感音神經(jīng)性聽力損失患者的頻率調(diào)制辨別和聲調(diào)識別

伏臻 吳璽宏 陳婧

感音神經(jīng)性聽力損失（sensorineural hearing loss，SNHL）患者除了聽閾提高外，言語識別也存在一定障礙。根據(jù)患者的純音聽閾驗配助聽設(shè)備，對聲強(qiáng)進(jìn)行補(bǔ)償后，雖然安靜環(huán)境中的言語識別能力大幅度提升，但在噪聲或多人交談的環(huán)境中，言語識別的表現(xiàn)依舊不及正常聽力者。這是因為可聽的聲音在受損的聽覺系統(tǒng)中發(fā)生了畸變，所以聽閾不足以解釋聽力損失患者在言語可懂度上的差異[1]，僅將純音聽閾作為聽力評估和補(bǔ)償策略的依據(jù)會限制聽力補(bǔ)償?shù)男Ч?。因此，一些閾上的心理聲學(xué)（psychoacoustic）指標(biāo)也被用來評估聽者的聽覺功能，例如頻率辨別閾限[2]，頻率調(diào)制辨別閾限（frequency-modulation discrimination limen，F(xiàn)MDL）[3]和時域精細(xì)結(jié)構(gòu)的辨別[4]等。其中，反應(yīng)聽覺系統(tǒng)對頻率調(diào)制敏感性的指標(biāo)FMDL被認(rèn)為與噪聲環(huán)境下的言語識別能力相關(guān)[5]。頻率調(diào)制（frequency-modulation，F(xiàn)M）是語音信號重要的聲學(xué)屬性之一，其對應(yīng)共振峰過渡、音節(jié)韻律和聲調(diào)語言中的詞匯意義等，如漢語聲調(diào)。有研究表明，基頻包絡(luò)（F0contour），即基頻的調(diào)制方式是漢語識別中最重要的聲學(xué)線索之一[6]，而聽者的FMDL與漢語聲調(diào)識別之間的關(guān)系還鮮有討論。

FMDL作為一種主觀測試指標(biāo)，依賴于受試者的主觀反饋，具有一定的臨床局限性。頻率追隨反應(yīng)（frequency-following responses，F(xiàn)FRs）是一種持續(xù)周期性刺激聲誘發(fā)產(chǎn)生的聽覺腦干反應(yīng)，反映了聽覺腦干神經(jīng)元對刺激聲中周期性成分的鎖相活動[7]。由于SNHL患者的鎖相精度變差，其FFRs幅度低于正常人，對語音信號包絡(luò)和精細(xì)結(jié)構(gòu)的表征強(qiáng)度也均弱于正常人[8]。Marmal等[9]使用穩(wěn)定純音（steady tone）誘發(fā)的FFRs，反映了不同聽力被試的頻率辨別能力與鎖相強(qiáng)度的關(guān)系。但是對SNHL患者，線性掃頻（sweep）信號誘發(fā)的FFRs指標(biāo)與FMDL之間的關(guān)系尚缺乏驗證。本研究針對聽損患者的漢語聲調(diào)識別機(jī)理，研究SNHL患者的FMDL、sweep信號誘發(fā)的FFRs，以及漢語聲調(diào)識別之間的關(guān)系，探討臨床中應(yīng)用FFRs作為聽力損傷評估手段的可能性。

1 材料和方法

1.1 研究對象

選擇中重度感音神經(jīng)性聽力損失患者6名（男性5名，女性1名），均為雙側(cè)對稱性聽力損失，學(xué)語后聾，年齡25～58歲（平均年齡46歲），每名被試聽力較好耳的聽力曲線見圖1。

