Bisher gibt es keinen Konsens darüber, wie Ototoxizität in Verlaufsmessungen standardisiert zu erfassen ist. Gegenwärtig in der Klinik eingesetzte DPOAE unterscheiden weder die beiden DPOAE-Komponenten infolge ihrer kontinuierlichen Anregung, noch berücksichtigen sie die individuelle Mittelohrübertragungsfunktion. Gepulste DPOAE mit individuell optimalen Anregungspegeln führen bei normalhörenden Probanden zu einer Verbesserung der Aussagekraft und einer geringeren Variabilität. Eine kombinierte Analyse von gepulsten DPOAE und Hörschwellen löst Änderungen des Hörstatus am besten auf.
Hintergrund und Fragestellung
Das Ziel von Verlaufsmessungen der Funktionsfähigkeit des cochleären Verstärkers ist es, tatsächlich auftretende Veränderungen mit hoher Sensitivität und Spezifität abzubilden. Im klinischen Alltag dienen Verlaufsmessungen beispielsweise dazu, rechtzeitig den Einfluss ototoxischer Substanzen auf die Funktionsfähigkeit des Gehörs oder den Effekt regenerativer Therapieansätze zu erkennen. Bisher gibt es allerdings keinen internationalen Konsens darüber, wie Ototoxizität oder Regeneration standardisiert zu erfassen ist. Die American Academy of Audiology bewertet die Bestimmung der Reintonhörschwelle vor allem im hochfrequenten Bereich sowie die Messung von Distorsionsprodukt-otoakustischen Emissionen (DPOAE) als die zuverlässigsten klinisch anwendbaren Methoden [
10].
DPOAE entstehen durch Intermodulation infolge der simultanen Anregung der Cochlea mit zwei Anregungstönen der Frequenzen
f1 und
f2 (typisch,
f2/f1 ≈ 1,2) und Anregungspegeln
L1 und
L2. DPOAE basieren direkt auf der Nichtlinearität der mechanoelektrischen Transduktion der äußeren Haarsinneszellen in einem begrenzten Bereich um den cochleären Abbildungsort der Anregungsfrequenz
f2 und liefern dadurch frequenzspezifische Informationen über die Funktionalität des cochleären Verstärkers [
2].
Eine bisherige Empfehlung zu Monitoring und Evaluation der Ototoxizität bei Kindern und Jugendlichen beinhaltet die Anamnese, die Reintonaudiometrie für die Frequenzen 1–8 kHz, DPOAE und die Tympanometrie [
6]. Demnach sollte eine Testbatterie verschiedener Methoden durchgeführt werden, da einzelne Methoden nicht hinreichend aufschlussreich sind. Anhand von Studien mittlerer Evidenz detektieren DPOAE Veränderungen des Hörvermögens früher als die Reintonaudiometrie und weisen eine höhere Sensitivität gegenüber subtilen oder subklinischen Veränderungen auf [
7]. DPOAE-Schwellen zeigten in zwei Studien eine höhere Empfindlichkeit als einzelne DPOAE-Pegel [
13,
22]. Eine Hochfrequenz-Audiometrie (HFA) bei 9–16 kHz kann Hörveränderungen häufiger als eine Reintonaudiometrie detektieren [
1]. Bei Kindern werden DPOAE verwendet, um frühzeitig ototoxische, cisplatin-bedingte Abnahmen der Amplitude oder des Signal-Rausch-Abstands (SNR) der DPOAE aufzudecken [
14].
In audiologischen Verlaufsuntersuchungen ist eine hohe Test-Retest-Zuverlässigkeit des verwendeten Messverfahrens essenziell, um systematische pathologisch oder regenerativ bedingte Veränderungen von zufälligen Messungenauigkeiten abzugrenzen, wobei die Aussagekraft des Messverfahrens über den Zustand des Untersuchungsobjekts ebenso bedeutsam ist. So können beispielsweise Pegeländerungen (< 6 dB) klinisch gebräuchlicher DPOAE alleine eine mittels Reintonaudiometrie verifizierte ototoxische Hörschwellenerhöhung nicht mit ausreichender Sensitivität und Spezifität vorhersagen [
16]. Multivariate Analysen, die DPOAE-Pegel bei benachbarten Frequenzen, SNR und eine Dosis-Wirkungs-Beziehung berücksichtigen, erhöhen zwar die Vorhersagekraft, um eine ototoxische Hörschädigung zu detektieren, konnten sich allerdings bisher im klinischen Alltag nicht durchsetzen [
16]. Folglich gibt es bisher keine klinisch validierte, signifikante DPOAE-Änderung, die einen potenziellen cochleären Schaden vorhersagt [
15,
22].
