CN103115880B - 一种激光诱发听觉神经的光谱分析方法 - Google Patents

Abstract

一种激光诱发听觉神经的光谱分析方法，属于人造光学耳蜗技术领域。该装置包括宽谱光源，光谱仪和计算机等，耳蜗组织样品玻片和参考玻片作为观察对象放置在显微镜的载物台上，宽谱光源由载物台下方辐照玻片，宽谱光经过玻片吸收后从玻片上方透射到空间，再进入载物台上方的物镜，然后通过光纤适配器将此透射光耦合到光纤，透射光经光纤传输后输入光谱仪，光谱仪通过数据线连接到计算机，通过软件显示透射光的光谱，以判断组织对各种波长光的吸收情况。本发明简单易行，测量准确，为确定光学耳蜗中利用激光触发听觉神经的最佳光源波长提供了有效的方法，为光学耳蜗的继续研究和发展奠定了基础。

Description

一种激光诱发听觉神经的光谱分析方法

技术领域

本发明涉及一种激光诱发听觉神经的光谱分析方法，具体讲的是一种利用显微光纤光谱仪对耳蜗中不同组织的吸收光谱特性进行分析的方法。属于人造光学耳蜗技术领域。

背景技术

听觉是人类赖以生存最基本的感知能力之一。但是由于种种原因，有些人失去了听觉感知，继而导致言语交流障碍。目前应用的电子耳蜗，仍存在若干不尽人意的地方有待提高，其电极产生的激励电流具有扩散效应，易造成电极间电场干扰，引起信号失真，从而降低了刺激点的频率选择性，总电极数不易再提高。与电子耳蜗中利用电流触发听觉不同，在耳蜗内用光纤取代电极导入激光，与电极相比光纤更易组成密集阵列，具备更好传导声谱信息的潜质，这种利用激光触发听觉的人工耳蜗是一个全新的尝试，我们称之为光学耳蜗。激光具有良好的方向性，在耳蜗内激光不会像电流那样往周围扩散，可以精确地触发光纤输出面所对的听觉神经，且两个相邻光纤之间不会发生相互干扰，可以在耳蜗内植入比较多的光纤，激光触发听觉的光学耳蜗有望使频率分辨得到显著提高。对于生物体，当高能量密度的脉冲激光被导入耳蜗内直接照射螺旋神经节组织时，螺旋神经节因为吸收了激光能量，温度升高，触发了听觉神经。美国西北大学Richter教授的科研小组率先在豚鼠上尝试了激光触发听觉的可行性研究，Izzo等人在具有正常听觉的豚鼠上进行了音频声波和激光触发CAP（compoundaction potential，复合动作电位）的对比实验。后来德国汉诺威医学院的Lenarz教授领导的科研小组利用纳秒脉冲激光在耳蜗内成功触发了听觉。

公开号为WO 2005/089497 A2的国际专利“Method and Application for Tuning of theCochlea”,作者为Lenarz小组的Wenzel，提出了激光刺激听觉神经的概念，并证明了用694nm的激光辐照动物的基底膜会引起其内的胶原质发生改变。

<IEEE Trans Biomed Eng>2007,54:1108-1114，作者为Richter小组的Izzo AD，名称为“Optical parameter variability in laser nerve stimulation:a study of pulseduration,repetition rate,and wavelength”的文章中，使用音频声波触发豚鼠的鼓膜的振动，鼓膜振动通过中耳的三块听小骨被传递到内耳并引起淋巴液的运动，使基底膜发生振动并诱发基底膜上毛细胞（Hair cell）产生听觉神经冲动，然后他们使用光纤把1870nm近红外微秒脉冲激光导入耳蜗内，通过照射螺旋神经节组织也观测到了CAP，验证了激光触发与声波触发的CAP波形是非常相似的。

