時(shí)域信息對(duì)健聽青年在人工耳蝸模擬聲下聲調(diào)識(shí)別的影響

王梅紅 胡旭君 沈晨波

隨著人工耳蝸相關(guān)研究的不斷深入，人工耳蝸植入對(duì)提高重度及以上聽力損失患者的言語(yǔ)識(shí)別能力越來(lái)越顯著，但多數(shù)以漢語(yǔ)為母語(yǔ)的植入者普遍反映難以感知聲調(diào)[1]，這主要是由于當(dāng)前人工耳蝸技術(shù)提供的音調(diào)信息有限[2]。人工耳蝸對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，然后將不同頻率信號(hào)傳至耳蝸不同部位，以脈沖波形式刺激神經(jīng)。人工耳蝸植入者由于電極數(shù)量限制，得到的頻域信息比正常人少得多，無(wú)法感受聲調(diào)信息中包含的細(xì)微頻率變化[3,4]。人工耳蝸在編碼聲音信息時(shí)除了頻域信息還有時(shí)域信息[5]，人工耳蝸脈沖波的調(diào)制頻率中包含重要的時(shí)域信息，但是目前通用的言語(yǔ)編碼方案所提供的時(shí)域信息有限，不足以幫助植入者很好地感知聲調(diào)。

時(shí)域信息按照采樣精細(xì)程度，可以分為緩慢變化的振幅包絡(luò)和快速變化的精細(xì)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，圖a是漢語(yǔ) “在不”的時(shí)間-振幅曲線圖；圖b來(lái)自于圖a，振幅采樣精度為50 pps(pps=pulses per second，同Hz，為防止時(shí)域信息與頻域信息混淆，本文時(shí)域信息精度用pps描述)，為緩慢變化的振幅曲線，代表振幅包絡(luò)；圖c截取自圖a箭頭標(biāo)注處，采樣精度大于600 pps，為標(biāo)注處快速變化的振幅曲線，代表精細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖1 振幅包絡(luò)與精細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖 a為漢語(yǔ)單詞“在不”的時(shí)間-振幅曲線圖;b為振幅包絡(luò);c為a黑色箭頭標(biāo)注處的精細(xì)結(jié)構(gòu)

聲碼器技術(shù)早在20世紀(jì)20年代提出[6]，用于言語(yǔ)聲的分析與合成，現(xiàn)成為研發(fā)言語(yǔ)編碼方案的必備工具之一。聲碼器通過使用噪聲或正弦聲來(lái)代替各個(gè)通道上的原始聲信息，保持各個(gè)通道的中心頻率固定，抽取各個(gè)通道上的能量包絡(luò)并調(diào)制相對(duì)應(yīng)的振幅包絡(luò)，達(dá)到模擬人工耳蝸的目的。有研究指出[7]，正常人聆聽8通道正弦聲下的人工耳蝸模擬聲，其言語(yǔ)感受情況與人工耳蝸植入者感受情況接近，可代表人工耳蝸植入者最佳聆聽效果[8]。本研究通過聲碼器模擬兩種不同時(shí)域信息下的人工耳蝸模擬聲，獲得健聽受試者聲調(diào)識(shí)別成績(jī)，探討理論情況下人工耳蝸時(shí)域信息編碼對(duì)健聽青年聲調(diào)識(shí)別的影響，為開發(fā)更適合漢語(yǔ)人工耳蝸植入者的編碼策略提供新思路。

1 資料與方法

1.1研究對(duì)象 以30例健聽青年為研究對(duì)象，年齡19～22歲，均為高校在讀學(xué)生，以普通話作為日常交流語(yǔ)言且均排除言語(yǔ)發(fā)展障礙，雙耳純音測(cè)聽各頻率閾值≤20 dB HL，鼓室導(dǎo)抗圖A型。

1.2人工耳蝸模擬聲制作步驟

1.2.1音頻錄制 在本底噪聲小于30 dB A的標(biāo)準(zhǔn)隔聲室，用索尼PCM-D50錄音筆進(jìn)行音頻錄制。播音員平坐在隔聲室中，錄音筆置于播音員前1米，與頭部等高，麥克風(fēng)設(shè)置為X-Y指向(用于獨(dú)奏或人數(shù)少的場(chǎng)合的近距離錄音，雙麥克風(fēng)向內(nèi)交叉呈90°)。由普通話一級(jí)甲等水平的播音員以正常語(yǔ)速念出/a/、/o/、/e/、/i/、/u/、/ü/ 6個(gè)單韻母的四聲，朗讀過程保持響度一致，得到共24段錄音。

