4.3.2(2). Otoakoestische emissies

4.3.2.1(2) Inleiding: het verschijnsel

In 1958 verscheen er in het tijdschrift ‘Nature’ een publicatie waaruit bleek dat de gehoordrempel, bij nauwkeurige meting, een nogal grillig verloop heeft. Bij het doorlopen van de frequentieschaal vertoont de gehoordrempel afwisselend maxima en minima. Fig.1. geeft daarvan een voorbeeld.

De Engelsman David Kemp was de eerste die systematisch onderzoek verrichtte om een verklaring te vinden voor deze fijnstructuur in het audiogram. Daarbij ontdekte hij dat dit niet alleen een kenmerk is van de gehoordrempel, maar ook dat de (subjectieve) luidheid van een zwakke toon afwisselend toe- en afneemt bij toenemende frequentie. De variatie in luidheid wordt kleiner als de meting met een sterkere toon wordt uitgevoerd. De fijnstructuur heeft dus vooral te maken met het waarnemen van zeer zwakke geluiden.

In 1976 kwam Kemp tot de conclusie dat de drempelbepalingen beïnvloed werden door ‘stimulated acoustic emissions’. Bij deze akoestische emissies gaat het om zwak geluid dat met een zekere vertragingstijd uit het oor te voorschijn komt, nadat een kortdurende geluidstimulus is aangeboden. De vertragingstijd is zo groot dat eenvoudige reflectie, zoals in een echoput, geen acceptabele verklaring oplevert. Kemp veronderstelde dat een reeks scherp afgestemde resonatoren verantwoordelijk moest zijn voor het verschijnsel, nabij de gehoordrempel.

De waarneming dat akoestische emissies alléén kunnen worden opgewekt in oren met een normale gehoordrempel bracht Kemp ertoe te veronderstellen dat akoestische emissies iets te maken moesten hebben met het proces waarmee in het binnenoor vloeistoftrillingen worden omgezet in zenuwactiviteit, het cochleaire transductieproces. Bij mensen met een perceptieve slechthorendheid konden namelijk geen akoestische emissies worden opgewekt.

Het was Kemp zelf – en ongeveer tegelijkertijd ook Wilson – die aantoonde dat het inderdaad mogelijk is om met een gevoelige microfoon de voortdurende aanwezigheid van zwakke tonen in de gehoorgang te registreren. Kemp en Wilson noemden dit verschijnsel ‘objectieve tinnitus’. Later kreeg het de naam ‘spontane otoakoestische emissie’.

De verklaring voor het verschijnsel is te vinden in de hoge versterking die het transducersysteem in de buitenste haarcellen bereikt in de buurt van de drempel, zoals besproken in Hfdst.4.3.1(2) en zoals ook al aangegeven door Kemp. Het systeem staat dan te ‘genereren’. Deze oscillatie ontstaat hetzij spontaan, hetzij als gevolg van de aanbieding van een klik. Het ligt daarom ook voor de hand om aan te nemen dat de verschillende soorten emissies die kunnen worden gemeten, verwant zijn. Zie voor aanvullende informatie en literatuur niveau 3.

4.3.2.2(2) Opstelling om otoakoestische emissies te meten

Er zijn verschillende soorten otoakoestische emissies. Het principe van de opstelling om de emissies te meten is weergegeven in Fig.2.. De opstelling bevat een stimulusgedeelte (‘input’) en een registratiegedeelte (‘output’). De responsies worden opgewekt door met regelmatige tussenpozen (bijv. 40 keer per seconde) een stimulus aan te bieden. In het geval van de spontane otoakoestische emissies wordt geen geluid aangeboden. Het stimulusgedeelte is voor elke categorie emissie anders. Aan de registratiekant bevindt zich een gevoelige microfoon en een middelaar, omdat de geproduceerde emissies erg zwak zijn. Voor het verkrijgen van een goede responsie is het nodig enkele honderden tot een paar duizend akoestische responsies te middelen.

De opstelling lijkt veel op de apparatuur die wordt gebruikt bij elektrocochleografie (ECoG) en hersenstamaudiometrie (BERA).