<Journal of Biomedical Optics>,2009,14(4):044007，作者为Wenzel GI,BasterS,Zhang KY,Lim HH,Lubatschowski H,Lenarz T,Ertmer W and Reuter G，题目为“Greenlaser light activates the inner ear”的文章中，利用532nm的激光脉冲在耳蜗内也成功触发了听觉神经冲动。与Richter等人的光热触发方案不同，他们利用脉冲激光在连接基底膜的骨螺旋板内产生脉冲声波。

虽然文献报道了利用激光在耳蜗内成功触发了听觉反应，但是由于对耳蜗内生物组织的光学性质缺乏了解，都没有明确说明波长如何选取，耳蜗组织对此种波长光的吸收如何。

发明内容

为了探究耳蜗内生物组织的光学特性，分析耳蜗内生物组织对于不同波长的光的吸收情况，以确定适合人工光学耳蜗的光致声波源，本发明提出了通过对耳蜗中不同组织测量光谱吸收特性，探讨激光参数的变化对触发听觉神经组织的影响，揭示激光直接触发听觉神经的机制，进而明确光谱最佳吸收波长。本发明旨在提供一种激光诱发听觉神经的光谱分析方法。

本发明的技术方案如下：

一种激光诱发听觉神经的光谱分析方法，由下述装置来实现，该装置包括宽谱光源，显微镜，光纤适配器，光纤，光谱仪和计算机，耳蜗组织样品玻片和参考玻片作为观察对象放置在显微镜的载物台上，宽谱光源从载物台下方照射玻片，宽谱光经过玻片吸收后从玻片上方透射出来，再进入载物台上方的物镜，然后通过光纤适配器将此透射光耦合到光纤，经光纤传输后透射光输入光谱仪，光谱仪通过数据线连接到计算机，通过软件在计算机显示屏上显示透射光的光谱，该方法步骤如下：

1）准备动物豚鼠耳蜗组织样品玻片和相应的参考玻片，利用载玻片、盖玻片、甘油封片剂和动物豚鼠耳蜗内的不同组织如基底膜，螺旋神经节，毛细胞制成尺寸约为300-500平方微米的玻片，其步骤为先将尺寸约为300-500平方微米的不同组织如基底膜，螺旋神经节，毛细胞组织切片贴在载玻片上，然后加甘油封片剂后再将盖玻片盖在载玻片上制成各种耳蜗组织样品玻片，即基底膜组织样品玻片、螺旋神经节组织样品玻片和毛细胞组织样品玻片；选同样尺寸的载玻片和盖玻片，将蒸馏水涂在载玻片上，然后加甘油封片剂后再将盖玻片盖在载玻片上即制成参考玻片；

2）搭建光路：顺次连接好显微镜、光纤适配器、光纤、光谱仪以及计算机，打开宽谱光源，调整并校准光路，标记测试在显微镜载物台上光斑位置及区域，然后调节光斑尺寸至最小值，准备测试；

3）测试参考玻片的透射光谱：将参考玻片放置在显微镜载物台上定位好的区域，透射光透过显微镜的物镜后，被光纤适配器耦合到光纤，通过光纤传输后输入光谱仪，光谱仪内部光栅将收集到的入射光光谱分离，通过一个线阵CCD探测不同波长处光的强度，光谱仪通过数据线连接计算机，通过软件显示透射光谱，然后利用计算机软件观察并记录参考玻片的透射光谱信息；

4）测试基底膜样品玻片的透射光谱：将基底膜样品玻片放置在显微镜载物台上定位好的区域，利用跟步骤3）测试参考玻片的透射光谱同样的方法观察和测试采集其透射光谱信息；

5）判断使基底膜吸收性最佳的光源波长：计算参考玻片透射光谱信息和基底膜样品玻片光谱信息的差值，找出差值最大的点所对应的波长即为使基底膜吸收性最佳的光源波长；

6）判断螺旋神经节和毛细胞吸收性最佳的波长值：分别测试螺旋神经节和毛细胞样品玻片的透射光谱信息，并逐一与参考玻片进行对比，利用跟步骤5）中基底膜吸收性最佳的光源波长选择同样的方法找出螺旋神经节和毛细胞吸收性最佳的波长值，从而确定了基底膜、螺旋神经节和毛细胞吸收性最佳的光的波长值。

