Speech-ABR安靜及噪聲環(huán)境下音位的對比研究

王倩王燕劉志成

1首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（北京100069）

2中國人民解放軍總醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科(北京100853)

·臨床研究·

Speech-ABR安靜及噪聲環(huán)境下音位的對比研究

王倩1,2王燕1劉志成1

1首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（北京100069）

2中國人民解放軍總醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科(北京100853)

目的對比speech-ABR在安靜及噪聲環(huán)境下單音節(jié)聲母、韻母及聲調(diào)的變化，研究噪聲對單音節(jié)音位的影響。方法招募正常聽力受試者40例（男20例，女20例），母語為漢語普通話。Speech-ABR刺激聲為260ms時程的合成言語聲/mi/，聲調(diào)為三聲，刺激強(qiáng)度為70dB SPL，記錄右耳安靜狀態(tài)下及噪聲狀態(tài)下（信噪比SNR=-10dB）speech-ABR的反應(yīng)波形。對比起始反應(yīng)波形(onset response,OR)、過渡反應(yīng)波形(consonant-to-vowel transition)及頻率跟隨反應(yīng)波形（frequency following response,FFR）的潛伏期的變化。并對比安靜及噪聲狀態(tài)下聲調(diào)追蹤（pitch tracking）相關(guān)系數(shù)r的變化。使用SPSS18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,數(shù)據(jù)采用配對t檢驗分析兩組的差異,P＜0.05時為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。結(jié)果260ms時程/mi/誘發(fā)的言語聽性腦干反應(yīng)波形特征，主要由潛伏期為10ms內(nèi)的起始反應(yīng)、潛伏期為80-220ms內(nèi)的頻率跟隨反應(yīng)及最后的終止反應(yīng)組成，以及潛伏期在10-80ms內(nèi)的輔音-元音過渡反應(yīng)。其中起始反應(yīng)部分為輔音部分所誘發(fā)；過渡反應(yīng)部分為輔-元音的過渡信息誘發(fā)；由/mi/中的元音部分所誘發(fā)的頻率跟隨反應(yīng)部分共由15個波形組成。經(jīng)配對t檢驗分析，在安靜及噪聲環(huán)境下進(jìn)行對比，起始反應(yīng)峰值（輔音部分）平均潛伏期延長0.85±0.17ms(P=0.000)。過度反應(yīng)峰值平均潛伏期延長0.75±0.15ms((P=0.000)。頻率跟隨反應(yīng)峰值平均潛伏期延長0.38±0.10ms(P=0.000），結(jié)果均具有統(tǒng)計學(xué)意義。安靜環(huán)境下聲調(diào)追蹤反應(yīng)相關(guān)系數(shù)r均值為0.84±0.08，噪聲環(huán)境下相關(guān)系數(shù)r均值為0.74±0.12，兩者對比結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義（(P=0.000）。結(jié)論 在噪聲環(huán)境下，測試音的輔音、元音對應(yīng)波形潛伏期均發(fā)生變化，聲調(diào)追蹤系數(shù)會有所下降，提示三種音位均會受到噪聲的影響。與以往主觀的言語識別率測試方式及誘發(fā)電位測試相比，speech-ABR是一種客觀方式評估言語聲受到噪聲干擾情況的測試方法。

speech-ABR；言語噪聲；單音節(jié)

隨著聽力學(xué)研究技術(shù)的不斷發(fā)展，以言語誘發(fā)的聽性腦干反應(yīng)（speech evoked auditory brainstem response,speech-ABR）已經(jīng)越來越多的被應(yīng)用于臨床與研究中。國外已有研究[1-3]發(fā)現(xiàn)，speech-ABR是對言語障礙人群進(jìn)行篩選、診斷及治療效果觀察的良好工具。借助speech-ABR研究人腦對于言語信息的理解反饋已經(jīng)成為目前的熱點(diǎn)。人腦的左半球主要進(jìn)行言語的處理，而右半球主要解決聲調(diào)的識別[4]。言語刺激時腦干神經(jīng)元放電模式與言語聲學(xué)特性的高度相關(guān)表明腦干是言語處理的重要部位。