4.3.2.3(2) Verschillende soorten otoakoestische emissies

De eenvoudigste vorm waarin een emissie gemeten kan worden is de spontane otoakoestische emissie (‘spontaneous otoacoustic emission’ – SOAE). Hierbij wordt geen stimulus aangeboden aan het oor. Van het microfoonsignaal (zie Fig.2) wordt het gemiddelde frequentiespectrum bepaald. In dit spectrum, afgebeeld in Fig.3  zijn de SOAE’s te herkennen als scherpe pieken die boven de microfoonruis uitsteken. SOAE’s zijn dus zwakke zuivere toontjes die spontaan door het binnenoor worden uitgezonden.

Bij de CEOAE – ‘click evoked otoacoustic emissions’ wordt gestimuleerd met click. De CEOAE is de emissievorm zoals die voor het eerst door Kemp is gemeten. In het begin van de jaren tachtig werd deze emissie door veel auteurs daarom ook wel ‘Kemp-echo’ genoemd.

Zeer verwant aan de CEOAE is de met korte toonstootjes opgewekte ‘transiently evoked otoacoustic emission’ ( TEOAE). Om deze te meten wordt dezelfde opstelling gebruikt als bij de meting van de CEOAE. De klik dient slechts te worden vervangen door een toonstootje. Omdat een akoestische klik een signaal is dat zeer veel frequenties bevat, kan de CEOAE opgevat worden als de som van een reeks met toonstootjes van verschillende frequentie opgewekte TEOAE’s. De CEOAE heeft dus het voordeel dat in één meting een groot frequentiegebied kan worden bestreken. Het nadeel is echter dat interpretatie van het meetresultaat moeilijk is. De TEOAE heeft het voordeel dat interpretatie van het resultaat eenvoudiger kan zijn, omdat de stimulus (en ook de responsie) een zeer beperkt frequentiegebied omvat. Het gebruik van de term ‘TEOAE’ is overigens niet strikt gekoppeld aan stimulatie met een toonstootje. De termen ‘TEOAE’ en ‘CEOAE’ worden soms door elkaar gebruikt.

Bij het meten van de CEOAE en de TEOAE komt de responsie uit het binnenoor ná het aanbieden van de stimulus. Stimulus en responsie zijn dus in de tijd gescheiden. Dat is niet het geval voor de met een continue toon opgewekte emissie (‘stimulus frequency otoacoustic emission’ – SFOAE). Deze toon wekt als responsie een eveneens (zwakke) continue toon op. Zie Fig.4. . In de gehoorgang zijn dus tegelijk twee tonen (met dezelfde frequentie) aanwezig: de aangeboden toon en de emissietoon. Afhankelijk van het faseverschil zullen de twee tonen elkaar versterken of verzwakken. Dit faseverschil blijkt af te hangen van de frequentie. Bij een meting wordt daarom de frequentie van de stimulustoon verhoogd. Het gemeten signaal zal dan (bij een oor dat emissies heeft) een kenmerkend patroon met afwisselende maxima en minima vertonen tengevolge van afwisselende versterking en verzwakking. Dit patroon lijkt erg veel op de in Fig.1 weergegeven fijnstructuur in het audiogram. Zie ook niveau 3.

Wanneer aan het oor in plaats van één toon tegelijkertijd twee tonen, met verschillende frequenties, worden aangeboden, worden in het binnenoor, als gevolg van de niet-lineaire eigenschappen van het gehoor, ‘nieuwe’ tonen opgewekt. De frequenties van deze tonen verschillen van die van de aangeboden tonen. De nieuwe tonen,

ook vervormingproducten genoemd, worden ook weer als zwakke akoestische signalen door het oor uitgezonden en zijn in de gehoorgang meetbaar. Daarom worden ook deze vervormingproducten gerekend tot de akoestische emissies. Ze heten vervormingsproduct-emissies (‘distortion product otoacoustic emission’ – DPOAE). Meestal wordt de sterkte gemeten van het vervormingproduct met frequentie 2f₁ – f₂ waarbij f₁ en f₂ de frequenties zijn van de aangeboden tonen. Zie Fig.5. . Omdat 2f₁ – f₂ = f₁ – (f₂ – f₁) ligt 2f₁ – f₂ in frequentie net zo ver beneden f₁ als f₂ boven f₁. Dit betekent dat de plaats van de DPOAE goed te markeren is.

