Chirp聲刺激信號發展過程及其應用進展

雷艷劉綺明 黃偉洛

1重慶醫科大學附屬第一醫院耳鼻咽喉頭頸外科（重慶400016）

2廣州優聽電子科技有限公司（廣州510275）

3廣州醫科大學附屬第二醫院耳鼻咽喉頭頸外科（廣州510260）

1 Chirp聲刺激信號研制及發展歷史過程

根據維基百科全書解釋，chirp中文名字定義為線性調頻脈沖音，是指頻率隨時間而改變(增加或減少)的信號，其原理是對發射的寬帶調頻(FM)脈沖，在相位和振幅等方面進行校正和補償，并通過數字信號處理器進行處理，使換能器輸入較小峰值功率而得到較大信噪比。

作為一種新的聲學刺激聲信號，chirp聲刺激信號早在1960年便被用于聲納和雷達[1]，1985年，美國人Shore和Nuttall博士首次[2-4]將chirp刺激聲引入聽覺電生理反應測試，理論上講，chirp信號本身相位特征是“低頻聲音早發出，高頻聲音晚發出”，克服了由于耳蝸特殊解剖結構而造成行波延遲，能使更多神經纖維同時放電，反應波形振幅比短聲明顯，易于判斷閾值[3,4]。

2000年，Dau等人在de Boer基底膜模型基礎上產生一種chirp刺激聲信號[5]，使用上升頻率chirps聲補償聲音在耳蝸分區中傳導時間差異，從而產生聽覺神經纖維同步放電，并發現低刺激強度波V振幅更高，說明降低刺激強度時聽覺神經纖維同步性活動增強，作者認為不同刺激強度導致振幅差異是由于耳蝸興奮性增寬所引起，這種增寬使早期低頻能量刺激耳蝸基底區引起耳蝸神經放電去同步化。

2002年，Wegner等人在Dau開發的chirp刺激聲模型基礎上，延伸開發出具有頻率特性chirp聲信號（包括0.5-1k、1-2k、2-4k、4-8k和低頻250Hz五種頻率特性chirp聲）[6]，作者結論是0.5-1k低頻chirp特別適用于臨床使用，在中低刺激強度時，低頻chirp刺激聲引起波V振幅比在相同幅度和頻譜的短聲引起波V振幅更大。

2004年，Fobel和Dau比較兩種實驗性chirp刺激聲模型[7]。一種是基于對人類基底膜延遲而估計，這種延遲來自于刺激頻率耳聲發射（SFOAE），另一種是基于與短純音誘發波V數據相匹配延遲函數，隨著刺激強度降低，延遲時間逐漸變長。作者在Dau等人線性耳蝸模型基礎上，將兩種實驗性chirp刺激聲與原始chirp刺激聲進行比較，兩種實驗性chirp刺激聲分別被命名為O chirp和A chirp,原始chirp刺激聲則命名為M chirp，O chirp刺激聲設計來源于預估耳蝸基底膜延遲刺激頻率耳聲發射模型；A chirp刺激聲則來源于預估耳蝸行波時間頻率特異性短純音ABR模型；M chirp刺激聲使用Dau等人的原始平坦能量chirp聲模型。