DPOAE werden aktuell in der Klinik als nützliche, ergänzende Untersuchung zur Diagnostik des Innenohrzustands angesehen, die aber Grenzen in ihrer Aussagekraft aufweisen [
11]. Hierfür gibt es drei Hauptursachen: 1. DPOAE bestehen im Wesentlichen aus zwei Komponenten, der nichtlinearen Distorsionskomponente und der kohärenten Reflexionskomponente, die an unterschiedlichen Orten entlang der Basilarmembran durch unterschiedliche Mechanismen entstehen [
25]. Abhängig vom relativen Pegel- und Phasenverhältnis zwischen den Komponenten interferieren die Wellen, und können damit zu artefaktbehafteten Messergebnissen führen [
29]. 2. DPOAE-Signale sind insbesondere hinsichtlich der retrograden Übertragung von den individuellen Mittelohreigenschaften beeinflusst [
17]. 3. DPOAE-Pegel zeigen eine relativ begrenzte Korrelation mit dem cochleär bedingten Hörverlust, wobei die Beziehung sowohl vom Pegel als auch von der Frequenz nichtlinear abhängig ist [
4,
12].
Eine erweiterte DPOAE-Diagnostik stellen DPOAE-Wachstumsfunktionen dar, die die DPOAE-Amplitude in der linearen Einheit des Schalldrucks als Funktion des Anregungspegels
L2 für jede Frequenz semilogarithmisch abbilden. Durch Extrapolation einer Regressionsgerade wird eine Distorsionsproduktschwelle geschätzt („estimated distortion-product threshold“, EDPT), die annähernd im Verhältnis 1:1 mit der cochleär bedingten Hörschwelle korreliert [
5]. Die diagnostische Präzision verbessert sich erheblich durch die artefaktfreie Erfassung und Analyse von DPOAE im Zeitbereich mithilfe gepulster Stimuli [
8,
27,
29,
30] sowie der Anwendung individuell optimaler, frequenzspezifischer Anregungspegel, die mithilfe DPOAE-Pegelkarten erfasst werden [
28]. DPOAE-Pegelkarten bilden das DPOAE-Wachstumsverhalten in Abhängigkeit von Anregungspegelkombinationen ab, die eine erweiterte Fläche im
L1,
L2-Raum abtasten, und ermöglichen mithilfe einer numerischen Anpassung einer nichtlinearen mathematischen Funktion die Berechnung einer geschätzten Distorsionsproduktschwelle
LEDPT, ohne davon abhängig zu sein, dass ein a priori gewählter Anregungspfad den individuellen Gegebenheiten nahekommt [
28].
LEDPT stellen eine vielversprechende Methode dar, um tatsächlich auftretende Veränderungen des cochleären Verstärkers mit hoher Sensitivität und Spezifität in Verlaufsuntersuchungen abzubilden, da sie eine Hörminderung mit hoher Genauigkeit quantifizieren können [
28] und eine hohe Test-Retest-Zuverlässigkeit aufweisen [
3]. DPOAE-Pegel, die in einschlägigen Arbeiten gegenüber DPOAE-Schwellen dominieren, stellen eine Methode dar, die auch eine besonders hohe Test-Retest-Zuverlässigkeit aufweist [
9,
20,
23]. Wenn man aber berücksichtigt, dass die Hörschwelle etwa im Verhältnis 1:2 mit den DPOAE-Pegeln zusammenhängt [
18], dann lassen sich signifikante Unterschiede in der Test-Retest-Zuverlässigkeit von DPOAE-Pegeln und Schwellen – sowohl DPOAE-Schwellen als auch Hörschwellen – nur abschätzen, nachdem die DPOAE-Pegel zunächst mit zwei multipliziert wurden [
3]. Bei dem Vergleich der Test-Retest-Zuverlässigkeit muss darüber hinaus immer berücksichtigt werden, wieviel Messzeit aufgewandt wurde, aber auch, dass DPOAE-Pegel primär Informationen über das überschwellige Verhalten des cochleären Verstärkers beinhalten, während DPOAE-Schwellen eher das Verhalten nahe der neuronalen Schwelle und damit die maximale cochleäre Verstärkung charakterisieren.
