1～3期帕金森病患者語音的元音聲學(xué)特征分析△

葛勝男 尹敏敏 王勇麗 萬勤 劉曄 黃昭鳴

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是一種常見于老年人的、以中腦黑質(zhì)多巴胺神經(jīng)元退變?yōu)橹鞯纳窠?jīng)退行性疾病。帕金森病在全球的患病率約為0.3%，在中國患病率為16.7/10萬[1]，其中約有89%的帕金森病患者存在不同程度的言語障礙[2]，如：輔音不準(zhǔn)確、元音歪曲、響度減小、嗓音音質(zhì)差等[3]。帕金森病患者語音在元音方面主要體現(xiàn)在由于構(gòu)音器官運(yùn)動(dòng)范圍受限而引起的元音發(fā)音歪曲。

目前的研究多使用與元音共振峰相關(guān)的聲學(xué)指標(biāo)來探討帕金森病患者語音的元音特征。第一共振峰(F1)與下頜和舌的垂直位置有關(guān)，尤其是下頜，下頜運(yùn)動(dòng)可大體調(diào)整聲道形狀，可利用下頜距體現(xiàn)元音發(fā)音時(shí)的下頜位移能力[4]。第二共振峰(F2)與舌的水平位置有關(guān)，舌運(yùn)動(dòng)精細(xì)聲道結(jié)構(gòu)，可利用舌距體現(xiàn)元音發(fā)音時(shí)的舌水平位移能力[5]。當(dāng)下頜向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，口腔體積增大，咽腔體積減小，F(xiàn)1增加；當(dāng)舌向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，咽腔體積增大，口腔體積減小，F(xiàn)2增加[6]。元音空間面積(vowel space area，VSA)是由角元音共振峰中點(diǎn)之間的歐幾里得距離所圍成的區(qū)域[7]，代表構(gòu)音器官整體的運(yùn)動(dòng)控制和協(xié)調(diào)能力。此外，近年還出現(xiàn)一些新的元音聲學(xué)指標(biāo)來反映元音發(fā)音過程中的變化，如元音清晰度指數(shù)[8](vowel articulation index，VAI)和共振峰集中率[9](formant centralization ratio，F(xiàn)CR)，分別表示受損元音的清晰情況和元音集中的程度,其優(yōu)勢(shì)在于較少受到不同說話者的語音變異性的影響。

篩選有效的元音聲學(xué)指標(biāo)可以提高言語治療師的評(píng)估效率。國內(nèi)關(guān)于帕金森病患者語音的元音特征研究較少，且研究結(jié)果不統(tǒng)一。國外研究帕金森病患者語音的元音特征很多，但多聚焦于單一指標(biāo)，對(duì)于篩選有效元音聲學(xué)指標(biāo)的研究較少。因此，本研究選取下頜距、舌距、元音空間面積、元音清晰度指數(shù)、共振峰集中率作為測(cè)量指標(biāo)，探討帕金森病患者語音的元音聲學(xué)特征，并篩選出帕金森病患者元音發(fā)音的有效聲學(xué)評(píng)估指標(biāo)，為患者的康復(fù)治療提供參考。

1 資料與方法

1.1研究對(duì)象及分組 共納入2019年10月至2020年1月于上海市第一人民醫(yī)院確診的1～3期帕金森病患者26例(帕金森病組，男、女性各13例)，年齡57～81歲,平均70.69±5.62歲，病程1.5～11年，平均5.70±3.64年。納入同期于上海老年大學(xué)普陀分校的正常人22例為對(duì)照組(男12例，女10例)，年齡58～83歲,平均67.68±7.21歲。兩組受試者的年齡與性別無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(t=1.571，P=0.123；t=0.308，P=0.760)。所有受試者長(zhǎng)期居住于上海，會(huì)說漢語普通話。根據(jù)統(tǒng)一帕金森病綜合評(píng)分量表(unified parkinson’s disease rating scale, UPDRS-Ⅲ)[10]中第十八項(xiàng)“言語(表達(dá))”得分為1或2，確定患者的言語損傷程度均為輕度或中度。本研究取得華東師范大學(xué)人體實(shí)驗(yàn)倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號(hào)：HR 249-2019)，所有受試者在正式實(shí)驗(yàn)之前均對(duì)研究目的及過程知情。

