锁相，该成分的CSM值趋近1。当在波线与波线之间相位随机变化时，CSM值趋于0。选择构成ABR的傅里叶成分，计算所选M个傅里叶成分的CSM值的平均数——同步度(SM)，SM的变化范围也是0～1，当SM为1，代表电位波形完全重复。根据Fridman描述的谱分析方法，计算出判定诱发电位阈值的公式为SM>+ZPσsm，＝1/n，σ2SM＝(n-1)/n3M[3]，(Zp为显著性概率P时的高斯分布标准差)，如果某强度刺激声诱发电波的SM值大于+ZPσsm，则表明存在听诱发电位，从有阳性反应的SM最小值，即可客观地判断ABR阈值。ABR谱分析的时窗定为0～10 ms，窗两端各有0.4 ms的余弦升降，谱分析频率分辨率取10 Hz，分析范围0～3 000 Hz，在Pentium Ⅱ微机上进行。
, 百拇医药
2 结果
2.1 从相位谱分析确定用于定量ABR阈值的标准SM值
在标准组，强度30、20、10和0 dB短声诱发ABR和背景噪声电位的相位谱见图2。从图中可以看出，ABR相位谱主要成分基本分布在0～1 400 Hz范围，随着刺激强度的衰减，ABR的CSM峰明显降低，直到阈下强度0 dB时呈现同背景噪声电位同样平坦，低于CSM值的曲线，以正常人30 dB时ABR的相位谱曲线同背景曲线进行差别分析，取t检验P<0.001的傅里叶成分作为ABR相位谱的有效成分，经统计分析，带域为0～1 170 Hz，考虑电位采样的滤波范围，确定有效范围100～1 170 Hz，共M＝108个傅里叶成分。本实验设定同一强度采样电位10条波线，即n=10；P值取0.001，则ZP＝3.09。计算得出用于定量ABR阈值的标准SM值是+ZPσsm＝0.13。 
, http://www.100md.com
图2 各强度ABR和背景噪声电位的相位谱
2.2 ABR相位谱分析与时域分析阈值测试结果的比较
在受试组，对各测试耳进行一强度系列的ABR谱分析，计算出各分析强度100～1 170Hz范围的SM值，经与SM标准值(0.13)比较由此确定各耳的ABR阈值。谱分析结果与时域测试结果见图3，图中数字表示其临近点的个数。测试的46耳中，有32耳谱分析和时域分析的阈值相等，占总测试耳的69.6%；有8耳谱分析阈值比时域分析阈值高10 dB，占17.4%；6耳谱分析阈值比时域分析阈值低10 dB，占13.0%。两种方法所测阈值的差值无一耳大于10 dB，两种方法所测阈值的统计学分析结果为：配对t检验P>0.05，无显著性差异；相关分析r=0.96，P<0.001，高度相关。
图3 相位谱分析和时域分析ABR阈值的比较
, http://www.100md.com
3 讨论
诱发电位是同刺激锁相的电位，诱发电位同背景噪声本质的区别，就在于相位变化的高度一致性，而CSM和SM参量完全能体现这种相位的变化特点，即可定量反映某一傅里叶(频段)成分相位的一致或随机程度。ABR是复合电位，其幅度大小与电位同步程度相关，图1所示的电位CSM值与刺激强度关系、同电位幅度与刺激强度的关系是完全一致的，所以，SM测试方法应用于诱发电位分析有其理论意义。本实验相位谱客观分析所得ABR阈值，与主观视觉识别电位V波所得阈值高度相关，且两者无统计学差异，结果表明：Fridman相位谱参量CSM和SM，同时域电位的振幅和潜伏期等参量一样，是体现ABR本质的特征指标，在评估ABR阈值方面具有相同的效果。但目前临床对时域电位分析需要测试者具备一定的专业知识和经验，不仅费时费力，亦或多或少受耳聋患者电位波形的分化程度及测试者主观的影响。开拓对包括ABR在内的听觉诱发电位的客观分析研究，实现听功能的客观评估，应是临床听力学检查的发展方向。本研究在客观测试、分析ABR阈值方面取得了令人鼓舞的初步结果，再结合其他作者的研究[4～6]可以结论：Fridman相位谱技术，对实现听性诱发电位的自动化分析及听系疾病的客观诊断，将会发挥重要作用。
, 百拇医药
北京市科技新星计划课题
作者简介：杨宜林(1955-)，男，河北人，主管技师，主要从事听力学。
参考文献
1，Bellman S,Barnard S,Beagley HA.A nine-year review of 841 children tested by transtympanic electrocochleo-graphy[J].J Laryngol Otol,1984，98:1.