圖1 6名被試聽力曲線示意圖

1.2 研究方法

1.2.1 FMDL測試 刺激聲分兩類，頻率為150 Hz、調(diào)制速率為0的穩(wěn)定音（steady tone）和中心頻率為150 Hz、調(diào)制速率大于0的sweep聲，圖2A展示了這兩類刺激聲的基頻包絡(luò)。測試使用3I-2AFC的實驗范式，被試會連續(xù)聽到3段聲音，首段播放穩(wěn)定音，后兩段以隨機(jī)順序播放sweep聲和穩(wěn)定音，被試需要選出sweep聲。sweep聲的初始調(diào)制速率為150 Hz/s，以“2下1上”的方式變化，即被試連續(xù)選對兩次后降低調(diào)制速率，答錯一次后就增加調(diào)制速率。調(diào)制速率的初始調(diào)整因子為1.414，且每兩個拐點后再開方，圖2B展示了測試過程中調(diào)制速率的變化情況。刺激聲的持續(xù)時間為200 ms，刺激聲間隔為500 ms，聲強(qiáng)為75 dB SPL，由頭戴式耳機(jī)呈現(xiàn)給聽閾較好的耳。共進(jìn)行4次測量，每次測量中，取12個拐點的后8個的均值作為閾值，取4次閾值的均值作為被試的FMDL。

圖2 FMDL測試中刺激類型和實驗范式示意圖

1.2.2 FFRs測試 刺激聲分兩類，穩(wěn)定音與FMDL測試中相同，sweep聲的中心頻率為150 Hz、調(diào)制速率分別為50 Hz/s，100 Hz/s和200 Hz/s，圖3A展示了刺激聲的基頻包絡(luò)。刺激聲的持續(xù)時間為200 ms，刺激間隔為100 ms，刺激聲強(qiáng)為75 dB SPL，由入耳式耳機(jī)呈現(xiàn)給聽閾較好的耳。實驗分3個條件進(jìn)行，每個條件中兩類聲刺激交替呈現(xiàn)，且起始相位的極性也正負(fù)交替，見圖3B。FFRs的記錄在隔聲屏蔽聲中進(jìn)行，以顱頂中央處為主動電極，同側(cè)耳垂為參考電極，前額為地電極。使用NeuroScan產(chǎn)品對記錄到的信號進(jìn)行放大、帶通濾波（30～3000 Hz）和采樣（20 kHz），使用Matlab對記錄信號進(jìn)行離線分析。

圖3 FFRs測試中刺激類型和刺激呈現(xiàn)順序示意圖

首先根據(jù)同步信號將記錄信號分段為300 ms，并逐段進(jìn)行偽跡去除（±20 μV）；將對應(yīng)相同刺激和極性的記錄信號進(jìn)行疊加平均，然后將相位相反的平均信號相減，提取出刺激基頻對應(yīng)的成分；最后對信號進(jìn)行維納濾波和低通濾波（400 Hz），進(jìn)一步降噪，得到FFRs信號。本研究使用FFRs信號與刺激的互相關(guān)系數(shù)評價聽覺系統(tǒng)對刺激信號的鎖相強(qiáng)度。

1.2.3 元音識別測試 選取漢語拼音中的6個單元音/a，o，e，i，u，ü/，并分別搭配漢語的4種聲調(diào)，得到24個帶調(diào)單元音作為刺激聲。刺激聲的說話人為女性，時長固定為450 ms，包括前后各15 ms窗長的漸入漸出。由于不同元音間平均基頻的差異較大，為了避免被試在識別元音時使用元音間平均基頻的差異作為線索，使用Praat軟件將所有元音刺激的平均基頻均調(diào)整至210 Hz，而基頻包絡(luò)的形狀保持不變。根據(jù)被試的聽閾調(diào)整刺激聲在各頻帶的增益后[10]，刺激聲以20 dB SL的強(qiáng)度由頭戴式耳機(jī)呈現(xiàn)給聽閾較好的耳，被試聽到聲音后，分別選取元音和聲調(diào)類型。本研究統(tǒng)計被試對帶調(diào)元音的聲調(diào)識別正確率，即僅要求聲調(diào)類別選擇正確。