音位是一個語音系統(tǒng)中能夠區(qū)別意義的最小語音單位。漢語的語音單位由元音音位、輔音音位、聲調(diào)音位組成的。漢語普通話的聲調(diào)十分重要，具有四聲，在音節(jié)中起到區(qū)分詞義的作用。不同于日耳曼語系的語言（例如英語、丹麥語、德語等），漢語的聲調(diào)音位特點(diǎn)增加了噪聲下言語研究的新角度。目前臨床上對于嘈雜噪聲環(huán)境下漢語識別的測試，以受試者復(fù)述回應(yīng)，測試者計分為主，是一種主觀的測試手段。尚無一種客觀的測試手法從基礎(chǔ)的單位——音位上研究人類受到噪聲干擾后，言語識別的變化。Speech-ABR可以反映腦干聽覺中樞對言語聲的編碼處理情況，和噪聲下言語識別情況。由此speech-ABR可以輔助聽設(shè)備的研發(fā)與評估。在聽力師執(zhí)行干預(yù)方案后，評價受試者噪聲下聆聽的效果改善，從而讓使用者達(dá)到更好的聽取效果[5]。為更深入的了解漢語普通話音位如何受到噪聲的影響，本研究借助speech-ABR此種測試手段。更客觀的探究噪聲對于漢語單音節(jié)音位的影響情況，進(jìn)而探討噪聲下言語識別困難的原因。

1 資料與方法

1.1 研究對象

正常成年人40人40耳（男20人，女20人），均選擇右耳。年齡19～31歲，平均年齡25.4.±5.5歲。均為右利手，無聽覺系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)疾病及精神障礙病史，純音測聽250-8000Hz平均聽閾聽力級≤20 dB HL，click-ABR測試雙耳均能引出I、III、V波，且各波潛伏期在正常范圍內(nèi)。

1.2 測試儀器及方法

測試前均征得受試者同意，首先進(jìn)行聽力檢測測試，篩選符合本研究的受試者。聽力檢測測試包括純音聽閾測試、聲導(dǎo)抗測試、click-ABR檢測。符合實驗入選要求者，納入實驗組進(jìn)行后續(xù)的speech-ABR測試。所有測試均在解放軍總醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科聽力中心標(biāo)準(zhǔn)聲雙層隔聲室（符合GB16403）中進(jìn)行。隔聲室內(nèi)本底噪聲低于A計權(quán)聲壓級20 dB。實驗設(shè)備參考國標(biāo)GB/T7341.2-1998標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)。總測試時間約為80分鐘，中間安排受試者進(jìn)行休息。

Speech-ABR刺激聲為260ms時程的合成言語聲/mi/，聲調(diào)為三聲，刺激強(qiáng)度為70dB SPL，刺激速率為5.3次/秒，疊加3000次，采樣率為4000Hz，采用100-3000Hz帶通濾波、隨機(jī)交替刺激極性及截除波幅大于31uV的反應(yīng)以減小反應(yīng)的干擾偽影。刺激聲mi從右耳給聲，言語譜噪聲加在對測，強(qiáng)度80dB SPL,信噪比-10dB。采用測試儀器為美國Intelligent Hearing Systems公司生產(chǎn)Smart EP誘發(fā)電位儀，測試在隔聲室內(nèi)進(jìn)行，受試者在測試時需要保持閉目安靜狀態(tài)，集中注意聆聽測試聲。用75%酒精局部去污，并涂磨砂膏消除表皮角質(zhì)層。將記錄電極接于前額正中發(fā)際處，接地電極接于眉心，參考電極接于左右耳垂。使得電極阻抗均≤3kΩ。采用插入式耳機(jī)固定于外耳道口深部0.5cm處。

1.3 波形標(biāo)記及數(shù)據(jù)分析

260ms時程/mi/誘發(fā)的聽性腦干反應(yīng)波形特征，主要分為潛伏期10ms內(nèi)的起始反應(yīng)OR、潛伏期80-220ms內(nèi)的頻率跟隨反應(yīng)FFR組成，以及潛伏期在10-80ms內(nèi)的輔音-元音過渡反應(yīng)(conso?nant-to-vowel transition)。其中起始反應(yīng)部分，為輔音部分所誘發(fā)；過渡反應(yīng)潛伏期為輔-元音的過渡信息誘發(fā)；由/mi/中的元音部分誘發(fā)的頻率跟隨反應(yīng)部分共由15個波形組成(見圖1)。