2007年，Elberling等人為了補償時間彌散效應，把實際相位延遲負值應用到每一個短聲信號余弦上，從而生成一種新chirp聲信號，同時，為了區別于不同耳蝸延遲模型，分別設計了三種新chirp聲，并分別命名為Don chirp、Neely et al.chirp和de Boer chirp聲[8]。2010年，Elberling和Don等人在重新審視他們已發表文獻中數據[9]，描繪成衍生頻段刺激強度和潛伏期函數圖，并重新檢查檢測數據，發現在5700Hz至1400Hz衍生頻段在低刺激強度（10-20dBnHL）潛伏期差異具有顯著性改變，在低強度時，遺憾的是，已有數據不足以用來有效預測710Hz衍生頻段ABR的潛伏期，因此，1400Hz衍生頻段將是用來進行分析的最低頻段[10]。為此，作者在2008年chirp模型基礎上，又重新設計五種chirps聲信號，該組信號時程均不盡相同，目的是尋找最佳有效chirp聲信號。然后分別在20只耳上檢測五種chirps聲信號和短聲信號誘發ABR反應，刺激強度分別為60、40和20dBnHL，結果是五種chirp聲信號誘發ABR振幅都要比短聲高，其中，60dBnHL時，chirp 1和2（時程分別為1.86和2.56ms）誘發振幅最高；在40dBnHL時，五種chirp聲信號誘發振幅均等相同；在20dBnHL時，chirp 4和5（時程分別為4.14和5.04ms）誘發振幅最高，因此，作者建議在使用chirp聲信號評估耳蝸功能時需要考慮刺激強度，并且，chirp聲信號優勢還取決于耳蝸頻率特異性情況。

目前，市場上商用機器中所內置的chirp聲刺激信號開發設計均主要來自于Dau、Neely和de Boer等所開發出的耳蝸行波延遲模型[8]，其相位特征“低頻聲音早發出，高頻聲音晚發出”保持不變[4,8]。

2 在聽覺誘發反應測試技術中應用情況

2.1 在ABR應用情況

2.1.1 Chirp聲對于補償耳蝸內行波延遲及神經同步性價值

Lütkenh?ner等人利用居于Pantev等人居于耳蝸行波延遲參數從特定頻率ABR基礎上創建一個chirp刺激聲信號，分別檢測標準短聲和chirp ABR，刺激強度為5-35dBnHL，與經典短聲ABR相比較，chirp ABR可以獲得更高神經同步性反應，更大ABR振幅和更好反應探測結果[8,11]。

Fobel和Dau研究兩種實驗性chirp聲（O chirp和A chirp聲）結果表明，所有chirp刺激聲無論刺激強度多少，都比短聲引起更大的V波振幅。O chirp刺激聲和M chirp刺激聲誘發ABR在中低刺激強度差異性較小，在低刺激強度條件下，A chirp刺激聲誘發出最大ABR振幅。

Elberling和Don采用兩個刺激強度60和50dBnHL來誘發chirp聲刺激信號，結果提示在高強度下（60dBnHL）chirp聲誘發有效性反而降低，作者推測可能是由于刺激向上擴散所致，主要分歧在于：在低刺激強度時，chirp聲中每個頻率成分都會刺激特定耳蝸頻率區域，但在高刺激強度時，這種刺激就會擴散，特別會向上擴散，這種擴散取決于潛伏期-頻率模型chirp聲，該信號內每個頻率成分都會按照特定時間到達耳蝸內，在高刺激強度下，每個耳蝸內特定頻率位置將會被在不同時間點到達的更寬頻率成分到達刺激而興奮，這樣就會導致出現神經興奮去同步化，從而導致反應振幅降低，chirp聲時程越長，去同步化就越大，因此，高于此刺激強度，chirp聲就不如短聲那么有效[9]。

2.1.2 Chirp聲對于ABR用于神經診斷價值

Elberling和Don比較chirp ABRs和Stacked ABRs有效性研究，Stacked ABRs利用類似chirp聲概念居于衍生頻段檢測方法，目的也是提高耳蝸內神經放電活動同步性。與前面一些研究結果類似，與短聲信號相比，chirp聲誘發ABR振幅更高，chirp聲潛伏期比短聲潛伏期更短，標準差更大，變異性也更大。在60dBnHL刺激強度下，Stacked ABRs振幅要比chirp ABRs高，50dBnHL刺激強度下，兩者振幅較為接近，兩種方法似乎同樣有效[8,9]。