1.2.2音頻編輯

1.2.2.1音頻文件導(dǎo)入電腦，所有音頻以“韻母+聲調(diào)”的形式重命名，如：/o/的二聲音頻重命名為o2，使用Adobe Audition 3.0音頻編輯軟件將所有音頻文件由雙聲道轉(zhuǎn)換為單聲道，作為原始音頻文件。

1.2.2.2使用Tiger CIS聲碼器軟件(版本1.07.01)對(duì)原始音頻文件進(jìn)行8通道正弦波調(diào)制修改，如圖2所示，其中第1、2通道為500 Hz以下的聲信息，可選擇不同采樣精度(125、250、375、500、625、750、875、1 000、1 125、1 250、1 375和1 500 pps)，第3～8通道為500 Hz以上聲信息，采樣精度固定為50 pps。以/ā/為例，最終一共得到12段音頻。

圖2 補(bǔ)充精細(xì)結(jié)構(gòu)原理示意圖

1.2.2.3使用Praat軟件進(jìn)行音頻分析，提取各個(gè)單韻母音頻的基頻F0走勢(shì)曲線。

1.2.2.4使用Adobe Audition 3.0音頻編輯軟件，調(diào)整音頻的振幅包絡(luò)，使音頻包絡(luò)走勢(shì)曲線接近基頻F0曲線。原理如圖3所示，圖a為單韻母/a/的原始聲壓曲線圖；圖b中白色曲線為采樣精度50 pps的原始包絡(luò)曲線，黑色粗點(diǎn)曲線為使用Praat軟件提取出的基頻曲線；圖c代表使用Adobe Audition 3.0軟件修改過后的振幅包絡(luò)曲線，振幅包絡(luò)更靠近基頻曲線。

圖3 修改振幅原理示意圖 a為單韻母/a/的原始聲壓曲線圖;b分別為原始包絡(luò)曲線和基頻曲線;c代表調(diào)整振幅包絡(luò)趨向基頻后所得的振幅包絡(luò)曲線

以/ā/為例，最終一共得到24段音頻，其中：①不調(diào)整振幅包絡(luò)組12段音頻，即500 Hz以下采樣精度分別為125、250、375… …1 375、1 500 pps； ②調(diào)整振幅包絡(luò)組12段音頻， 即500 Hz以下采樣精度分別為125、250、375… …1 375、1 500 pps，此外，調(diào)整振幅包絡(luò)趨向基頻F0曲線。

共6個(gè)韻母，4種聲調(diào)，調(diào)整包絡(luò)前后共2組， 500 Hz以下采樣精度共12種，最終一共獲得6×4×2×12=576段音頻，如表1所示：

表1 500 Hz以下各采樣精度不調(diào)整及調(diào)整振幅包絡(luò)組音頻數(shù)

1.3健聽青年聲調(diào)識(shí)別測(cè)試

1.3.1將筆記本電腦與GSI61聽力計(jì)相連，完成聽力計(jì)零級(jí)的校準(zhǔn)。

1.3.2為受試者講解測(cè)試規(guī)則，并隨機(jī)播放上述5～10段人工耳蝸模擬聲，使受試者熟悉實(shí)驗(yàn)音頻，適應(yīng)模擬聲的特點(diǎn)。

1.3.3受試者進(jìn)入隔聲室，由揚(yáng)聲器0°角給聲，強(qiáng)度為舒適閾強(qiáng)度，研究人員在隔聲室外通過電腦播放音頻，受試者每聽到一段音頻后都要求回答音頻音調(diào)，不要求其判斷音頻代表的韻母。由于測(cè)試音頻較多(共576段)，受試者易產(chǎn)生聽覺疲勞和厭煩情緒，故30例受試者中10例聆聽125、250、375、500 pps四組音頻，10例聆聽625、750、875、1 000 pps四組音頻，10例聆聽1 125、1 250、1 375、1 500 pps四組音頻，每人一共聆聽：6個(gè)韻母×4種聲調(diào)×修改振幅包絡(luò)前后2組×4組500 Hz以下不同采樣精度=192段音頻，最后收集每組10例受試者的數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值。

