正常人全方向72聲源水平定位能力初步研究

李楠，李思陽(yáng)，劉晶，王倩，陳艾婷，洪夢(mèng)迪，冀飛

助聽設(shè)備技術(shù)的提高能夠極大程度改善言語(yǔ)康復(fù)的療效。在此基礎(chǔ)上，更多的患者希望進(jìn)一步提高生活質(zhì)量，對(duì)聲音方向性的要求相應(yīng)變得更高。聲源定位也逐漸開始成為評(píng)估患者助聽效果的重要指標(biāo)。

人耳對(duì)聲源位置的感知包括水平方向、垂直方向以及距離3個(gè)方面。Rayleigh[1]在1907年第一次用耳間差異的概念分析聲源位置，原理是通過雙耳時(shí)間差和雙耳強(qiáng)度差定位聲音的水平位置，其中低頻信號(hào)的定位主要依賴雙耳時(shí)間差線索，高頻信號(hào)則對(duì)聲音到達(dá)雙耳的強(qiáng)度差更為敏感。Risoud[2]等人研究表明在進(jìn)行水平面方向上的定位時(shí)，正常人會(huì)出現(xiàn)一種“混淆圓錐”的生理現(xiàn)象，也就是對(duì)水平軸呈鏡像對(duì)稱的兩個(gè)聲源位置分辨不清[2]。此外，人耳會(huì)通過頭部以及耳廓識(shí)別的頻譜線索定位聲音的垂直角度，并使用直達(dá)聲與混響聲能量比判斷聲音的遠(yuǎn)近。自由聲場(chǎng)中與聲源距離每增加一倍，到達(dá)人耳的聲強(qiáng)則衰減6 dB，由于高頻聲音在傳播過程中會(huì)更快地衰減，所以在定位高頻聲音時(shí)相較低頻更困難[2]。

既往針對(duì)360°全方向多聲源定位的研究較少。利用分布在受試者周圍360°的全方向聲源，可在較大程度上還原日常生活中聲源來(lái)自各個(gè)方位角度的場(chǎng)景，更全面地反映整體聲源定位能力。本研究對(duì)聽力正常人應(yīng)用360°全方向72聲源進(jìn)行方位辨別測(cè)試，尋找正常人聲源定位規(guī)律，探索和分析雙耳聆聽線索對(duì)正常人聲源定位的影響，為后續(xù)研究聽力損失患者聲源定位能力以及使用助聽設(shè)備干預(yù)后的康復(fù)療效提供臨床依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 測(cè)試對(duì)象 本研究共納入14例聽力正常受試者，其中男3例，女11例，年齡區(qū)間為19～42歲，平均年齡（31.4±7.2）歲。全部受試者均為耳科正常人，無(wú)耳科疾病史和家族史，雙耳500 Hz～4 kHz平均純音聽閾為（7.5±4.3）dB HL，日常交流語(yǔ)言為漢語(yǔ)普通話，接受測(cè)試前均已簽訂知情同意書。

1.2 測(cè)試設(shè)備本研究測(cè)試設(shè)備為360°聲源定位系統(tǒng)（北京百特聲學(xué)科技有限公司），由360°環(huán)形陳列、72個(gè)均勻分布的揚(yáng)聲器組成。揚(yáng)聲器陣列直徑3 m，相鄰兩個(gè)揚(yáng)聲器間隔5°。測(cè)試前設(shè)備輸出聲信號(hào)按GB/T 16296.2-2016進(jìn)行校準(zhǔn)[3]。

1.3 測(cè)試流程測(cè)試在標(biāo)準(zhǔn)隔聲屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試時(shí)受試者坐于設(shè)備的中心點(diǎn)位置（距離揚(yáng)聲器1.5 m），揚(yáng)聲器與受試者雙耳處于同一水平高度。聲源定位揚(yáng)聲器按1～72號(hào)順序排列，其中0°入射角對(duì)應(yīng)19號(hào)揚(yáng)聲器。測(cè)試前先使受試者熟悉測(cè)試的聲源數(shù)量及分布，并在面前的平板電腦上顯示出對(duì)應(yīng)的平面示意圖（圖1-a）。測(cè)試過程中，當(dāng)受試者聽到聲音后，將其所認(rèn)為發(fā)出聲音的聲源序號(hào)在平面示意圖上進(jìn)行指認(rèn)，指認(rèn)完成后按下確認(rèn)按鈕，即完成一次應(yīng)答。測(cè)試所用頻率為0.25 k、0.5 k、0.75 k、1 k、1.5 k、2 k、3 k、4 k、6 k和8 kHz共10個(gè)頻率，刺激聲信號(hào)為囀音，刺激聲給聲時(shí)間為1～2 s，后留有15 s的時(shí)間供受試者應(yīng)答，應(yīng)答后下一刺激聲立即開始，若15 s內(nèi)無(wú)應(yīng)答則跳過本次，下一刺激聲正常發(fā)出。選取給聲強(qiáng)度為受試者純音聽閾閾上20～30 dB，保證其聽聲清晰且舒適。測(cè)試過程中給聲頻率隨機(jī)且亂序，測(cè)試總時(shí)長(zhǎng)約為45 min。