圖1 /mi/測試音反應(yīng)波形Fig.1 response wave to the sound/mi/

1.4 聲調(diào)追蹤分析

本研究采用美國Intelligent Hearing Systems公司Smart EP軟件中，C-ABR的聲調(diào)追蹤功能模塊（如圖2）。設(shè)置分析時間窗為0-260ms，得到刺激波形及反應(yīng)波形。Smart EP軟件計算并生成刺激波形與反應(yīng)波形聲調(diào)的相關(guān)系數(shù)r值。本研究對其進(jìn)行記錄，對比安靜狀態(tài)及噪聲狀態(tài)下聲調(diào)追蹤相關(guān)系數(shù)r值的差異。

圖2 聲調(diào)追蹤模塊Fig.2 the pitch tracking modular

1.5 噪聲選取

噪聲材料采用言語譜噪聲（speech noise，SN）,即經(jīng)過濾波后的白噪聲（見圖3），在0.25～1kHz間為等能量分布，在1～6kHz間每倍頻程能量衰減12dB[5]。SN競爭下言語識別率結(jié)果較穩(wěn)定，對聽力損失敏感，是開展噪聲競爭下言語測聽的常用競爭噪聲。本研究采用智聽軟件stimulus convertor將原始文件.wav格式，轉(zhuǎn)化為Smart EP軟件接受的.STM格式，在speech-ABR測試模塊中導(dǎo)入噪聲，以完成實驗的測試。

圖3 言語譜噪聲Fig.3 speech noise

1.6 統(tǒng)計學(xué)方法

本研究使用SPSS18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。采用1-Sample Kolmogorov-Smirnov進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(P＞0.05)。數(shù)據(jù)采用配對t檢驗分析兩組的差異, P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 潛伏期變化

Speech-ABR測試音/mi/的起始反應(yīng)波形，過渡反應(yīng)波形，頻率跟隨反應(yīng)波形標(biāo)注峰值，進(jìn)行潛伏期對比。經(jīng)配對t檢驗分析，在安靜及噪聲環(huán)境下進(jìn)行對比，起始反應(yīng)峰值（輔音部分）t=31.39，P=0.000＜0.05，平均潛伏期延長0.85±0.17ms。過度反應(yīng)峰值對比t= 30.57，P=0.000＜0.05，平均潛伏期延長0.75±0.15ms。頻率跟隨反應(yīng)（元音部分）峰值對比t=23.40，P= 0.000＜0.05，平均潛伏期延長0.38±0.10ms，結(jié)果均具有統(tǒng)計學(xué)意義。測試音/mi/的輔音，輔音-元音過渡，元音的波形潛伏期在安靜及噪聲狀態(tài)下對比，結(jié)果均存在差異。

2.2 聲調(diào)追蹤相關(guān)系數(shù)

對安靜及噪聲下/mi/音的聲調(diào)追蹤反應(yīng)相關(guān)系數(shù)r值進(jìn)行配對t檢驗分析。結(jié)果顯示，安靜環(huán)境下聲調(diào)追蹤反應(yīng)相關(guān)系數(shù)r均值為0.84±0.08，噪聲環(huán)境下聲調(diào)追蹤反應(yīng)相關(guān)系數(shù)r均值為0.74±0.12。t=4.01，P= 0.000＜0.05，對比結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義。在安靜狀態(tài)下的r值均值要略高于噪聲下的r值均值（如圖4）。

圖4 安靜狀態(tài)及噪聲狀態(tài)下r值的對比Fig.4 r value of pitch tracking under quiet and noise environment