研究人員通過外接耳機(jī)記錄受試者的回答，記錄聲調(diào)識(shí)別正確數(shù)，并計(jì)算受試者聲調(diào)識(shí)別正確率，正確率=正確回答聲調(diào)數(shù)/192×100%。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。首先使用重復(fù)測(cè)量方差分析(ANOVA) 法分析振幅包絡(luò) (不調(diào)整、調(diào)整)和精細(xì)采樣 (125、250… …1 500 pps)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)因素對(duì)受試者聲調(diào)識(shí)別的影響,然后以 Bonferroni調(diào)整多重比較分析每組(不調(diào)整振幅包絡(luò)、調(diào)整振幅包絡(luò)) 12個(gè)不同采樣精度所得到的聲調(diào)識(shí)別正確率是否有顯著性差異，調(diào)整后檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05/12=0.004，P<0.004為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；再以配對(duì)樣本t檢驗(yàn)分析振幅包絡(luò)和精細(xì)采樣兩個(gè)實(shí)驗(yàn)因素結(jié)合后聲調(diào)識(shí)別正確率是否有差異，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1調(diào)整振幅包絡(luò)對(duì)聲調(diào)識(shí)別的影響 重復(fù)測(cè)量方差分析顯示，調(diào)整振幅包絡(luò)顯著影響聲調(diào)識(shí)別[F(1,9)=16.91,P=0.002]：調(diào)整振幅包絡(luò)后聲調(diào)識(shí)別正確率(80.22%±16.32%)大于調(diào)整前(74.83%±20.24%)，平均相差5.39%，說(shuō)明調(diào)整振幅包絡(luò)使之趨向F0，有助于提高聲調(diào)識(shí)別正確率。

2.2補(bǔ)充精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)聲調(diào)識(shí)別的影響 不同采樣精度修改500 Hz以下時(shí)域信息后的聲調(diào)識(shí)別成績(jī)見表2、圖4。重復(fù)測(cè)量方差分析顯示改變精細(xì)結(jié)構(gòu)顯著影響聲調(diào)識(shí)別[F(11,99)=38.86,P<0.001]。Bonferroni調(diào)整多重比較結(jié)果表明，不調(diào)整振幅包絡(luò)時(shí)，500 Hz以下12組不同采樣精度下的聲調(diào)識(shí)別正確率進(jìn)行兩兩比較，在<375 pps的采樣精度下，聲調(diào)識(shí)別成績(jī)隨采樣精度的提高而顯著提高 (P<0.004)；當(dāng)采樣精度≥375 pps時(shí)，采樣精度提高時(shí)聲調(diào)識(shí)別成績(jī)無(wú)顯著改變，達(dá)到飽和狀態(tài)；但調(diào)整振幅包絡(luò)后，只有在 <250 pps的采樣精度下聲調(diào)識(shí)別成績(jī)才有顯著提高 (P<0.004)。

表2 不調(diào)整和調(diào)整振幅包絡(luò)時(shí)500 Hz以下各采樣精度的聲調(diào)識(shí)別率(%)(n=10)

注：*與其余各組兩兩比較，P<0.004

2.3調(diào)整振幅包絡(luò)和補(bǔ)充精細(xì)結(jié)構(gòu)相結(jié)合對(duì)聲調(diào)識(shí)別的影響 重復(fù)測(cè)量方差分析顯示調(diào)整振幅包絡(luò)和精細(xì)采樣之間有顯著交互作用[F(11,99)=3.78,P<0.001]，Bonferroni調(diào)整多重比較結(jié)果表明，兩試驗(yàn)因素相結(jié)合的情況下(調(diào)整振幅包絡(luò)后)，只有在 <250 pps的采樣精度下聲調(diào)識(shí)別成績(jī)才有顯著提高(P<0.004)。在每個(gè)采樣精度下對(duì)調(diào)整振幅包絡(luò)與不調(diào)整振幅包絡(luò)之間的聲調(diào)識(shí)別正確率進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，結(jié)果表明，只有在精細(xì)結(jié)構(gòu)≤375 pps時(shí)，修改振幅包絡(luò)前后聲調(diào)識(shí)別正確率差異有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；當(dāng)精細(xì)結(jié)構(gòu)>375 pps，隨著時(shí)域信息精細(xì)程度增高，調(diào)整包絡(luò)前后聲調(diào)識(shí)別正確率的差值趨向于0 (圖4)。說(shuō)明當(dāng)精細(xì)結(jié)構(gòu)≤375 pps時(shí)，調(diào)整振幅包絡(luò)促進(jìn)聲調(diào)識(shí)別；當(dāng)精細(xì)結(jié)構(gòu)>375 pps時(shí)，調(diào)整振幅包絡(luò)對(duì)聲調(diào)識(shí)別影響不大(P>0.05)。