De amplitude van de DPOAE is afhankelijk van de amplitude van de beide primaire tonen. Terwijl bij veel proefdieren de geluidsterkte van DPOAE’s ongeveer 40 dB onder het niveau van de primaire tonen zijn loopt dit verschil bij mensen op tot 60 dB of meer. DPOAEs zijn dus slechts met zeer gevoelige apparatuur te registreren.

In Tabel I zijn de verschillende vormen waarin OAE’s voorkomen nog eens samengevat. Zie voor aanvullende informatie niveau 3.

De meest gebruikte vormen zijn de CEOAE en de DPOAE. Deze zullen hierna iets uitgebreider worden besproken.

4.3.2.4(2) Klinische toepassing van otoakoestische emissies

De klinische toepassing van OAE’s is gebaseerd op de eerder genoemde waarneming dat de kans om een emissie te meten bij toenemende perceptieve slechthorendheid afneemt. Bij verliezen groter dan 40 dB is die kans vrijwel nul. Omgekeerd is het niet zo dat in 100% van de gevallen waarbij de gehoordrempel normaal is ook een emissie kan worden gemeten. Verreweg de meeste ervaring is tot nu toe opgedaan met de CEOAE. Het hiervoor door verschillende onderzoekers opgegeven percentage van een succesvolle meting bij een normaal gehoor varieert van 90 tot 100 procent. Jammer genoeg is er bij een (licht) gehoorverlies geen duidelijke relatie tussen de frequentie-inhoud van de gemeten CEOAE en het toonaudiogram.

Het grote voordeel van de DPOAE’s is dat er, zolang er geen sprake is van significante gehoorverliezen, bij zeer veel afzonderlijke frequenties gemeten kan worden. Het gebruik van de DPOAE’s is daarom sterk in opkomst als methode om het gehoor te screenen. Omdat de aanwezigheid van OAE’s beperkt is tot een – nagenoeg – normaal gehoor, zijn metingen van DPOAE’s echter niet te beschouwen als een vorm van – objectieve – audiometrie. De klinische toepassingen van de OAE’s worden besproken in Hfdst.8.2.2.

4.3.2.5(2) Specifieke eigenschappen van de DPOAE (‘Distortion Product Otoacoustic Emission’)

Het grote voordeel van de DPOAE’s is dat er continu en frequentieselectief gemeten kan worden. De meetmethode van de DPOAE is vrijwel gelijk aan die van andere emissies (Fig.2). Het onderscheid met andere opgewekte emissies is dat twee tonen (frequenties f₁ en f₂) aangeboden worden en dat een derde toon (frequentie 2f₁ – f₂) gemeten wordt. Hierdoor kunnen de stimulus- en responsietonen eenvoudig van elkaar gescheiden worden en kan de responsie continu gemeten worden. De twee tonen worden door twee telefoons gegenereerd en met een microfoon wordt het geluid (stimulus en responsie) opgevangen. Vervolgens worden uit het microfoonsignaal de sterkte en de fase van de 2f₁ – f₂  component bepaald. Het is daarbij van belang dat de gehoorgang goed wordt afgesloten en dat de vervorming van het meetsysteem minimaal is. Zie voor de ijking van de apparatuur niveau 3.