Kristensen等人分別比較了CE-Chirp聲、短聲和一種新LS-Chirp聲誘發ABR檢測[12]，在80dBnHL刺激強度下，LS-Chirp聲和短聲三個波（I、III和V波）100%引出（20/20=100%），CE-Chirp聲波I引出率為0（0/20=0%）、波III引出率為35%（7/20=35%）和波V引出率為90%（18/20=90%），在各波振幅方面，高強度（80dBnHL）時，LS-Chirp聲誘發波V平均振幅最高（666 nV），其次是短聲(599 nV)，CEChirp聲最低（456nV），在低強度刺激時（20,40和60 dB nHL），LS-Chirp聲和CE-Chirp聲誘發振幅比較接近，但短聲誘發振幅要比兩者低0.55-0.75倍，統計學數據分析顯示LS-Chirp聲在各個刺激聲強度下誘發波V振幅比短聲都要更高，比CE-Chirp聲在高強度（80dBnHL）時誘發振幅有顯著性差異，其他強度沒有顯著性差異，因此，用于聽覺通路神經診斷不如短聲優越。

2.1.3 Chirp聲對于ABR閾值與行為聽閾相關性價值

Bell等人使用有限帶寬性chirp刺激聲信號來補償頻率依賴性耳蝸延遲，對10個正常聽力成人分別比較chirp和短聲ABR反應閾值與行為聽閾，作者發現chirp ABR閾值比短聲ABR反應閾值更加接近行為聽閾[13]。

王小亞等人利用線性調頻脈沖音（chirp）為刺激音在3-6歲的兒童中行聽性腦干反應測試與兒童行為測聽進行比較，結果顯示其與行為測聽的相關性良好，行為測聽 0.5、1、2、4kHz平均聽閾與chirp ABR閾值、0.5kHz聽閾與L-chirp ABR閾值和1-4kHz平均聽閾與U-chirp ABR閾值之間的相關系數分別為0.939、0.900及0.930[14]。

Schmidt等人在10個ANSD兒童（平均年齡=6.6±2.7歲）比較chirp聲和短聲誘發ABR測試，發現各個刺激聲信號誘發的V波波幅大致相當，沒有顯著性差異，在高強度條件下各個刺激聲信號沒有同步性反應，但在中等強度下（65-75dBnHL）記錄到同步性反應，潛伏期大致都約在8ms左右，該8ms左右同步性反應來源尚未明確[15]。

綜上所見，chirp聲在誘發ABR檢測時，很好地補償耳蝸內行波延遲，使更多神經纖維同時放電，提高神經同步性，反應波形振幅更高，易于判斷閾值，所得ABR閾值更加接近行為聽閾[13-15]，在神經診斷應用價值方面，chirp聲刺激信號在高強度（80dBnHL）測試中所誘發出振幅并不比短聲優越，而且，chirp聲誘發ABR波I和波III分化并不好[12]，潛伏期要比傳統經典短聲信號短[16,17]，Kristensen等人認為chirp聲用于聽覺通路神經診斷不如短聲優越。

表1 chirp聲與短聲差異比較信息Table 1 The difference comparision of Chirp and Click stimulus

圖1 chirp聲與短聲經過IP 30插入式耳機后頻譜圖（左邊時域圖，右邊頻域圖）Fig.1 Spectrogram of chirp and Click stimulus delivered by the IP 30 insert phone(Left:time domain,Right:frequency domain)

2.2 在ASSR應用情況

聽性穩態反應（auditory steady-state response,ASSR）是由周期性調幅（AM)、調頻（FM）或者既調幅又調頻持續聲，或刺激速率在1-200Hz的短聲或短純音誘發穩態腦電反應，反應相位與刺激信號相位具有穩定關系[3]，這是傳統ASSR基本概念。但隨著chirp聲被引入聽覺電生理反應測試技術之中，具有頻率特性窄帶chirp聲也被用于ASSR檢測應用中[21-28]。