圖4 調(diào)整和不調(diào)整振幅包絡(luò)下,不同采樣精度對(duì)聲調(diào)識(shí)別成績(jī)的影響 *表示調(diào)整振幅包絡(luò)組與其他采樣精度間兩兩比較,P<0.004,△表示不調(diào)整振幅包絡(luò)組與其他采樣精度兩兩比較,P<0.004

3 討論

漢語(yǔ)作為一種典型的聲調(diào)語(yǔ)言，其聲調(diào)信息對(duì)構(gòu)詞辨義起重要作用。漢語(yǔ)人工耳蝸植入者感受到的聲調(diào)信號(hào)特點(diǎn)直接取決于言語(yǔ)編碼策略。連續(xù)交替取樣(continuous interleaved sampling, CIS)言語(yǔ)編碼方案基于英語(yǔ)語(yǔ)言特點(diǎn)研發(fā)，僅提供包絡(luò)信息，非聲調(diào)語(yǔ)言植入者可以達(dá)到良好的言語(yǔ)識(shí)別率，但無(wú)法感受到音樂的旋律變化，漢語(yǔ)植入者則表現(xiàn)為聲調(diào)識(shí)別較差。現(xiàn)有言語(yǔ)編碼方案通過諧波分析獲得基頻(F0)信息，修改振幅包絡(luò)使之更接近基頻的變化曲線，如浙江諾爾康神經(jīng)電子科技股份有限公司研發(fā)的編碼策略etone編碼方案；或者提供500 Hz以下頻率段的時(shí)域精細(xì)結(jié)構(gòu)信息，如精細(xì)結(jié)構(gòu)編碼策略(fine structure processing, FSP)[9]，都可在一定程度上提高人工耳蝸植入者聲調(diào)識(shí)別能力。本研究參考上述兩種技術(shù)思路，并結(jié)合兩者技術(shù)特點(diǎn)，探究調(diào)整振幅包絡(luò)前后聲調(diào)識(shí)別效果。

3.1振幅包絡(luò)對(duì)聲調(diào)識(shí)別的影響 周曉琴等[10]運(yùn)用軟件分別提取單韻母的波形圖和包絡(luò)曲線進(jìn)行時(shí)域分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論韻母是否相同，只要聲調(diào)相同其基頻包絡(luò)就具有高度相似性。聲調(diào)的主要聲學(xué)信息為基頻(F0)，因此，在言語(yǔ)編碼方案中通過改變振幅包絡(luò)增加基頻信息可能有利于聲調(diào)識(shí)別。本研究結(jié)果顯示修改振幅包絡(luò)使之更接近基頻的變化曲線確實(shí)有利于提高聲調(diào)識(shí)別成績(jī)。Luo等[11]通過修改人工耳蝸植入者編碼方案的振幅包絡(luò)，發(fā)現(xiàn)其聲調(diào)識(shí)別能力顯著提高，與本研究結(jié)果一致。

3.2精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)聲調(diào)識(shí)別的影響 Xu等[12]用聲嵌合技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，不同于非聲調(diào)語(yǔ)言的識(shí)別，聲調(diào)識(shí)別的感知模式依賴于聲信號(hào)中的精細(xì)結(jié)構(gòu)，與音樂感知類似。Arnoldner等[13]對(duì)14例MED-EL人工耳蝸植入者在CIS和FSP兩種不同言語(yǔ)編碼策略下進(jìn)行4、8、12周跟蹤調(diào)查，結(jié)果顯示提供更多低頻精細(xì)結(jié)構(gòu)的FSP更利于聲調(diào)和音樂識(shí)別。上述研究說(shuō)明，人工耳蝸言語(yǔ)編碼方案中增加對(duì)時(shí)域精細(xì)結(jié)構(gòu)線索的提取，有利于提高聲調(diào)感知能力。