De sterkte van de DPOAE ligt minstens 60 dB onder die van de primaire tonen. Omdat de aanwezigheid van OAE’s gekoppeld is aan het functioneren van de micromechanica in het binnenoor en dit mechanisme verzadigt bij ongeveer 60-70 dB SPL, mogen de primaire tonen niet sterker zijn dan 75 dB SPL. Het niveau van de DPOAE zal daarom tussen -30 en 15 dB SPL liggen. De ondergrens van dit gebied wordt bepaald door de ruis van het meetsysteem, van de omgeving en – voornamelijk bij lagere frequenties (< 2 kHz) – door de eigen fysiologische ruis van de patiënt/proefpersoon. Omdat de ruis per situatie en per individu verschilt, moet bij elke meting behalve het niveau van de DPOAE, ook het niveau van de ruis in het frequentiegebied rondom de frequentie van de DPOAE bepaald worden. Zie voor de eigenschappen van de DPOAE’s verder niveau 3.

Teneinde de DPOAE te kunnen gebruiken als een test voor de plaatselijke conditie van de buitenste haarcellen is het noodzakelijk te weten welke haarcellen de ‘2f₁ – f₂’ component genereren, d.w.z. over welk frequentiegebied het meetresultaat informatie geeft. Zowel uit theoretische overwegingen als uit experimentele resultaten is de conclusie dat de DPOAE uit meerdere bijdragen gevormd wordt, waarvan één afkomstig is van de plaats van generatie, gelegen in de buurt van de primaire tonen, en de andere uit reflecties hiervan waarvan die van de plaats van de ‘2f₁ – f₂ ’ component de grootste is. Afhankelijk van de verhouding van de frequenties zowel als van de sterkte van de primaire tonen overheerst de eerst- of laatstgenoemde bijdrage. De in klinische setting gebruikte primaire parameters (f₂/f₁ = 1/2 kHz en L₁/L₂ = 65/55 dB SPL) hebben tot gevolg dat de bijdrage van de primaire locatie de grootste is. Interferentie met de reflectiecomponenten van de DP plaats veroorzaakt fijnstructuur in DPOAE metingen (het ‘DPOAE-audiogram’ of ‘DP-gram’).