所述的宽谱光源为白光源卤钨灯光源。所述显微镜的放大倍数为140～3500倍可调，可以观察微米量级的样品。所述的光纤适配器用来将透射光耦合到光纤，进而通过光纤传入光谱分析仪。所述的光谱仪内部光栅将收集到的入射光光谱分离，通过一个线阵CCD探测不同波长处光的强度，光栅常数为1/300mm，线阵CCD像素数为3648pixels；光谱仪可测量光谱范围为400nm-2500nm，波长分辨率为1nm。所述的耳蜗组织样品玻片是有载玻片，盖玻片，甘油封片剂和耳蜗组织样品组成的。所述的参考玻片是与耳蜗组织样品玻片同时制作的，包含与制作耳蜗组织样品玻片使用的相同的载玻片，盖玻片和甘油封片剂。

本发明具有以下有益效果：

1）本发明以动物豚鼠耳蜗为研究对象，利用宽带光谱的光源辐照耳蜗内不同的组织，通过显微光纤光谱仪测量其光谱吸收特性，为确定光学耳蜗中利用激光触发听觉神经的最佳光源波长提供了有效的方法。

2）本发明测量准确，波长精确度达到1nm。

3）本发明方法简单易行，思路清晰，解决了当前人工光学耳蜗研究中光源波长选择欠缺依据的问题。也为人工光学耳蜗的继续研究和发展奠定了良好的基础。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。其中：1、宽谱光源，2、显微镜，3、耳蜗组织样品和参考玻片，4、光纤适配器，5、光纤，6、光谱仪，7、计算机，8、载物台，9、物镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例：

本发明实施例如图1所示，一种激光诱发听觉神经的光谱分析方法，由下述装置来实现，该装置包括宽谱光源1，显微镜2，光纤适配器4，光纤5，光谱仪6和计算机7，耳蜗组织样品玻片和参考玻片3作为观察对象放置在显微镜2的载物台8上，宽谱光源1从载物台8下方照射玻片，宽谱光经过玻片吸收后从玻片上方透射出来，再进入载物台8上方的物镜9，然后通过光纤适配器4将此透射光耦合到光纤5，经光纤5传输后透射光输入光谱仪6，光谱仪6通过数据线连接到计算机7，通过软件在计算机7显示屏上显示透射光的光谱，该方法步骤如下：

1）准备动物豚鼠耳蜗组织样品玻片和相应的参考玻片，利用载玻片、盖玻片、甘油封片剂和动物豚鼠耳蜗内的不同组织如基底膜，螺旋神经节，毛细胞制成尺寸约为300-500平方微米的玻片，其步骤为先将尺寸约为300-500平方微米的不同组织如基底膜，螺旋神经节，毛细胞组织切片贴在载玻片上，然后加甘油封片剂后再将盖玻片盖在载玻片上制成各种耳蜗组织样品玻片，即基底膜组织样品玻片、螺旋神经节组织样品玻片和毛细胞组织样品玻片；选同样尺寸的载玻片和盖玻片，将蒸馏水涂在载玻片上，然后加甘油封片剂后再将盖玻片盖在载玻片上即制成参考玻片；

2）搭建光路：顺次连接好显微镜、光纤适配器、光纤、光谱仪以及计算机，打开宽谱光源，调整并校准光路，标记测试在显微镜载物台上光斑位置及区域，然后调节光斑尺寸至最小值，准备测试；

3）测试参考玻片的透射光谱：将参考玻片放置在显微镜载物台上定位好的区域，透射光透过显微镜的物镜后，被光纤适配器耦合到光纤，通过光纤传输后输入光谱仪，光谱仪内部光栅将收集到的入射光光谱分离，通过一个线阵CCD探测不同波长处光的强度，光谱仪通过数据线连接计算机，通过软件显示透射光谱，然后利用计算机软件观察并记录参考玻片的透射光谱信息；