2，Bauch CD,Olsen WO.Auditory brainstem responses as a function of average hearing sencitivity for 2 000～4 000 Hz[J].Audiology,1998,27:156.
, 百拇医药
3，Fridman J,Zappulla R,Bergelson M,et al.Application of phase spectral analysis for brainstem auditory evoked potential detection in normal subjects and patients with posterior fossa tumors[J].Audiology,1984,23:99.
4，Aoyagi M,Kiren T,Furuse H,et al.Pure-tone threshold prediction by 80Hz amplitude-modulation following response[J].Acta Otolaryngol(Stockh),1994,Suppl 511:7.
5，吕建忠，唐小青，彭世春,等.听性脑干反应相位谱分析客观诊断中高频听力损失[J].耳鼻咽喉-头颈外科，1997，4:131.
6，Harada J,Aoyagi M,Suzuki T,et al.A study on the phase spectral analysis of middle latency response and 40-Hz event-related potential in central nervous system disorders[J].Acta Otolaryngol(Stockh)1994,Suppl 511:34.
1999-05-11收稿
1999-07-30修回, 百拇医药
单位：杨宜林(北京市耳鼻咽喉科研究所生理室 北京 100005)；吕建忠(北京市耳鼻咽喉科研究所生理室 北京 100005)；唐小青(北京市耳鼻咽喉科研究所生理室 北京 100005)
关键词：听性脑干反应发；相位谱分析；同步度
听力学及言语疾病杂志000201 【摘要】 目的 证实相位谱分析方法——以同步度(SM)为指标测定听性脑干反应(ABR)阈值的实用性。方法 基于对正常组(40耳)30 dB短声诱发ABR相位谱所解析出的有效傅里叶成分100～1 170 Hz，并根据Fridman建立的阳性诱发反应阈值判断公式SM>
+ZPσsm，计算出SM阈值标准为0.13，进而应用于受试组(46耳)ABR的谱分析及阈值测试，同时与ABR时域分析阈值进行比较。结果 受试耳中，谱分析和时域分析阈值相同的有32耳，谱分析阈值高于和低于时域分析阈值分别有8耳和6耳(相差均不超过10 dB)，两者之间统计分析：配对t检验，无显著性差异；相关分析，高度相关。结论 Fridman相位谱分析是一种有效的客观自动化测试ABR阈值的方法。, http://www.100md.com
【中图分类号】 R764.04 【文献标识码】 A
【文章编号】 1006-7299(2000)02-0065-03
Phase Spectral Analysis of Auditory Brainstem Response and Threshold Detection
Yang Yilin,Lu Jianzhong,Tang Xiaoqing.