本研究對(duì)500 Hz以下的聲信號(hào)進(jìn)行不同程度的補(bǔ)充，結(jié)果顯示受試者聲調(diào)識(shí)別成績(jī)?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi)隨精細(xì)結(jié)構(gòu)增加而升高，并在精細(xì)結(jié)構(gòu)達(dá)到375 pps之后趨于穩(wěn)定。亓貝爾等[14]對(duì)人工耳蝸植入者進(jìn)行跟蹤研究，發(fā)現(xiàn)由CIS更改為FSP編碼策略并持續(xù)使用6周后，其聲調(diào)識(shí)別成績(jī)顯著提高，說(shuō)明增加精細(xì)結(jié)構(gòu)可改善聲調(diào)識(shí)別，與本研究結(jié)果一致。漢語(yǔ)聲調(diào)的主要聲學(xué)信息為基頻和第一共振峰，成人基頻在80～350 Hz之間，而單韻母的第一共振峰絕大多數(shù)位于500 Hz以下，所以500 Hz以下頻率段提供精細(xì)結(jié)構(gòu)信息有利于漢語(yǔ)聲調(diào)識(shí)別[15]；但聲調(diào)信息分布范圍廣，冗余度較大，僅需小部分信息便可確定聲調(diào)[16]，這也可能是大于375 pps補(bǔ)充精細(xì)結(jié)構(gòu)后聲調(diào)識(shí)別成績(jī)無(wú)顯著性差異的原因。徐立[17]發(fā)現(xiàn)在≥256 pps采樣精度時(shí)人工耳蝸植入者聲調(diào)識(shí)別達(dá)到75%的最佳成績(jī)；而本研究受試者在≥375 pps采樣精度時(shí)達(dá)到約91.67%的最佳成績(jī)，可能與本研究對(duì)象為健聽青年，對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)的接受能力優(yōu)于人工耳蝸植入者有關(guān)。

3.3修改振幅包絡(luò)結(jié)合增加精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)聲調(diào)識(shí)別的影響 本研究結(jié)果表明，修改振幅包絡(luò)和增加精細(xì)結(jié)構(gòu)可用于同一言語(yǔ)編碼方案中，當(dāng)精細(xì)結(jié)構(gòu)≤375 pps時(shí)，可同時(shí)調(diào)整振幅包絡(luò)，兩者相結(jié)合可更好地提高聲調(diào)識(shí)別效果；當(dāng)精細(xì)結(jié)構(gòu)>375 pps時(shí)，此時(shí)提供的低頻信息已足夠人工耳蝸植入者聲調(diào)識(shí)別，是否調(diào)整振幅包絡(luò)對(duì)聲調(diào)識(shí)別正確率影響不大。本研究基于健聽青年對(duì)兩種時(shí)域信息的敏感度，當(dāng)采樣率>375 pps時(shí)，修改振幅包略對(duì)聲調(diào)識(shí)別的意義不大；但有研究提示[7]，重度感音神經(jīng)性聽力損失患者對(duì)不同時(shí)域信息的敏感度有差異，表現(xiàn)為對(duì)振幅包絡(luò)的感受能力增強(qiáng)，對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)的感受能力減弱。因此，對(duì)人工耳蝸植入者而言，當(dāng)精細(xì)結(jié)構(gòu)>375 pps時(shí)，調(diào)整振幅包絡(luò)提供基頻信息是否更有利于聲調(diào)識(shí)別，還有待進(jìn)一步研究。

3.4言語(yǔ)編碼策略的發(fā)展與展望 人工耳蝸言語(yǔ)處理方案基本上都在非聲調(diào)語(yǔ)言基礎(chǔ)上開發(fā)，可幫助拉丁語(yǔ)系使用者獲得較好的言語(yǔ)識(shí)別，但難以提高其聲調(diào)識(shí)別和旋律辨別的能力，如果在人工耳蝸言語(yǔ)編碼系統(tǒng)中增加時(shí)域信息，將有利于人工耳蝸植入者感知聲調(diào)語(yǔ)言和欣賞音樂。本研究?jī)H以健聽青年為受試者，未來(lái)將在聽障患者中進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)研究。

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