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理

使用SPSS 20軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，使用Pearson相關(guān)性分析計算各指標(biāo)間的相關(guān)性。以P＜0.05為相關(guān)性具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 FMDL測試

6名被試的FMDL測試結(jié)果見表1，均值為67 Hz/s，標(biāo)準(zhǔn)差為17 Hz/s。

表1 FMDL測試結(jié)果表（Hz/s）(n=6)

2.2 FFRs測試

FFRs指標(biāo)與FMDL的關(guān)系。選取與平均FMDL相接近的50 Hz/s的sweep聲誘發(fā)的FFRs的指標(biāo)進(jìn)行分析。圖4展示了每名被試FFRs信號和刺激之間的相關(guān)系數(shù)與FMDL之間的關(guān)系，Pearson相關(guān)性分析表明二者存在顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.849，P=0.032），說明被試對頻率調(diào)制信號的鎖相強(qiáng)度越高，行為上對FM的敏感性也越高，F(xiàn)MDL越小。

圖4 FFRs互相關(guān)系數(shù)與FMDL的相關(guān)性分析散點圖

2.3 元音識別測試

2.3.1 聲調(diào)識別率與FMDL的關(guān)系 圖5展示了每名被試的聲調(diào)識別正確率與FMDL之間的關(guān)系，Pearson相關(guān)性分析表明二者存在顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.958，P=0.003），這表明被試對語音的FM線索越敏感，聲調(diào)識別率也越高。

圖5 元音聲調(diào)識別正確率與FMDL的相關(guān)性分析散點圖

2.3.2 聲調(diào)識別率與FFRs指標(biāo)的關(guān)系 考慮到實驗中使用元音刺激的FM速率范圍較廣，將穩(wěn)定音和三種sweep聲誘發(fā)的FFRs的指標(biāo)平均后進(jìn)行分析。圖6展示了每名被試的聲調(diào)識別正確率與FFRs信號和刺激互相關(guān)系數(shù)之間的關(guān)系，Pearson相關(guān)性分析表明二者存在顯著正相關(guān)（r=0.856，P=0.03），這表明被試對頻率調(diào)制信號的鎖相強(qiáng)度越高，聲調(diào)識別率也越高。

圖6 元音聲調(diào)識別正確率與FFRs互相關(guān)系數(shù)的相關(guān)性分析散點圖

2.3.3 可靠性分析 為進(jìn)一步確認(rèn)上述指標(biāo)間關(guān)系的可靠性，排除其它因素的干擾，對這些指標(biāo)與被試的年齡和平均聽閾（0.5、1、2和4 kHz處聽閾的均值）之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表2。被試的年齡和平均聽閾均與其它幾項指標(biāo)之間沒有相關(guān)性，這說明上述結(jié)果和分析可靠。SNHL被試的聲調(diào)識別正確率取決于被試對頻率調(diào)制的敏感性，而聽閾不足以解釋不同被試間的識別結(jié)果差異。

表2 各指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果表

3 討論

較多研究[9，11]表明穩(wěn)定音誘發(fā)的FFRs指標(biāo)與頻率辨別閾限（frequency discrimination limen，F(xiàn)DL）之間存在顯著的相關(guān)性；Fu等[12]使用sweep聲誘發(fā)的FFRs客觀地評估了聽力正常被試的FMDL。本研究驗證了該結(jié)論對SNHL患者依然成立。FFRs指標(biāo)和FMDL之間存在顯著的負(fù)相關(guān)，即受試者對FM信號的鎖相強(qiáng)度越高，行為上對FM的敏感性也越高，F(xiàn)MDL越小。這些結(jié)果都表明客觀的FFRs測試可以有效地預(yù)測主觀的行為閾值FMDL。