Ziel der vorliegenden Studie ist es, mithilfe eines kombinierten Analyseparadigmas aus Reintonhörschwelle (LTA), „estimated distortion-product threshold“ (LEDPT) und DPOAE-Pegel (LDP) den Einfluss von Messungenauigkeiten der jeweiligen Methoden zu reduzieren und die Test-Retest-Zuverlässigkeit zu erhöhen.
Diskussion
DPOAE-Pegel: Aussagekraft und Test-Retest-Zuverlässigkeit
In der Regel zeigen DPOAE-Pegel eine relativ begrenzte Korrelation mit dem cochleär induzierten Hörverlust, und die komplexe Beziehung zwischen DPOAE-Pegel und dem daraus resultierenden Hörverlust ist von Anregungspegel und -frequenz nichtlinear abhängig [
4,
12]. Interessanterweise fand sich hier nach Berücksichtigung der individuell optimalen Anregungspegel
L1 bei einem moderaten Anregungspegel
L2 = 45 dB SPL vor allem im hochfrequenten Bereich
f2 = 8–14 kHz eine deutlich höhere Korrelation von
LDP mit
LTA und eine geringere Streuung (Abb.
3). Da das Einschlusskriterium für die Studie mit dem PTA
4 (0,5–4 kHz) < 20 dB HL definiert wurde, lag für einzelne Frequenzen zwischen 1–6 kHz kaum Hörverlust und daher kein großer Dynamikbereich vor, um damit eine potenzielle Korrelation zwischen
LDP mit
LTA sowie eventuell damit verbundene Mittelohr- oder Rauscheinflüsse abschließend zu beurteilen.
Die Idee hinter der Verwendung individuell optimaler Anregungspegel ist es, eine möglichst ideale Überlappung zwischen den Wanderwellen der beiden Anregungstöne
f1 und
f2 am Abbildungsort des zweiten Anregungstons zu erreichen bzw. die unterschiedlichen Kompressionsraten der beiden Anregungstöne am Entstehungsort der nichtlinearen Distorsionskomponente zu berücksichtigen [
24], sodass ein optimaler Modulationskontrast der nichtlinearen mechanoelektrischen Transduktion eine maximale Distorsion hervorruft [
2]. Die Berücksichtigung dessen durch Rekonstruktion von
LDP bei individuell optimalen Anregungspegeln führte in dieser Studie zu einer Reduktion der interindividuellen Variabilität von
LDP, insbesondere für
f2 = 8–14 kHz (Abb.
3b).
Nicht nur die interindividuelle Variabilität von LDP, sondern auch die intraindividuelle Variabilität, die sog. Test-Retest-Zuverlässigkeit, verbesserte sich durch die Wahl frequenzspezifischer, individuell optimaler Anregungspegel deutlich. Damit ließe sich der häufig zitierte Referenzbereich für eine DPOAE-Veränderung von Untersuchung zu Untersuchung innerhalb eines Subjekts beim Anregungspegel von L2 = 65 dB SPL von ca. 6–8 dB auf 4–5 dB reduzieren. In zukünftigen klinischen Untersuchungen könnten daher gepulste DPOAE-Pegel angeregt mithilfe frequenzspezifischer, individuell optimaler Anregungspegel eine wertvolle Methode sein, um frühzeitig Anzeichen von Veränderungen des cochleären Verstärkers zu erkennen, bevor sie mit konventionellen DPOAE-Pegel-Messungen sichtbar werden.
Geschätzte DPOAE-Schwellen: Aussagekraft und Test-Retest-Zuverlässigkeit
DPOAE-Pegelkarten bilden das Wachstumsverhalten des cochleären Verstärkers für unterschiedliche Anregungspegelpaare
L1,
L2 bei einer Frequenz
f2 hochgenau ab. Daraus bestimmte
LEDPT inkorporieren Informationen multipler DPOAE-Amplituden und erlauben damit eine präzisere und erweiterte Diagnostik über die Funktionsfähigkeit des cochleären Verstärkers, wie es auch von uns und anderen Autoren bereits für Wachstumsfunktionen und deren Eigenschaften gezeigt werden konnte [
26]. Anhand der numerischen Extrapolation der einzelnen DPOAE-Amplituden kann das Wachstumsverhalten der DPOAE-Amplituden auch bei niedrigen Anregungspegeln abgeleitet werden. Gerade dann ist die Aussagekraft über die Funktionsfähigkeit des cochleären Verstärkers aufgrund seiner Nichtlinearität und der maximalen Verstärkungsleistung bei niedrigen Anregungspegeln am größten [
18].