4）测试基底膜样品玻片的透射光谱：将基底膜样品玻片放置在显微镜载物台上定位好的区域，利用跟步骤3）测试参考玻片的透射光谱同样的方法观察和测试采集其透射光谱信息；

5）判断使基底膜吸收性最佳的光源波长：计算参考玻片透射光谱信息和基底膜样品玻片光谱信息的差值，找出差值最大的点所对应的波长即为使基底膜吸收性最佳的光源波长；

6）判断螺旋神经节和毛细胞吸收性最佳的波长值：分别测试螺旋神经节和毛细胞样品玻片的透射光谱信息，并逐一与参考玻片进行对比，利用跟步骤5）中基底膜吸收性最佳的光源波长选择同样的方法找出螺旋神经节和毛细胞吸收性最佳的波长值，从而确定了基底膜、螺旋神经节和毛细胞吸收性最佳的光的波长值。

Claims (1)

1.一种激光诱发听觉神经的光谱分析方法，由下述装置来实现，该装置包括宽谱光源，显微镜，光纤适配器，光纤，光谱仪和计算机，耳蜗组织样品玻片和参考玻片作为观察对象放置在显微镜的载物台上，宽谱光源从载物台下方照射玻片，宽谱光经过玻片吸收后从玻片上方透射出来，再进入载物台上方的物镜，然后通过光纤适配器将此透射光耦合到光纤，经光纤传输后透射光输入光谱仪，光谱仪通过数据线连接到计算机，通过软件在计算机显示屏上显示透射光的光谱，该方法步骤如下：

1）准备动物豚鼠耳蜗组织样品玻片和相应的参考玻片，利用载玻片、盖玻片、甘油封片剂和动物豚鼠耳蜗内的不同组织如基底膜，螺旋神经节，毛细胞制成尺寸约为300-500平方微米的玻片，其步骤为先将尺寸约为300-500平方微米的不同组织如基底膜，螺旋神经节，毛细胞组织切片贴在载玻片上，然后加甘油封片剂后再将盖玻片盖在载玻片上制成各种耳蜗组织样品玻片，即基底膜组织样品玻片、螺旋神经节组织样品玻片和毛细胞组织样品玻片；选同样尺寸的载玻片和盖玻片，将蒸馏水涂在载玻片上，然后加甘油封片剂后再将盖玻片盖在载玻片上即制成参考玻片；

2）搭建光路：顺次连接好显微镜、光纤适配器、光纤、光谱仪以及计算机，打开宽谱光源，调整并校准光路，标记测试在显微镜载物台上光斑位置及区域，然后调节光斑尺寸至最小值，准备测试；

3）测试参考玻片的透射光谱：将参考玻片放置在显微镜载物台上定位好的区域，透射光透过显微镜的物镜后，被光纤适配器耦合到光纤，通过光纤传输后输入光谱仪，光谱仪内部光栅将收集到的入射光光谱分离，通过一个线阵CCD探测不同波长处光的强度，光谱仪通过数据线连接计算机，通过软件显示透射光谱，然后利用计算机软件观察并记录参考玻片的透射光谱信息；

4）测试基底膜样品玻片的透射光谱：将基底膜样品玻片放置在显微镜载物台上定位好的区域，利用跟步骤3）测试参考玻片的透射光谱同样的方法观察和测试采集其透射光谱信息；

5）判断使基底膜吸收性最佳的光源波长：计算参考玻片透射光谱信息和基底膜样品玻片光谱信息的差值，找出差值最大的点所对应的波长即为使基底膜吸收性最佳的光源波长；

6）判断螺旋神经节和毛细胞吸收性最佳的波长值：分别测试螺旋神经节和毛细胞样品玻片的透射光谱信息，并逐一与参考玻片进行对比，利用跟步骤5）中基底膜吸收性最佳的光源波长选择同样的方法找出螺旋神经节和毛细胞吸收性最佳的波长值，从而确定了基底膜、螺旋神经节和毛细胞吸收性最佳的光的波长值。