Stürzebecher等人在de Boer模型基礎上開發出可以補償耳蝸行波延遲特征的chirp聲信號[21]，該刺激聲信號用于記錄具有頻率特性ASSR檢測，四個具有頻率特性刺激聲信號分別是中心頻率在500、1000、2000和4000Hz，每個聲信號帶寬為約500Hz，每一個刺激聲信號均會與不進行耳蝸時域補償等同信號進行比較，所有ASSR檢測采用每秒90Hz刺激速率進行誘導，記錄每次反應信噪比（SNR)，最終，所有補償耳蝸延遲版信號誘發出信噪比比未補償版信號都要高。通過該研究，該類刺激聲信號可以讓我們獲得更好神經反應同步性，尤其針對低頻刺激聲信號，可以獲得更高反應振幅，并通過該正常聽力測試樣本驗證了該刺激聲信號效能，新的刺激聲信號可以顯著提高ASSR檢測(SNR)、更高探測率和更短探測時間。

Elberling等人采用三種chirp聲信號用每秒90次刺激速率誘導進行ASSR檢測，并與短聲信號進行對比，分別分析和比較檢出率、檢測時間和SNR，結果發現：在兩個刺激強度條件下，三種chirp聲檢測時間均明顯短于短聲信號，SNR也明顯高于短聲信號[8]。

史偉等人在國內首次報道了應用chirp-ASSR對嬰兒聽力篩查和頻率特異性聽閾評估研究，認為chirp-ASSR具有快速、特異性高等特點[3,22]。張帥等人報道了chirp-ASSR和短純音ABR在低月齡嬰兒的各個頻率間具有良好相關性，chirp-ASSR雙耳平均檢測時間為424秒，而tb-ABR平均為1266秒，chirp-ASSR可以節省約66%的時間[23]。

劉綺明等人對chirp-ASSR與行為聽閾之間關系進行了細致研究，結果顯示：聽力正常和異常組chirp-ASSR與行為聽閾之間關系密切，與傳統ASSR反應閾相比，chirp-ASSR反應閾與行為聽閾相關性沒有出現如0.5kHz低頻區較其他頻率差、隨著聽力損失加重和頻率升高兩者差值減小等現象[3,24]。艾毓等人對比傳統ASSR與NB chirp刺激聲誘發ASSR評價重度-極重度聾兒反應閾與行為聽閾相關性，結論是同傳統ASSR相比，NB chirp刺激聲誘發ASSR能更好反映純音聽閾[25]。

劉慶松等人對中耳疾病病人在聽力重建手術過程中行chirp-ASSR術中聽力監測，所得chirp-ASSR反應閾值與純音聽閾之間具有很強相關性，1、2、4kHz三個頻率相關系數分別是0.56、0.82和0.90，平均相關系數R=0.89，組內相關系數分別為0.70、0.90和0.95,平均檢測時間為7.0± 0.7 分鐘[28]。

王海濤認為，chirp-ASSR應用于臨床至少有如下優點[3]：1、chirp-ASSR閾值與行為聽閾之間具有良好相關性，可用于各種人群客觀聽閾評估；2、可用于新生兒聽力篩查，chirp-ASSR比其他檢測方法如OAE、AABR出現假陽性低；3、比傳統ASSR具有更好頻率特異性；4、比傳統ASSR檢測時間更短，可以提高工作效率。

2.3 在TEOAE應用情況

耳聲發射是耳蝸主動機制副產物，本身無任何生理作用，但代表著耳蝸內耗能主動性機械活動，是正常耳蝸功能重要組成部分[3]。瞬態誘發耳聲發射（TEOAE)是文獻中最先報道的一種耳聲發射，短聲和短純音都可以誘發TEOAE，最典型TEOAE刺激聲信號是短聲，該信號時程很短（只有0.1ms），但又會出現寬頻帶刺激，同時，短聲信號包含很少能量，最大刺激振幅受電聲換能器性能限制，為了獲得一個更好信噪比反應，需要輸入更多刺激能量。鑒于與刺激聲相關限制（如有限最大振幅和有限刺激時程），則需要選擇一個少或不失真傳遞最大能量到內耳的刺激聲信號[29,30]。

Neumann等人設計了一種chirp聲信號，基本思路是給定信號功率，讓這種chirp聲瞬時頻率在較長時間內取接近該頻率的值，那么在某一頻率處的頻譜能量就會增加，通過適當地選擇信號瞬時頻率的時程，就有可能對其頻譜進行處理。作者與傳