3 討論

日常生活和工作中的交流場所多在噪聲環(huán)境下。在進(jìn)行研究時，為能夠更加貼近生活中的狀態(tài)，研究人員對噪聲的選取就顯得尤為重要。臨床常用的噪聲有多人嘈雜語噪聲（babble noise,BN）、白噪聲（white noise,WN）、言語譜噪聲等。多人嘈雜語噪聲是近年應(yīng)用較多的一種語音噪聲，被常用于臨床言語識別能力的評估[6]。并且，多人嘈雜語噪聲為由多人同時講話錄制而成，其頻譜與言語長時平均頻譜接近[7-9]。但是，相對于言語識別類型的測試，本研究給出的刺激聲/mi/十分短暫，僅有幾百毫秒。盡管多人噪雜語噪聲最能模擬日常的噪聲環(huán)境，但僅截取其中時長極短的一部分將會丟失原有噪聲的大量信息和效果。本研究所選則的言語譜噪聲即便在截取后，依然會保持原始噪聲的特性。噪聲與言語時長平均頻譜越接近，對言語識別的掩蔽能力越大[10]。而白噪聲沒有言語頻譜特征，掩蔽效果最差。言語譜噪聲競爭下言語識別率結(jié)果較穩(wěn)定，對聽力損失敏感，是本研究開展噪聲競爭下言語測聽的最合適競爭噪聲。考慮到以上因素，本研究最終選擇言語譜噪聲作為speech-ABR掩蔽刺激聲的背景噪聲。

本研究中測試音/mi/的輔音、輔音-元音過渡，元音的波形潛伏期在安靜及噪聲狀態(tài)下對比，結(jié)果均存在差異。分析其受到噪聲影響的程度，可發(fā)現(xiàn)刺激言語聲的輔音部分、輔音-元音過渡部分所受到的影響要比元音部分更大一些。目前刺激波形時域參數(shù)受到噪聲反應(yīng)影響機(jī)理尚未明確[11]。根據(jù)目前已有報道顯示，有關(guān)speech-ABR的神經(jīng)起源也尚未完全明確，有學(xué)者[12-13]認(rèn)為OR可能來源于蝸神經(jīng)核或下丘核團(tuán)：FFR可能來源于是蝸神經(jīng)、下丘及內(nèi)側(cè)膝狀體核團(tuán)的整體性鎖相活動。兩者可能是包含不同突觸連接的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14]，具有不同的反應(yīng)特性[15]。因此，通過分析speech—ABR的潛伏期可以輔助進(jìn)一步推斷病變反應(yīng)神經(jīng)起源[16]。通過對于誘發(fā)電位解剖對應(yīng)位置的推導(dǎo)，提示腦干對于輔音信息的處理較元音更易受到干擾[17]。

聲音時間特征的精確采集是語言理解至關(guān)重要的一步。在現(xiàn)實環(huán)境中，語言通常伴隨著復(fù)雜聲學(xué)變化的噪聲（如共振峰的轉(zhuǎn)換）。因此伴隨著噪聲環(huán)境，言語信號聲在快速的時間頻譜上的變化便很難被人耳所接收[18]。所以，當(dāng)信號聲中加入了噪聲后，言語覺察能力可能會部分地取決于聆聽者是否可以維持正常信號在時間頻譜上的神經(jīng)表達(dá)，否則，言語覺察能力則會弱化[19、20]。背景噪聲的存在會導(dǎo)致聽覺腦干活動的延遲，當(dāng)伴隨刺激低信噪比的時候這種延遲就愈發(fā)明顯。這種延遲出現(xiàn)在不僅會出現(xiàn)在簡單的聲刺激如純音或click聲[21]，也會出現(xiàn)在復(fù)雜言語聲信號刺激下[22]。而且背景噪聲也會影響皮層下處理，這常導(dǎo)致皮層下反應(yīng)的延遲，包括P1、N1、 P2、N2、MMN和P3[23-24]。因此，背景噪聲的存在會系統(tǒng)性（全身性）地影響聽覺系統(tǒng)。潛伏期的延長可能反映了神經(jīng)同步性或神經(jīng)元環(huán)（neurons firing）的減少，這導(dǎo)致了聽覺腦干反應(yīng)在振幅的減小以及潛伏期的延遲[25]。在噪聲中播放信號聲可以近似類比為在安靜環(huán)境下播放強(qiáng)度較低的相同信號聲。這些潛伏期的延長在行為上是相關(guān)的，因為噪聲誘導(dǎo)的潛伏期延長與噪聲下言語覺察測試有直接的聯(lián)系[16，26]。