Darüber hinaus erlauben
LEDPT eine objektive Quantifizierung der Hörschwelle im Vergleich zur klinisch gebräuchlichen Erfassung einzelner DPOAE-Pegel, wenn keine Schädigung der inneren Haarsinneszellen oder der neuralen Weiterleitung vorliegt [
8,
28,
30]. Die individuellen Übertragungseigenschaften des Mittelohrs werden durch DPOAE-Pegelkarten berücksichtigt, indem sie die Verschiebung der intracochleären Anregungsstimuli durch anterograde Übertragungsverluste in
L1 und
L2 und die retrograden Mittelohrübertragungsverluste durch die DPOAE-Amplitude erfassen [
19]. Die DPOAE-Wachstumsfunktion wird entlang des individuellen Grats extrapoliert (Abb.
2) und beruht somit auf maximalen DPOAE-Amplituden, die mithilfe individuell nahezu idealer Anregungspegel generiert wurden.
LEDPT, die auf DPOAE-Pegelkarten basieren, schätzen Hörschwellen präziser im Vergleich zu herkömmlichen DPOAE-Wachstumsfunktionen, die mit vorgegebenen Stimuluspegeln angeregt werden [
28]. In dieser Studie korrelierten
LEDPT, basierend auf DPOAE-Pegelkarten, mit
LTA für
f2 = 1–14 kHz mit einer Standardabweichung von 7,7 dB (Abb.
5). Dieser Wert ist im Vergleich zu der Studie von Zelle et al. [
30] mit 6,5 dB deutlich höher, was auf die Reduktion der Mittelungszeit pro DPOAE auf ein Viertel und die Erweiterung des Frequenzspektrums von 1–8 kHz auf 1–14 kHz zurückgeführt wird. Zudem wurde bisher – aus Gründen der noch eingeschränkten Datenmenge – darauf verzichtet, die Korrelation frequenzabhängig durchzuführen, wodurch die Standardabweichung pro Frequenz deutlich verringert werden kann [
30]. Insbesondere im hohen Frequenzbereich ist außerdem zu erwarten, dass die Implementierung eines modernen Kalibrierverfahrens wie beispielsweise IPL („integrated-pressure level“) oder FPL („forward-pressure level“) den Schätzfehler zwischen
LTA und
LEDPT weiter verringern würde [
20].
LEDPT schätzen nicht nur individuelle Hörschwellen präzise, sondern sind auch in Verlaufsuntersuchungen innerhalb eines Ohrs stabil [
3]. Die Test-Retest-Zuverlässigkeit der
LEDPT ist für den gesamten Frequenzbereich
f2 = 1–14 kHz mit dem Median der AD von 3,3 dB vergleichbar mit denen der
LTA (Median AD = 3,2 dB), wobei für den hochfrequenten Bereich,
f2 = 11–14 kHz,
LEDPT gegenüber
LTA überlegen sind [
3]. Der Referenzbereich entsprechend dem 90. Perzentil beträgt etwa 10 dB für
LEDPT und
LTA für
f2 = 1–14 kHz, oberhalb dessen ein Ohr in Verlaufsuntersuchungen als kontrollbedürftig angesehen werden muss.
LDP weisen, wenn ihre Änderung für die geschätzte Abhängigkeit zur Hörschwelle durch Multiplizierung mit zwei korrigiert werden, eine vergleichbare Test-Retest-Zuverlässigkeit auf, nämlich mit einem Median der AD von 2,8–3,6 dB bzw. einem 90. Perzentil von 8–12 dB bei
L1,opt (Tab.
2). Da
LDP und
LEDPT teilweise unterschiedlichen Störfaktoren (z. B. Mittelohrpathologie, Rauschquellen) und physiologischen Mechanismen unterliegen, ist es naheliegend, die beiden unterschiedlichen Methoden zu kombinieren, um damit einen möglichst sensitiven und zuverlässigen Messparameter zu erhalten.