圖1 全場(chǎng)72聲源測(cè)試布局示意圖

所有受試者首先接受1輪練習(xí)測(cè)試。練習(xí)測(cè)試使用均勻分布的24個(gè)聲源（兩兩間隔15°），目的在于使受試者掌握聲源分布、測(cè)試流程、刺激信號(hào)及信號(hào)持續(xù)時(shí)間，為避免正式測(cè)試時(shí)因不熟悉流程影響測(cè)試結(jié)果。正式測(cè)試采用全方向72聲源，測(cè)試中共給聲144次，每個(gè)揚(yáng)聲器隨機(jī)順序發(fā)聲2次。測(cè)試過程中受試者需保持頭位不動(dòng)，身體放松且盡量不變換坐位。測(cè)試人員記錄受試者應(yīng)答和真實(shí)給聲的揚(yáng)聲器編號(hào)，計(jì)算二者角度偏差從而判斷受試者定位聲源的準(zhǔn)確性。

為便于數(shù)據(jù)分析，在本研究中，受試者正前方和正后方記為0°和180°，正左和正右方位記為+90°和-90°，以-45°，+45°，-135°，+135°四個(gè)點(diǎn)為分界，將聲源平均分為弧度為90°的前場(chǎng)（順時(shí)針方向+45°～-45°）、后場(chǎng)（順時(shí)針方向-135°～+135°）、左場(chǎng)（順時(shí)針方向+135°～+45°）和右場(chǎng)（順時(shí)針方向-45°～-135°）4個(gè)測(cè)試區(qū)域（圖1-b）。

1.4 數(shù)據(jù)分析本研究將受試者響應(yīng)進(jìn)行關(guān)于圖1-a中水平參考軸對(duì)稱之后的角度與真實(shí)揚(yáng)聲器所在角度偏差不超過10°記為定位正確。進(jìn)行對(duì)稱修正處理的原則是：真實(shí)給聲音箱角度與受試者反應(yīng)角度分別位于水平參考軸的兩側(cè)且對(duì)稱后兩角度值落在同一象限內(nèi)（0°～90°或90°～180°或0°～-90°或-90°～-180°）。分別計(jì)算鏡像處理前后的均方根（root mean square,RMS）值，計(jì)算公式如下：

為探討不同頻率聲音與定位能力的關(guān)系，將250 Hz～750 Hz、1 kHz～3 kHz、4 kHz～8 kHz聲音分別定義為低、中和高頻段，并計(jì)算RMS值。此外，

針對(duì)區(qū)域性的定位能力，本研究分別計(jì)算前、后、左、右4個(gè)測(cè)試區(qū)域內(nèi)定位正確的次數(shù)及比例，比較4個(gè)區(qū)域的聲源定位能力的差異，統(tǒng)計(jì)分析受試者水平聲源定位的總體特點(diǎn)及規(guī)律。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析應(yīng)用SPSS21.0軟件。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需做多重比較，故采用BONFERRONI事后檢驗(yàn)法（PostHocComparison）比較前、后、左、右4個(gè)區(qū)域間定位正確性的差異，分析聽力正常人定位整體趨勢(shì)并得出定位能力規(guī)律，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 “鏡像現(xiàn)象”在本研究獲得的正常聽力受試者的360°全方向72聲源定位結(jié)果中，存在關(guān)于參考軸對(duì)稱的“鏡像現(xiàn)象”，即對(duì)水平軸呈鏡像對(duì)稱的兩個(gè)聲源位置分辨不清。因此，在考慮正常人整體的定位效果時(shí)，若不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)稱修正，則會(huì)因RMS值過大而導(dǎo)致出現(xiàn)和以往正常人聲源定位研究相悖的結(jié)果，影響正常人對(duì)于360度聲源的總體定位準(zhǔn)確性。本研究的14例受試者全部出現(xiàn)了“鏡像現(xiàn)象”。

2.2 聲源定位刺激響應(yīng)分布規(guī)律圖2顯示了聽力正常人聲源定位的原始刺激響應(yīng)分布情況，由于鏡像現(xiàn)象的存在，圖像大致呈現(xiàn)出兩個(gè)“十字交叉”的組合圖形。對(duì)于大部分測(cè)試結(jié)果，這一現(xiàn)象主要存在于左場(chǎng)、右場(chǎng)和后場(chǎng)。當(dāng)刺激信號(hào)在前場(chǎng)時(shí)，“鏡像現(xiàn)象”出現(xiàn)較少。對(duì)結(jié)果做鏡像處理后的刺激響應(yīng)分布見圖3，結(jié)果基本呈現(xiàn)為斜率接近1的直線，計(jì)算RMS值為（20.4°±3.5°），相較未經(jīng)鏡像處理前（52.7°±16.2°）有大幅度下降，表1。