漢語的聲調(diào)主要依賴于基頻的輪廓特征，是語音結(jié)構(gòu)的重要組成部分[27]。本研究中發(fā)現(xiàn)，在其它參數(shù)設(shè)置相同的情況下，聲調(diào)追蹤的結(jié)果受到受試者的專注程度影響較大。例如，預(yù)實驗時，當(dāng)受試者專注于追蹤測試音/mi/的三聲聲調(diào)時，反應(yīng)波形與刺激波形的越相近，相似度越高。相反的，有些受試者在測試時處于閉目休息放松狀態(tài)，雖然知曉有測試聲存在，但不注意察覺它。當(dāng)受試者處于一種注意力不集中的狀態(tài)時，聲調(diào)追蹤的反應(yīng)波形會變得斷斷續(xù)續(xù)，相似度下降（如圖5）。因此正式試驗時，在測試前都統(tǒng)一提醒受試者盡量保持清醒狀態(tài)，盡量在測試時追蹤測試聲。最終正式研究整體結(jié)果要比預(yù)實驗相似系數(shù)r值有所提高。同時，測試時注意為受試者提供中間休息的時間，保證受試者測試狀態(tài)，從而保證研究數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖5 未追蹤聲調(diào)走勢受試者的反應(yīng)波形Fig.5 The pitch tracking result of subject without focusing on the speech sound/mi/

4 結(jié)論

在噪聲環(huán)境下，測試音的輔音、元音對應(yīng)波形潛伏期均發(fā)生變化，聲調(diào)追蹤系數(shù)會有所下降，因此三種音位均會受到噪聲的影響。其中起始反應(yīng)潛伏期的變化最大，頻率跟隨反應(yīng)潛伏期變化最小，提示在噪聲下最易受到影響的音位為輔音音位。與以往主觀的言語識別率測試方式及誘發(fā)電位測試相比，speech-ABR是一種客觀評估言語聲信號受到噪聲干擾的測試方法。

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Speech-ABR on Phoneme in Quiet and Noise Environment

WANG Qian1,2，WANG Yan1，LIU Zhicheng1
1 Capital Medical University,100069,Beijing,China
2 Department of Otolaryngology Head and Neck Surgery,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853

Objective The aim of the study was to compare speech-ABR results with changes of vowel,consonant and pitch of monosyllables under quiet and noise circumstances.Methods Forty Mandarin speaking subjects(20 males,20 females)with normal hearing were recruited.The stimulus of speech-ABR was/mi/with a duration of 260 ms and down-up pitch,delivered to the right ear at 70 dB SPL.The peaks of response waves were labeled.The latencies of onset response (OR),consonant-to-vowel transition(CV)and frequency following response(FFR)were analyzed under quiet and noisy (SNR=-10 dB)circumstances,and correlation coefficients of pitch tracking were compared.The SPSS 18.0 software was used for statistical analysis.Paired sample t-test was used for two group comparisons.Statistical significance was defined as P＜0.05.Results Brainstem responses elicited by/mi/were composed of four parts:an onset response(10 ms),a transitional response(10-80 ms),a frequency following response(80-220 ms)and an offset response.The onset response was evoked by the consonant and the transitional response by consonant-to-vowel transition.The frequency following response,evoked by the vowel,was composed of fifteen response waves.A series of featured waves were observed.The change of average latency of the onset response wave was 0.85±0.17 ms(P=0.000).The change of average latency of consonant-to-vowel transi-tion wave was 0.75±0.15 ms(P=0.000),and the change of average latency of frequency following response wave was 0.38± 0.10 ms(P=0.000).Furthermore,the correlation coefficient of pitch tracking was 0.84±0.08 under quiet environment and 0.74±0.12 under noisy environment(P=0.000).Conclusions Noise can change latencies of the consonant and vowel,and reduce correlation coefficient of pitch tracking.These results suggest that the three phonemes can be affected by noise.Compared with the subjective evoked potentials in previous reports,speech-ABR is more sensitive and objective to detect differences in auditory recognition against noise background..

speech-ABR;speech noise;monosyllable

R764.1

A

1672-2922（2016）05-634-5

2016-08-15審核人：于寧）

10.3969/j.issn.1672-2922.2016.05.016

王倩，本科，聽力師，工學(xué)學(xué)士，研究方向：人工耳蝸術(shù)后調(diào)機(jī)及評估

劉志成，Email:zcliu@ccmu.edu.cn