(Department of Physiology,Beijing Institute of Otolaryngology,Beijing,100005)
【Abstract】 Objective To confirm the utility of the phase spectral analysis developed by Fridman,known as the synchrony measure(SM) method,for objective detection of auditory brainstem response(ABR)thresholds.Methods A criterion for the presence of a response was SM>
+ZPσsm.In this study,the threshold criterion was 0.13,as calculated from the efficient Fourier components at 100 to 1 170 Hz of ABR elicited with 30 dB nHL clicks in a normal group of totally 40 ears.On the basis of the above criterion,ABR thresholds were detected by the phase spectral analysis in a experimental group including 46 ears.The results were compared with the thresholds visually determined on the waveforms of ABR for the same individuals.Results Response thresholds obtained by the phase spectral analysis were the same as those by visual analysis in 32 out of the 46 ears,while the former values were 10 dB higher in 8 ears and 10 dB lower in 6 ears.Highly significant correlation and no significant differences were seen between findings of these two methods by statistical analysis.Conclusion The phase spectral analysis is an useful tool for objective detection of ABR thresholds., http://www.100md.com
【Key words】 Auditory brainstem response Phase spectral analysis Synchrony measure
听性脑干反应(auditory brainstem response,ABR)是目前临床应用较为广泛的一种中、高频听力测试方法[1，2]，对于不能配合主观听力测试的患者，尤其是对婴幼儿的听觉功能的评估，有客观、精确和方便等优点，ABR阈值测试的传统方法是以对时域电位波幅和潜伏期参量的分析为主观判断的依据，但在确定阈值时，特别是对于某些耳聋患者，ABR波形分化较差，加上测试者技术水平、经验等因素的影响，时域分析有其局限性。实现包括ABR在内的听神经电位的客观分析，并应用于临床听力学的客观诊断，是生物信号处理技术的一项重要研究内容，国内外学者对此已进行了有益的探讨和研究。
本实验采用Fridman建立的相位谱分析方法[3]对ABR相位特性进行研究，旨在提取出电位的特征参量并应用于阈值的定量计算，从而建立测试ABR阈值的客观自动化技术。
, http://www.100md.com
1 材料和方法
1.1 受试者
受试者分两组：同步度(synchrony measure,SM)阈值标准确定组和实测比较受试组。标准组：30人(男性14例，女性16例)，年龄7～34岁，纯音测试听力正常，共40耳。受试组：33人(男性22例，女性11例)，年龄2～71岁，共46耳(感音神经性聋30耳、传导性聋1耳、混合性聋5耳、听力正常10耳)。
1.2 ABR测试
ABR测试系统为Nicoles Spirit诱发电位仪。刺激参量：刺激声是交替短声(电脉冲波宽0.1 ms)，刺激速率每秒19.7次，强度以10 dB为一级，从10 dB nHL(O dB nHL＝30 dB peSPL)增加(衰减)，用TDH-39耳机给声。记录参量：分析时间20 ms，滤波通带100～3 000 Hz，采样敏度50 μV。引导电极布局：前额一记录电极，同侧乳突一参考电极，鼻根一接地电极，电极对地阻抗<5 kΩ。电位用于时域分析时采样叠加1 024次，用于相位谱分析时取10条波线，每条波线采样叠加200次。
, http://www.100md.com
1.3 ABR相位谱分析
图1 相位谱分析示意图。FFT：快速傅里叶变换，czt:调频z变换，CSM：分量同步度，n:电位波数，SM：同步度，φ(m)：傅里叶成分m的相位，M：计算SM所选傅里叶成分的个数
图1示意相位谱分析原理。同一强度ABR采样n条波线。基于调频Z变换和Mardia's公式[3]，计算电位各傅里叶成分的分量同步度(component synchrony measure,CSM)。CSM值的范围是0～1，代表了给定傅里叶成分的同步程度，如果某一成分同刺激相关，在n条波线中有相同的相位，则反应了刺激锁相，该成分的CSM值趋近1。当在波线与波线之间相位随机变化时，CSM值趋于0。选择构成ABR的傅里叶成分，计算所选M个傅里叶成分的CSM值的平均数——同步度(SM)，SM的变化范围也是0～1，当SM为1，代表电位波形完全重复。根据Fridman描述的谱分析方法，计算出判定诱发电位阈值的公式为SM>