帕金森病組納入標(biāo)準(zhǔn)：①符合《中國帕金森病的診斷標(biāo)準(zhǔn)(2016版)》[11]；②Hoehn-Yahr分期為1～3期[12]；③無認(rèn)知障礙，通過簡(jiǎn)易精神狀態(tài)檢查，評(píng)分≥24分；④視力正常，可進(jìn)行文字閱讀；⑤無其他器質(zhì)性言語語言障礙疾病；⑥無聽力損傷史(雙耳0.5、2、4 kHz平均聽閾均≤40 dB HL)；⑦識(shí)字，會(huì)說漢語普通話。排除標(biāo)準(zhǔn)：①存在其他神經(jīng)系統(tǒng)或精神疾??；②存在認(rèn)知障礙、聽力障礙等；③有長(zhǎng)期酗酒或抽煙史；④近兩周內(nèi)有咳嗽、流鼻涕現(xiàn)象及感冒史。

正常對(duì)照組納入標(biāo)準(zhǔn)：①無現(xiàn)存神經(jīng)系統(tǒng)疾病或精神障礙；②言語及語言正常；③聽力及視力正常；④認(rèn)知功能正常；⑤識(shí)字，會(huì)說漢語普通話。排除標(biāo)準(zhǔn)：①有神經(jīng)系統(tǒng)或精神疾病史；②有認(rèn)知、聽力障礙等問題；③現(xiàn)存鼻、咽喉、口腔、呼吸系統(tǒng)等發(fā)音言語器官疾?。虎苡虚L(zhǎng)期酗酒或抽煙史；⑤近兩周內(nèi)有咳嗽、流鼻涕現(xiàn)象及感冒史。

1.2研究方法

1.2.1測(cè)試語料 由于在日常生活中通常使用連續(xù)語音進(jìn)行交流，為了更加貼近患者在生活中的元音發(fā)音特征，本研究選取由華東師范大學(xué)言語聽覺康復(fù)科學(xué)專業(yè)設(shè)計(jì)的連續(xù)語音材料《超市篇》作為測(cè)試語料，該語料根據(jù)語音均衡式原則[13]設(shè)計(jì)，由110個(gè)音節(jié)組成，能夠更好地適應(yīng)自然言語的條件，下劃線的字為本研究的目標(biāo)單音節(jié)字，《超市篇》：今天老鄧逛超市，到達(dá)后驚呆了，竟然趕上店慶，全場(chǎng)五折，太便宜了。他走到果蔬區(qū)，把香菜、茭白、茴香、姜、香蕉等都買完后，又去了別的地方轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，給兒子添置不少東西，雙手快拿不住了。付費(fèi)后，打電話給老張，問：“你孫子過生日要買什么？”“我想買玩具。”“快來超市吧，這些玩具打折呢！”

1.2.2元音聲學(xué)特征測(cè)試方法 每例受試者使用漢語普通話以自然的語速和適當(dāng)?shù)捻懚葋砝首x測(cè)試語料，正式測(cè)試之前，每例受試者可默讀以便熟悉短文。語音采集過程由一名專業(yè)的言語治療師在安靜的環(huán)境下完成，環(huán)境噪聲控制在45 dB以下。選擇專業(yè)數(shù)字音頻處理軟件Sound Forge 9.0進(jìn)行錄音和音頻剪輯，參數(shù)設(shè)置為單通道，16 bit，采樣頻率為44 100 Hz。從“超市篇”中選擇目標(biāo)音節(jié)/da/、/ta/、/ba/、/yi/、/di/、/ni/、/shu/、/bu/、/fu/，并提取出單元音/a/、/i/、/u/，選擇專業(yè)的語音分析設(shè)備言語障礙測(cè)量?jī)x(ICF-Dr.SpeechTM，上?；勖翎t(yī)療器械有限公司)分析每個(gè)單元音的第一共振峰及第二共振峰，并計(jì)算出下頜距、舌距、元音空間面積(VSA)、元音清晰度指數(shù)(VAI)、共振峰集中率(FCR)。計(jì)算公式如下：

下頜距 △F1 = F1a-F1i[5]；

舌距 △F2 = F2i-F2u[5]；

VSA = ABS{[F1×(F2a-F2u)+ F1a×(F2u-F2i)+ F1u×(F2i-F2a)]/2}[8,9]；

VAI=(F2i+F1a)/(F1i+F1u+F2u+F2a)[8]；

FCR=(F1i+F1u+F2u+F2a)/(F2i+F1a)[9]。

1.3統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 本研究采用2×2兩因素完全隨機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，自變量為組別和性別，因變量為下頜距、舌距、元音空間面積、元音清晰度指數(shù)、共振峰集中率。采用SPSS23.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，所有數(shù)據(jù)樣本在分析前均進(jìn)行正態(tài)性、方差齊性和獨(dú)立性檢驗(yàn)，各因素在組別和性別均相互獨(dú)立，方差齊性，且符合正態(tài)分布。

