人工耳蝸植入者的時(shí)域精細(xì)結(jié)構(gòu)與音色感知受損

/史艷莉 摘譯 李翠娥 審校/武漢輕工大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)與護(hù)理學(xué)院(武漢 43006)； 武漢大學(xué)人民醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科

近幾年，大多數(shù)人工耳蝸植入者能在安靜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)良好的言語(yǔ)識(shí)別，然而其聆聽(tīng)音樂(lè)卻非常吃力，尤其是對(duì)音樂(lè)的感知存在很大的局限性。音樂(lè)是一種有別于言語(yǔ)、抽象而復(fù)雜的聲音形式，由蘊(yùn)含不同時(shí)域形式、頻率分布及和聲成分的多層次聲音組成，音色是音樂(lè)最重要的表現(xiàn)手段之一，音樂(lè)的審美與音色有關(guān)。Grey等應(yīng)用多維標(biāo)度建立了音色的感知元件，其中最重要的就是時(shí)域包絡(luò)和聲音諧波頻率的頻譜分布(精細(xì)結(jié)構(gòu))。Smith研究發(fā)現(xiàn)，言語(yǔ)識(shí)別主要由聲信號(hào)中的包絡(luò)線索決定，而對(duì)音色識(shí)別卻一直存在較大的爭(zhēng)議。因此，本研究把樂(lè)器演奏的音符信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)和精細(xì)結(jié)構(gòu)的提取、嫁接，形成“樂(lè)器嵌合體”，讓聽(tīng)力正常者和人工耳蝸植入者辯聽(tīng)，分析時(shí)域包絡(luò)和精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)樂(lè)音音色分辨的影響。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為12例聽(tīng)力正常者(平均年齡53.3±13.5歲)和14例語(yǔ)后聾人工耳蝸植入者(平均年齡26.1±5.2歲)。所有受試者均未參加過(guò)專(zhuān)業(yè)的音樂(lè)訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)前熟悉源樂(lè)器的音樂(lè)采樣和測(cè)試程序。測(cè)試材料選用四種樂(lè)器即打擊樂(lè)器(鋼琴、吉他)和管弦樂(lè)器(長(zhǎng)笛、小號(hào))作為源樂(lè)器，樂(lè)器音采自Apple logic Pro 7.0軟音源，樂(lè)器嵌合體由MATLAB7.0產(chǎn)生。嵌合體基本技術(shù)要點(diǎn)：用Hilbert轉(zhuǎn)換對(duì)兩個(gè)聲音(A和B)的包絡(luò)和精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取，然后將A的包絡(luò)與B的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行嫁接，形成一個(gè)新的聲信號(hào)，也可將A的精細(xì)結(jié)構(gòu)與B的包絡(luò)進(jìn)行嫁接，形成另一個(gè)新的聲信號(hào)。測(cè)試過(guò)程中把樂(lè)器與其相同的和不同的包絡(luò)相結(jié)合，控制包絡(luò)用于音色辨別的效價(jià)，通過(guò)精細(xì)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償包絡(luò)重建。受試者聽(tīng)取這兩種新合成的聲信號(hào)以判斷到底是A還是B，研究者據(jù)此判斷受試者聽(tīng)到的是包絡(luò)還是精細(xì)結(jié)構(gòu)從而判斷受試者的識(shí)別。

結(jié)果顯示，正常聽(tīng)力受試者能交替使用時(shí)域包絡(luò)和精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行音色辨別，而CI受試者則完全依賴時(shí)域包絡(luò)。當(dāng)嵌合體信息被改變成不同包絡(luò)的樂(lè)器組合音時(shí)，正常聽(tīng)力受試者利用包絡(luò)線索(P=0.008)和精細(xì)結(jié)構(gòu)線索(P=0.009)來(lái)做音色判斷；CI受試者則完全依賴包絡(luò)信息來(lái)判斷音色(P<0.001)，而忽略了精細(xì)結(jié)構(gòu)線索(P=0.908)。當(dāng)包絡(luò)作為一種線索值被減少時(shí)，正常聽(tīng)力受試者和CI受試者均可利用精細(xì)結(jié)構(gòu)信息來(lái)判斷音色(P<0.001)，但CI受試者的使用效價(jià)卻極微小。

本研究說(shuō)明，無(wú)論是不同的包絡(luò)樂(lè)器還是相同的包絡(luò)樂(lè)器合成的嵌合體，CI受試者在對(duì)音色的辨別上均表現(xiàn)出對(duì)時(shí)域包絡(luò)的明顯依賴。人工耳蝸技術(shù)的言語(yǔ)編碼策略也是使用Hilbert轉(zhuǎn)換信號(hào)處理技術(shù)將聲信號(hào)快速變化的時(shí)域包絡(luò)和精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離提取。時(shí)域包絡(luò)信息代表隨時(shí)間相位變化的波形幅度，能夠很好的傳遞給CI使用者，但瞬間變化的相位信息即精細(xì)結(jié)構(gòu)信息卻由于聽(tīng)神經(jīng)相關(guān)鎖定的退化及傳遞時(shí)間的遷移，使較高頻的精細(xì)結(jié)構(gòu)(500～10 000 Hz)與其位置編碼不相匹配，最終導(dǎo)致CI使用者大部分精細(xì)結(jié)構(gòu)信息缺失。即使在打擊樂(lè)器和管弦樂(lè)器具備等分量的時(shí)域包絡(luò)和精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)，CI受試者也是更易識(shí)別合成音中的打擊樂(lè)器成分，因?yàn)榕c管弦樂(lè)器相比較，打擊樂(lè)器的包絡(luò)信息更具有特征性。然而在模糊嵌合體刺激下，如果把打擊樂(lè)器包絡(luò)信息下降50%，CI受試者對(duì)音色的判別能力會(huì)明顯下降。表明CI使用者對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)信息處理的受限，可能就是其音色感知困難的主要原因。

而正常聽(tīng)力受試者可交替使用包絡(luò)信息和精細(xì)結(jié)構(gòu)來(lái)辨別音色，當(dāng)嵌合體的信息被設(shè)置為模糊包絡(luò)信息時(shí)，正常聽(tīng)力受試者可使用精細(xì)結(jié)構(gòu)做出音色判斷。在感知聲音時(shí)，精細(xì)結(jié)構(gòu)不僅僅能感知音色，它還有傳遞拼音語(yǔ)音信息、感知聲調(diào)、補(bǔ)償包絡(luò)信息和聲信號(hào)過(guò)濾等作用。

本研究結(jié)果表明，時(shí)域包絡(luò)和精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)音樂(lè)的音色分辨都起到一定的影響，聽(tīng)力正常者可同時(shí)利用包絡(luò)信息和精細(xì)結(jié)構(gòu)信息來(lái)辨別音色，而人工耳蝸植入者主要依賴時(shí)域包絡(luò)來(lái)辨別音色，精細(xì)結(jié)構(gòu)加工處理聲音信息的能力降低，是導(dǎo)致CI使用者難以辨別樂(lè)音音色的主要原因。因此，在人工耳蝸信號(hào)處理策略中提供更多的精細(xì)結(jié)構(gòu)，將有助于人工耳蝸植入患者對(duì)音樂(lè)的欣賞。