統短聲信號誘發TEOAE進行檢測對比，測試結果：chirp聲誘發的TEOAE幅值比短聲誘發的更高（17.9和 13.2dB），信噪比 SNR也更高（8.4和2.8dB），類似結果在其他的受試者上也同樣出現，作者結論是chirp聲是可用于TEOAE臨床應用的聲學刺激信號，與短聲相比，chirp聲誘發TEOAE檢測反應具有更高反應幅值和更高信噪比[29,31]。

Putterman等人認為，與TEOAE最為常用刺激聲短聲相比，采用chirp聲具有如下優勢：1、TEOAE檢測傳統最多只能檢測到4-5kHz耳蝸力學帶寬頻譜，而選用chirp聲作為刺激信號則可以擴展更高頻率特性，有研究者甚至可以把檢測頻率擴展到14.7kHz；2、用于檢測TEOAE瞬態刺激應該產生最小系統失真，采用chirp刺激聲要優于短聲；3、采用chirp刺激聲可以運用更高掃描速率如174.6Hz，測試速度更快[32-35]。

2.4 在VEMP應用情況

前庭誘發肌源性電位（VEMP）臨床用來評價前庭系統完整性，VEMP在中國應用于臨床已有20年，但仍處于不斷發展、成熟階段，并需要臨床上進一步積累，使其日臻完善[36]。常用來作為VEMP檢測刺激聲類型有短聲（Click）和短純音（tone burst），研究發現500-1000Hz之間短純音可誘發出更高VEMP振幅，常規使用500Hz短純音，但對該信號包絡上升、平臺和下降周期數不做強制性要求[37]。

王博琛等人采用chirp聲誘發頸性前庭誘發肌源性電位(cVEMP)檢測，觀察CE-chirp聲與短聲(click)、短音(Blackman pip)誘發頸性前庭誘發肌源性電位之間差異,探討CE-chirp作為刺激聲誘發產生頸部前庭誘發肌源性電位可行性及其機制，結果發現CE-chirp聲誘發cVEMP在正常者上引出率為100%，潛伏期更短，P1-N1振幅更高且有統計學差異，但窄帶CE-chirp 500Hz與tone pip 500Hz兩種刺激聲信號誘發的cVEMP振幅差異很小（14.422±5.505和13.334±5.849uV），這種這么小振幅差異是否受到肌張力的影響尚不能明確[38]。

?zgür等人比較采用短純音500Hz、短聲和chirp三種刺激聲來誘發VEMP檢測結果，發現短純音500Hz誘發cVEMP潛伏期更長(15.8±1.9 ms)，但振幅更高(35.9±17.1μV)；chirp誘發潛伏期最短(9.9±2.4 ms)，但振幅更小(33±18.6μV)，VEMP耳間不對稱性沒有顯著性差異[39]。

Walther等人采用短聲、短純音500Hz和chirp(CW-VEMP-chirp(250-1000 Hz，自行開發)，分別在10位正常志愿者和6位前庭神經炎患者進行VEMPs檢測，在正常人組中，chirp聲誘發cVEMP和oVEMP振幅都最高，三種聲音（chirp、短純音500Hz和短聲）誘發cVEMP振幅分別是233.4±117.9μV、183.2±87.1μV和108.5±63.1μV，oVEMP振幅分別是3.5±0.72μV、2.9±0.84μV和2.2±0.54μV，最后作者認為該chirp聲可以成為應用于VEMP診斷中有效刺激聲信號[40]。

3 結束語

chirp聲信號是近年來較為熱門一種聲學信號，本文簡要地回顧性介紹chirp聲信號研制發展歷史過程，與其他傳統刺激聲相比，在ABR檢測中更易于閾值的判斷，chirp-ASSR閾值與行為聽閾具有良好的相關性、有更好的頻率特異性，臨床上應廣泛開展應用chirp聲信號及相關技術，提高檢測效率，更好地為病人服務。