Literatuur

1. Allen JB. User manual for the CUBDIS distortion product measurement system. 1990, pp1-18.
2. Avan P, Bonfils P. Frequency specificity of human distortion product otoacoustic emissions. Audiology 1993; 32: 12-26.
3. Boerhave Cursus. KNO-Audiologie Academisch Ziekenhuis Leiden, 1996.
4. Brown AM, McDowell B, Forge A. Acoustic distortion products can be used to monitor the effects of chronic gentamicin treatment. Hearing Research 1989; 42: 143-156.
5. Brown AM, Gaskill SA, Carylon RP, Williams DM. Acoustic distortion as a measure of frequency selectivity: Relation to psychophysical equivalent rectangular bandwidth. J Acoust Soc Am 1993; 93: 3291- 3297.
6. Elliot E. A ripple effect in the audiogram. Nature 1958; 181: 1076.
7. Franklin D J, McCoy MJ, Martin GK, Lonsbury-Martin, BL. Test/Retest reliability of distortion-product and transiently evoked otoacoustic emissions. Ear and Hearing 1992; 13: 417-429.
8. Gaskill SA, Brown AM. The behaviour of the acoustic distortion product, 2f₁,-f₂, from the human ear and its relation to auditory sensitivity. J Acoust Soc Am 1990: 88: 821-839.
9. Gold T. Hearing II. The physical basis of the action of the cochlea. Proc Roy Soc B 19481; 35: 492-498.
10. Gorga MP, Neely ST, Bergman B, Beauchaine KL, Kaminski JR, Peters J, Jesteadt W. Otoacoustic emissions from normal-hearing and hearing-impaired subjects: Distortion product responses. J Acoust Soc Am 1993; 93: 2050-2060.
11. Harris FP, Probst R, Xu L. Suppression of the 2f₁-f₂ otoacoustic emissions in humans. Hearing Research 1992; 64: 133-141.
12. Horst JW, Wit HP and Ritsma RJ. Psychophysical aspects of cochlear acoustic emissions (‘Kemp-tones’). In: Hearing – Physiological Bases and Psychophysics, 1983, pp 89-94. Springer, Berlin.
13. Horst JW (1983). Persoolijke communicatie (Lamoré).
14. Kemp DT. The evoked cochlear mechanical response and the auditory microstructure – evidence for a new element in cochlear mechanics. Scand Audiol 1979a; Suppl 9: 35- 47.
15. Kemp DT. Evidence of mechanical nonlinearity and frequency selective wave amplification in the cochlea. Arch Otorthinolaryngol 1979b; 224: 37-45.
16. Kemp DT, Chum R. Properties of the generator of stimulated acoustic emissions. Hearing Research 1980; 2: 213-232.
17. Kim DO, Molnar CE, Matthews JW. Cochlear mechanics: nonlinear behavior in two-tone responses as reflected in cochlear-nerve-fiber responses and responses in ear-canal sound pressure. J Acoust Soc Am 1980; 67: 1704-1721.
18. Kummer P, Janssen T, Arnold W. Suppression tuning characteristics of the 2 f₁-f₂ distortion-product otoacoustic emission in humans. J Acoust Soc Am 1995; 98: 197-210.
19. Lasky R, Perlman J, Hecox K. Distortion-product Otoacoustic Emissions in human newborns and adults. Ear and Hearing 1992: 13: 430-441.
20. Lonsbury-Martin BL, Harris FP, Stagner BB, Hawkins MD, Martin GK. Distortion product emissions in humans: I. Basic properties in normally hearing subjects. Ann Otol Rhinol Laryngol 1990; Suppl 147: 3- 14.
21. Lonsbury-Martin BL, McCoy MJ, Whitehead ML, Martin GK. Clinical testing of distortion product otoacoustic emissions. Ear and Hearing 1993; 1: 11-22.
22. Martin GK, Lonsbury-Martin BL, Probst R, Coats AC. Acoustic distortion products in in rabbit ear canal. II Sites of origin revealed by contours and pure-tone exposures. Hearing Research 1987; 28: 191- 208.
23. Moulin A., Collet L, Veuillet E, Morgon A. Interrelations between transiently evoked otoacoustic emissions, spontaneous otoacoustic emissions and acoustic distortion products in normally hearing subjects. Hearing Research 1993; 65: 216-233.
24. Plinkert PK, Harris FP, Probst R. Der Einsatz akustischer Distortions-produkte zur klinischen Diagnostik. Der Entstehungsort ihrer otoakustischen Emissionen im Innenohr. HNO 1993; 41: 339-344.
25. Probst R, Lonsbury-Martin BL, Martin GK. A review of otoacoustic emissions. J Acoust Soc Am 1991; 89: 2027-2067.
26. Robles L, Ruggero MA, Rich NC. Two-tone distortion in the basilar membrane of the cochlea. Nature 1991; 6308: 413-414.
27. Spector Z, Leonard G, Kim DO, Jung MD, Smurzinski J. Otoacoustic emissions in normal and hearing impaired children and normal adults. Larungoscope 1991; 101: 965-974.
28. Wilson JP. Model for cochlear echoes and tinnitus based on an observed electrical correlate. Hearing Research 1980; 2:527-532.
29. Zurek PM. Spontaneous narrowband acoustic signals emitted by human ears. J Acoust Soc Am 1981; 69: 514-523.