圖2 正常人聲源定位刺激與響應(yīng)分布（未對(duì)“鏡像現(xiàn)象”做對(duì)稱修正處理）

表1 鏡像處理與否對(duì)聲源定位RMS值的影響

圖3 對(duì)“鏡像現(xiàn)象”進(jìn)行對(duì)稱修正后的正常人聲源定位刺激與響應(yīng)分布

2.3 不同頻率聲源定位比較結(jié)果顯示，經(jīng)鏡像處理后，正常人低頻信號(hào)的聲源定位平均RMS值約為（17.4°±2.6°），中頻和高頻RMS值依次上升，表2。

表2 不同頻率RMS值比較（鏡像處理后）

2.4 不同場(chǎng)中聲源定位能力比較為更直觀地觀察鏡像結(jié)果，本研究以（-90°～+90°）水平連線為對(duì)稱軸，將聲源分為前后半場(chǎng)，結(jié)果顯示受試者定位正確及鏡像正確的平均次數(shù)分別為60次和20次，各占比41.67%、13.89%。

以-45°，+45°，-135°，+135°四個(gè)點(diǎn)為分界，將聲源平均分為弧度為90°的前場(chǎng)、后場(chǎng)、左場(chǎng)和右場(chǎng)4個(gè)區(qū)域（圖1-b），各場(chǎng)定位正確的次數(shù)在該場(chǎng)所有結(jié)果中的比例均值分別為60.52%、38.69%、31.55%和37.70%，表3。統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果顯示前場(chǎng)定位正確率明顯高于其余3個(gè)區(qū)域且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），后場(chǎng)、左場(chǎng)、右場(chǎng)定位正確均值之間無(wú)顯著性差異(P＞0.05)，表4。此外，結(jié)果顯示有5例受試者共出現(xiàn)僅6次左場(chǎng)或右場(chǎng)揚(yáng)聲器給聲但對(duì)稱定位在對(duì)側(cè)半場(chǎng)，余9例均未出現(xiàn)類似情況。

表3 受試者前后左右場(chǎng)聲源定位準(zhǔn)確率

表4 前、后、左、右場(chǎng)聲源定位準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果

3 討論

聲源定位能力是聽力損失患者佩戴助聽器或植入人工耳蝸后進(jìn)行效果評(píng)估的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)后續(xù)的康復(fù)和其他干預(yù)措施的采取也有一定指導(dǎo)意義。因此，研究聲源定位的機(jī)制至關(guān)重要。

研究結(jié)果表明，正常人進(jìn)行聲源定位時(shí)確實(shí)存在一種“鏡像現(xiàn)象”，即刺激和響應(yīng)以-90°和90°為水平軸作鏡像對(duì)稱。鏡像現(xiàn)象，也稱為“混淆圓錐效應(yīng)”。這是一種正常的生理現(xiàn)象，多出現(xiàn)于前后場(chǎng)的聲源定位中。其產(chǎn)生是由于聲源發(fā)出的聲音到達(dá)雙耳的時(shí)間和強(qiáng)度差基本沒有區(qū)別，從而使人無(wú)法分辨聲源的準(zhǔn)確位置，如區(qū)分來(lái)自左側(cè)45°和135°的聲音[2,4]。此時(shí)，在不移動(dòng)頭部的前提下，耳廓對(duì)前方聲音的聚攏可能起到一定的區(qū)分辨別作用，聲波在耳廓的作用下被共振增強(qiáng)和反射減弱，導(dǎo)致在傳遞中產(chǎn)生頻譜變化，從而輔助區(qū)分來(lái)自前后方和垂直方向上的聲音，但研究結(jié)果顯示,受試者對(duì)此類鏡像混淆音的辨別能力仍有限。對(duì)比正常人對(duì)前后鏡像聲音的區(qū)分能力，本研究顯示,正常人左右場(chǎng)混淆的次數(shù)極低。由此可推論，正常人對(duì)左右聲源的區(qū)分能力強(qiáng)于對(duì)前后聲源的分辨，此種現(xiàn)象可通過耳間差異的概念直接解釋，即受試者在區(qū)別左右聲源時(shí)，由于聲音到達(dá)雙耳的強(qiáng)度和時(shí)間均不同，因此能夠準(zhǔn)確分辨聲音的左右。