+ZPσsm，＝1/n，σ2SM＝(n-1)/n3M[3]，(Zp为显著性概率P时的高斯分布标准差)，如果某强度刺激声诱发电波的SM值大于+ZPσsm，则表明存在听诱发电位，从有阳性反应的SM最小值，即可客观地判断ABR阈值。ABR谱分析的时窗定为0～10 ms，窗两端各有0.4 ms的余弦升降，谱分析频率分辨率取10 Hz，分析范围0～3 000 Hz，在Pentium Ⅱ微机上进行。, 百拇医药
2 结果
2.1 从相位谱分析确定用于定量ABR阈值的标准SM值
在标准组，强度30、20、10和0 dB短声诱发ABR和背景噪声电位的相位谱见图2。从图中可以看出，ABR相位谱主要成分基本分布在0～1 400 Hz范围，随着刺激强度的衰减，ABR的CSM峰明显降低，直到阈下强度0 dB时呈现同背景噪声电位同样平坦，低于CSM值的曲线，以正常人30 dB时ABR的相位谱曲线同背景曲线进行差别分析，取t检验P<0.001的傅里叶成分作为ABR相位谱的有效成分，经统计分析，带域为0～1 170 Hz，考虑电位采样的滤波范围，确定有效范围100～1 170 Hz，共M＝108个傅里叶成分。本实验设定同一强度采样电位10条波线，即n=10；P值取0.001，则ZP＝3.09。计算得出用于定量ABR阈值的标准SM值是
+ZPσsm＝0.13。 , http://www.100md.com
图2 各强度ABR和背景噪声电位的相位谱
2.2 ABR相位谱分析与时域分析阈值测试结果的比较
在受试组，对各测试耳进行一强度系列的ABR谱分析，计算出各分析强度100～1 170Hz范围的SM值，经与SM标准值(0.13)比较由此确定各耳的ABR阈值。谱分析结果与时域测试结果见图3，图中数字表示其临近点的个数。测试的46耳中，有32耳谱分析和时域分析的阈值相等，占总测试耳的69.6%；有8耳谱分析阈值比时域分析阈值高10 dB，占17.4%；6耳谱分析阈值比时域分析阈值低10 dB，占13.0%。两种方法所测阈值的差值无一耳大于10 dB，两种方法所测阈值的统计学分析结果为：配对t检验P>0.05，无显著性差异；相关分析r=0.96，P<0.001，高度相关。
图3 相位谱分析和时域分析ABR阈值的比较
, http://www.100md.com
3 讨论
诱发电位是同刺激锁相的电位，诱发电位同背景噪声本质的区别，就在于相位变化的高度一致性，而CSM和SM参量完全能体现这种相位的变化特点，即可定量反映某一傅里叶(频段)成分相位的一致或随机程度。ABR是复合电位，其幅度大小与电位同步程度相关，图1所示的电位CSM值与刺激强度关系、同电位幅度与刺激强度的关系是完全一致的，所以，SM测试方法应用于诱发电位分析有其理论意义。本实验相位谱客观分析所得ABR阈值，与主观视觉识别电位V波所得阈值高度相关，且两者无统计学差异，结果表明：Fridman相位谱参量CSM和SM，同时域电位的振幅和潜伏期等参量一样，是体现ABR本质的特征指标，在评估ABR阈值方面具有相同的效果。但目前临床对时域电位分析需要测试者具备一定的专业知识和经验，不仅费时费力，亦或多或少受耳聋患者电位波形的分化程度及测试者主观的影响。开拓对包括ABR在内的听觉诱发电位的客观分析研究，实现听功能的客观评估，应是临床听力学检查的发展方向。本研究在客观测试、分析ABR阈值方面取得了令人鼓舞的初步结果，再结合其他作者的研究[4～6]可以结论：Fridman相位谱技术，对实现听性诱发电位的自动化分析及听系疾病的客观诊断，将会发挥重要作用。
, 百拇医药
北京市科技新星计划课题
作者简介：杨宜林(1955-)，男，河北人，主管技师，主要从事听力学。
参考文献
1，Bellman S,Barnard S,Beagley HA.A nine-year review of 841 children tested by transtympanic electrocochleo-graphy[J].J Laryngol Otol,1984，98:1.
2，Bauch CD,Olsen WO.Auditory brainstem responses as a function of average hearing sencitivity for 2 000～4 000 Hz[J].Audiology,1998,27:156.
, 百拇医药
3，Fridman J,Zappulla R,Bergelson M,et al.Application of phase spectral analysis for brainstem auditory evoked potential detection in normal subjects and patients with posterior fossa tumors[J].Audiology,1984,23:99.
4，Aoyagi M,Kiren T,Furuse H,et al.Pure-tone threshold prediction by 80Hz amplitude-modulation following response[J].Acta Otolaryngol(Stockh),1994,Suppl 511:7.
5，吕建忠，唐小青，彭世春,等.听性脑干反应相位谱分析客观诊断中高频听力损失[J].耳鼻咽喉-头颈外科，1997，4:131.
6，Harada J,Aoyagi M,Suzuki T,et al.A study on the phase spectral analysis of middle latency response and 40-Hz event-related potential in central nervous system disorders[J].Acta Otolaryngol(Stockh)1994,Suppl 511:34.
1999-05-11收稿
1999-07-30修回, 百拇医药