Kombiniertes Analyseparadigma: Aussagekraft und Test-Retest-Zuverlässigkeit
Bisher werden im klinischen Alltag für das Monitoring von Ototoxizität i. d. R. Veränderungen der Reintonhörschwelle und DPOAE-Pegeländerung (meist bei
L2 = 65 dB SPL,
L1,std = 75 dB SPL) isoliert betrachtet. Die kombinierte Betrachtung zeitgleich auftretender gleichgerichteter Hörschwellen- und DPOAE-Pegeländerungen wurde unseres Wissens nach bisher nicht angewandt oder in der Literatur beschrieben. Lediglich multivariate statistische DPOAE-Analysen, die DPOAE-Pegel und SNR zeitgleich betrachten, werden für eine potenzielle Vorhersage der Hörschwelle [
11] und auch für eine potenzielle Vorhersage eines ototoxischen Hörschadens [
16] dargestellt. Um den Hörstatus vorherzusagen, erreichen multivariate DPOAE-Analysen eine bessere Testgüte verglichen mit den univariaten Ansätzen, die entweder den DPOAE-Pegel oder den SNR verwenden. Allerdings gibt es selbst mit multivariaten Analysen noch erhebliche Überschneidungen zwischen den Verteilungen der Normalhörenden und Hörgeschädigten, die für den Frequenzbereich 0,75–3 kHz ausgeprägter als für 4–8 kHz ermittelt wurden [
11]. Multivariate DPOAE-Analysen führen auch zu einer verbesserten Testgüte, um ototoxisch bedingte Hörschwellenerhöhungen vorherzusagen, allerdings nur, wenn die kumulative Cisplatin-Dosis in die Analyse einbezogen wird. Eine 6‑dB-DPOAE-Pegeländerung als Metrik gestattet wenig bis keine Verbesserung gegenüber einer Analyse, die auf der kumulativen Cisplatin-Dosis und der Präexpositionshörschwelle beruht [
16]. Das hier vorgestellte kombinierte Analyseparadigma, das zeitgleich auftretende Veränderungen des cochleären Verstärkers in Verlaufsuntersuchungen mithilfe von
LEDPT-, überschwelliger
LDP-, und subjektiver feinstrukturreduzierter
LTA-Änderung quantifiziert, verbesserte signifikant die Test-Retest-Zuverlässigkeit (Abb.
6 und Tab.
3). Es ist zu erwarten, dass damit in zukünftigen Untersuchungen eine höhere Sensitivität und Spezifität erzielt wird, um tatsächliche pathologische oder auch regenerative Veränderungen der äußeren Haarsinneszellen zu detektieren.
Da in dieser Studie das Augenmerk auf der Validierung der Methodik gepulster DPOAE in Verlaufsmessungen in normalhörenden Probanden lag, finden sich wenig Daten, die einen gering- bis mittelgradigen Hörverlust für
f2 = 1–6 kHz widerspiegeln können, sodass die Korrelation der DPOAE-Pegel mit der Hörschwelle in einem Verhältnis von 1:2 primär anhand der Daten von Kummer et al. (1998) [
18] überschlägig abgeschätzt wurde. Für zukünftige Anwendungen des kombinierten Analyseparadigmas sollten aufgrund der nichtlinearen Frequenz- und Pegelabhängigkeit der DPOAE-Pegel die Relation zwischen DPOAE-Pegel und Hörverlust mithilfe individuell optimaler Anregungspegel
L1 frequenz- und pegelabhängig quantifiziert und sodann einbezogen werden.
Auch wenn hier gezeigt wurde, dass kombinierte Verfahren mit gepulsten DPOAE eine höhere Test-Retest-Zuverlässigkeit aufweisen als bisher aus der Literatur bekannt, ist noch nachzuweisen, dass bspw. eine ototoxisch bedingte Hörschädigung in Verlaufsuntersuchungen von Patienten, die eine Chemotherapie mit Cisplatin erhalten, durch Einsatz von DPOAE-Pegelkarten und kombinierten Auswerteverfahren frühzeitiger und sensitiver im Vergleich zu anderen audiologischen Testverfahren erfasst werden kann.
Darüber hinaus könnte das Verfahren durch weitere technische Anpassungen optimiert werden. Dies wäre zum einen die Implementierung eines modernen Kalibrierverfahrens, welches fehlerhafte Anregungspegel durch stehende Wellen innerhalb des Gehörgangs vermeidet und damit die Detektion der DPOAE in noch höherer Anzahl und Güte zulässt. Zudem wäre die Entwicklung eines adaptiven Messverfahrens von Vorteil, welches die Erfassung von DPOAE-Pegelkarten innerhalb eines L1,L2-Raums SNR-abhängig ermöglicht, um damit zeiteffizient bei möglichst jedem Patienten mit cochleärem Restgehör zuverlässig DPOAE-Pegelkarten zu erfassen.
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