聽覺系統(tǒng)對語音中時變的基頻準(zhǔn)確地進(jìn)行編碼，對理解聲調(diào)語言中的詞匯意義至關(guān)重要，而不準(zhǔn)確的編碼會帶來聲調(diào)的混淆，進(jìn)而導(dǎo)致言語理解產(chǎn)生偏差[13]。漢語聲調(diào)識別的研究，多集中在不同聲學(xué)成分的重要性分析[6，13]，或不同助聽策略下的識別表現(xiàn)[14]，鮮有根據(jù)受試者的聽覺功能指標(biāo)對其進(jìn)行評估的工作。圖7給出了本研究中聲調(diào)識別的混淆矩陣，可以看到，SNHL患者傾向于將二、三、四聲調(diào)識別為一聲調(diào)，而聽力正常者則容易混淆漢語的二、三聲調(diào)[15]。如果將一聲調(diào)對應(yīng)為調(diào)制速率為0的穩(wěn)定音，那么二、三、四聲調(diào)就對應(yīng)調(diào)制速率非0的sweep聲，所以兩類被試聲調(diào)混淆矩陣不同的原因，就是SNHL患者對FM信號的鎖相強(qiáng)度降低，使其對頻率調(diào)制的辨別能力變差，導(dǎo)致FM線索未能得到充分利用。這與SNHL患者的FMDL顯著高于聽力正常被試的結(jié)論相符[16]，并且鎖相強(qiáng)度和頻率調(diào)制辨別能力越差，聲調(diào)識別正確率就越低。除此之外，目前漢語聲調(diào)辨別測試的標(biāo)準(zhǔn)語料較少，且這類測試依賴受試者的主觀反饋，受限于受試者的詞匯量和言語表達(dá)能力。本文使用FFRs這一客觀的聽覺誘發(fā)電位，可以有效地評估SNHL患者的FMDL和聲調(diào)識別表現(xiàn)，從而避免上述限制。

FFRs潛在的臨床應(yīng)用價值有以下方面：對語后聾患者，F(xiàn)FRs測試可作為聲調(diào)辨別等言語功能的客觀評估手段，用于指導(dǎo)聽力診療方案和助聽方案；對新生兒，F(xiàn)FRs可作為傳統(tǒng)聽力篩查測試的補(bǔ)充，更全面地評估聽覺腦干神經(jīng)元的功能完整性和可塑性；對語言學(xué)習(xí)階段的聽損兒童，以及患有自閉癥譜系障礙疾病的具有語言交流障礙的兒童，F(xiàn)FRs測試可以客觀地評估其言語功能，指導(dǎo)言語康復(fù)訓(xùn)練。另一方面，患者配戴助聽設(shè)備情況下的FFRs測試，可用于評估助聽設(shè)備中語音信號編碼策略對漢語聲調(diào)信息表達(dá)的準(zhǔn)確性，指導(dǎo)針對漢語人群的編碼策略設(shè)計與改進(jìn)。

圖7 元音識別測試中的聲調(diào)混淆矩陣（n=6）

聲調(diào)識別率與FFRs指標(biāo)之間的相關(guān)性弱于與FMDL（0.856＜0.958），因為FFRs是一種客觀的聽覺誘發(fā)電位，不需要被試的主動反饋，其反映的是聽覺系統(tǒng)在自底而上加工過程中對信號中FM線索的神經(jīng)表征，不涉及較高層次的加工。而FMDL測試和元音聲調(diào)識別作為主觀測試，均有高層的加工機(jī)制參與其中，所以二者的相關(guān)性更強(qiáng)。

4 結(jié)論

頻率調(diào)制信號誘發(fā)的頻率追隨反應(yīng)可以客觀地評估SNHL患者的頻率調(diào)制辨別能力，其反映的聽覺系統(tǒng)對信號中FM成分鎖相能力的強(qiáng)弱，顯著地影響聽者對漢語聲調(diào)的識別，表明臨床中應(yīng)用頻率追隨反應(yīng)評估聽覺言語功能的可行性。

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