Overige literatuur

1. Bess FH and Hall-III JW (eds). Screening Children for Auditory Function. Nashville, Tennesee, USA , 1992
2. Békésy, von G. Uber die nichtlinearen Verzerrugen des Ohres. Ann Phys Lpz 1934; 20: 809-811.
3. Bonfils P, Diron JP, Uziel A, Pujol R. A correlative study of evoked otoacoustic emission properties and audiometric thresholds. Arch.Otorhinolaryngol 1988; 245: 53-56.
4. Collet L, Veuillet E, Bene J, Morgon A. Effects of contralateral white noise on click-evoked emissions in normal and seasorineural ears: towards an exploration of the medial olivocochlear system. Audiology 1992; 31: 1-7.
5. Collet L, Veuillet E, Chanal JM, Morgon, A. Evoked otoacoustic emissions: correlates between spectrum analysis and audiogram. Audiology 1991; 30: 164-172.
6. Van Dijk P, Wit HP, Segenhout JM. Spontaneous otoacoustic emissions in the European edible frog (rana esculenta): spectral details and temperature dependence. Hearing Research 1989; 42: 273- 282.
7. Goldstein JL. Auditory nonlinearity. J Acoust Soc Am 1967; 41: 676-689.
8. Harris FP, Lonsbury-Martin BL, Stagner AC, Coats AC, Martin GK. Acoustic distortion products in humans: systematic changes in amplitude as a function of f₂/f₁ ratio. J Acoust Soc Am 1989; 85: 220-229.
9. Heitmann J, Waldmann B, Plinkert PK. Limitations in the use of distortion product otoacoustic emissions in objective audiometry as the result of fine structure Eur. Arch Otorhinolaryngol 1996; 253: 167- 171.
10. Helmholtz H. Die Lehre der Tonempfindungen, als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik. Dritte Ausgabe, Braunschweig, 1870.
11. Janssen T, Kummer P, Arnold W. Growth behavior of the 2 f₁-f₂ distortion product otoacoustic emission in tinnitus. J Acoust Soc Am 1998; 103: 3418-3430.
12. Kanis LJ, de Boer E. The emperor’s new clothes: DP emissions in a locally active nonlinear model of the cochlea. In Duifhuis H, Horst JW, van Dijk P, van netten, SM (eds): Biophysics in hair cell sensory sytems. World Scientific, Singapore, 1993, pp 304-314.
13. Kemp DT. Stimulated acoustic emissions from within the human auditory system. J Acoust Soc Am 1978; 64: 1386-1391.
14. Kimberley BP, Nelson DA. Distortion product emissions and sensorineural hearing loss. J Otolaryngol 1989; 18: 365-369.
15. Kok MR, van Zanten GA, Brocaar MP, Wallenburg HCS. Click-Evoked Oto-acoustic Emissions (EOAE’s) in 1036 ears of Healthy Newborns. Audiology 1993; 32: 213-224.
16. Kok MR, van Zanten GA, Brocaar MP. Aspects of spontaneous emissions in healthy newborns. Hearing Research 1993; 69: 115-123.
17. Kok MR, van Zanten GA, Brocaar MP. Growth of evoked otoacoustic emissions the first days post partum: A preliminary study. Audiology 1993; 31:140-149.
18. Manley GA, Schulze M, Oeckinghaus H. Otoacoustic emissions in a song bird. Hearing Research 1987; 26: 257-266.
19. Mott JB, Norton SJ, Neely ST, Warr WB. Changes in spontaneous otoacoustic emissions produced by acoustic stimulation of the contralateral ear. Hearing Research 1989; 38: 229-242.
20. Neely ST. A model of cochlear mechanics with outer hair cell motility. J Acoust Soc Am 1993; 94: 137-146.
21. Smoorenburg GF. Combination tones and their origin. J Acoust Soc Am 1972; 52: 615-632.
22. Swigart ET (ed.). Neonatal Hearing Screening. San Diego, California, USA, 1986.
23. Talmadge CL, Tubis A. . On modeling the connection between spontaneous and evoked otoacoustic emissions. In Duifhuis H, Horst JW, van Dijk P, van netten, SM (eds): Biophysics in hair cell sensory sytems. World Scientific, Singapore, 1993, pp 25-32.
24. Talmadge CL, Tubis A., Wit HP, Long GL. Are spontaneous otoacoustic emissions generated by self-sustained cochlear oscillators? J Acoust Soc Am 1991; 89: 2391-2399.
25. White KR, Behrens TR (eds). The Rhode Island Hearing Assessment Project: implications for universal newborn hearing screening. Seminars in Hearing 1993; 14: 1-119, New York, USA.
26. Zurek PM. Acoustic emissions from the ear: a summary of results from humans and animals. J. Acoust Soc Am 1985; 78: 340-344.
27. Zwicker E, Schloth E. Interrelation of different otoacoustic emissions. J Acoust Soc Am 1984; 75: 1148-1154.

Auteur

Wit, Prijs, van Zanten

Revisie

2007