關(guān)于聲源定位國(guó)內(nèi)外已有多位學(xué)者進(jìn)行報(bào)道，其中針對(duì)數(shù)據(jù)的處理方式大多數(shù)傾向于使用RMS值和最小辨別角度來(lái)評(píng)判受試者對(duì)聲源定位的準(zhǔn)確性[5-11]。本文的預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示受試者72聲源定位的RMS值遠(yuǎn)比以往研究大，原因如下：①由于揚(yáng)聲器個(gè)數(shù)較多，各聲源間隔僅5°，這種精度的定位測(cè)試對(duì)于正常人也是難度較高，難以做到絕對(duì)準(zhǔn)確。②以往研究顯示正常人RMS值約為2°～7°，兒童的可辨別角度相比成人略大，且使用多為11°或15°的前半場(chǎng)聲源[5-7，10-11]。由于選擇性較小，聲源間隔大，受試者只需要辨別大致方位，即選對(duì)的可能性相較全場(chǎng)72聲源顯著提高。③本研究采用的360°環(huán)繞式聲源進(jìn)行測(cè)試，還原了日常生活中聲音來(lái)自四面八方的場(chǎng)景，相比較半場(chǎng)聲源來(lái)說(shuō)，增加了受試者對(duì)后方聲音的辨別，定位難度增大，導(dǎo)致RMS值和以往正常人研究差別較大，且無(wú)法直接根據(jù)原始數(shù)據(jù)對(duì)正常人聲源定位能力做定量解釋。因此，本研究在統(tǒng)計(jì)正常人全場(chǎng)聲源定位能力時(shí)，將鏡像現(xiàn)象納入統(tǒng)計(jì)，得到處理后的RMS結(jié)果，這也是對(duì)全方向聲源定位測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)處理的一種嘗試，表1。在比較不同頻率信號(hào)對(duì)正常人聲源定位的影響時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，人耳對(duì)低頻信號(hào)的定位準(zhǔn)確性高，其次是中頻，最后是高頻信號(hào)，表2。但Risoud等人[2]表明正常人對(duì)中頻信號(hào)的定位能力應(yīng)比低頻和高頻差，因?yàn)樵诓蹲街蓄l信號(hào)時(shí)缺乏足夠的雙耳線索，也就是無(wú)論是時(shí)間差還是強(qiáng)度差都無(wú)法對(duì)中頻信號(hào)的定位起決定性作用。那么在聲源定位頻率特異性上，本研究結(jié)果和以往研究出現(xiàn)差異的主要原因可能是由測(cè)試難度相對(duì)較大且樣本量不足導(dǎo)致，受試者也以女性居多，后續(xù)會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量并均衡性別比例，完善此方面結(jié)果。

在進(jìn)行前后左右4個(gè)區(qū)域間正常人的定位準(zhǔn)確性分析時(shí)，鏡像現(xiàn)象不予考慮。表3結(jié)果顯示，正常人對(duì)前場(chǎng)聲源的定位能力最強(qiáng)且與其他場(chǎng)的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是通過視覺和聽覺的互相作用,由于視覺的輔助，人耳會(huì)傾向于接收處于前方的聲音，Abel和Tikuisis[12]的研究表明，突然剝奪單眼視覺會(huì)導(dǎo)致人對(duì)水平聲源定位的準(zhǔn)確度降低，既往研究同樣證明了有視覺障礙會(huì)影響受試者反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)和聲源定位準(zhǔn)確率，但定位能力可以通過不斷的訓(xùn)練提高[13-14]。另外視覺可以幫助受試者集中注意力，對(duì)聲音的定位和分辨也能起到一部分作用。一些其他研究顯示，由于耳廓結(jié)構(gòu)的生理特性，導(dǎo)致聲波的頻譜線索出現(xiàn)變化，處于前方的聲音可能會(huì)更容易被分辨和接收[13,15-17]。而對(duì)于長(zhǎng)期聽力損失的患者來(lái)說(shuō)，可能會(huì)需要借助唇讀進(jìn)行聲音的辨別，這種長(zhǎng)期聆聽和唇讀相結(jié)合的模式會(huì)導(dǎo)致其更傾向于面朝聲源，接收來(lái)自前方的聲音。

從臨床角度看，聲源定位對(duì)患者佩戴助聽器或人工耳蝸后的效果評(píng)估意義重大。有效的感知生活中聲音的方位能對(duì)患者的生活質(zhì)量乃至生命都具有積極的影響，如察覺日常生活中汽車?guó)Q笛音的方向等。聲源定位研究的開展是為了摸索正常人聲源定位規(guī)律，探索人耳聲源定位機(jī)制，為后續(xù)研究聽力損失患者的聲源定位能力打下理論基礎(chǔ)，并通過助聽設(shè)備的補(bǔ)償和實(shí)驗(yàn)室聲源定位訓(xùn)練向正常人聽覺規(guī)律靠近，極大程度的增加聽覺優(yōu)勢(shì)，提高生活質(zhì)量，為患者生活帶來(lái)更多便利。