2 結(jié)果

兩組各元音聲學(xué)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果及方差分析結(jié)果分別見表1、2?？梢?，不同性別受試者的元音聲學(xué)特征存在顯著差異，男性下頜距、舌距、VSA、VAI顯著小于女性，F(xiàn)CR顯著大于女性(F=34.158，P<0.001；F=50.584，P<0.001；F=96.317，P<0.001；F=13.390，P=0.001；F=12.724，P=0.001)。帕金森病組的VAI顯著小于正常對(duì)照組，F(xiàn)CR顯著大于正常對(duì)照組(F=9.209，P=0.004；F=8.690，P=0.005)，說明VAI和FCR對(duì)于區(qū)分帕金森病患者和正常人顯著有效。

表1 兩組男、女性元音的下頜距、舌距、VSA、VAI及FCR比較

表2 兩組元音各聲學(xué)指標(biāo)的方差分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 討論

不同性別受試者的元音共振峰存在一定差異，其原因?yàn)槟小⑴缘穆暤佬螤畲嬖诿黠@差異，男性聲道長(zhǎng)度顯著大于女性，導(dǎo)致元音共振峰頻率下降(Fitch,1999)，造成不同元音共振峰頻率之間的差值減小。從文中結(jié)果看，帕金森病組的下頜距和舌距均小于正常對(duì)照組，但無顯著差異，說明下頜距和舌距這兩個(gè)指標(biāo)不能明顯區(qū)分帕金森病患者與正常人。帕金森病患者言語運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行受損會(huì)導(dǎo)致構(gòu)音器官的運(yùn)動(dòng)幅度減小[14]，并且靜止性震顫和肌強(qiáng)直等典型運(yùn)動(dòng)性癥狀影響構(gòu)音器官運(yùn)動(dòng)的幅度，從而導(dǎo)致帕金森病患者的下頜距和舌距小于健康成人；但是由于帕金森病高發(fā)于中老年人群，此年齡段正常人群的發(fā)音同樣呈現(xiàn)衰退趨勢(shì)，構(gòu)音運(yùn)動(dòng)范圍逐漸減小，從而造成帕金森病患者與正常人的下頜距和舌距差異不顯著。

元音空間面積已被普遍用作元音發(fā)音的評(píng)價(jià)指標(biāo)[15]。本研究中帕金森病組的元音空間面積小于正常對(duì)照組，但也無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，與Mcrae[16]、Skodda[8]等的研究結(jié)果一致。Liu等[17]曾認(rèn)為元音空間面積的縮小程度可能取決于言語障礙的嚴(yán)重程度，本研究所選取的帕金森病患者言語障礙程度為輕、中度，故與正常人的元音空間面積差異相對(duì)較小。對(duì)于言語障礙患者來說，元音空間面積與說話者的可懂度呈正相關(guān)，元音空間面積更大者所發(fā)出的語音更清晰、更容易理解[18,19]。本研究結(jié)果表明，女性元音空間面積顯著大于男性，這也是男女聲道形狀不同所導(dǎo)致的結(jié)果；男性由于青春期的喉部結(jié)構(gòu)變化影響了口咽腔的比例，舌前后運(yùn)動(dòng)的范圍減小，從而造成元音空間面積小于女性。故元音空間面積可用來顯著區(qū)分男性與女性的元音聲學(xué)特征，對(duì)于區(qū)分帕金森病患者和正常人群則貢獻(xiàn)不大。

VAI和FCR是兩個(gè)新元音聲學(xué)指標(biāo)，隨著元音共振峰的集中化，VAI減小而FCR增加[9]。VAI和FCR均被證明可以有效地區(qū)分言語障礙和健康人群。Roy等[20]發(fā)現(xiàn)VAI在區(qū)分正常人和肌張力障礙患者發(fā)音方面比VSA敏感。Sapir等[9]研究表明FCR尤其對(duì)元音集中的趨勢(shì)非常敏感。此外，Skodda等[8]對(duì)不同性別帕金森病患者進(jìn)行了聲學(xué)分析研究，發(fā)現(xiàn)男性和女性帕金森病患者的VAI均顯著降低。國內(nèi)學(xué)者丁馨[21]則發(fā)現(xiàn)元音清晰度能夠從正常人群中區(qū)分出男性和女性帕金森病患者，但其研究中受試者較少。本研究中，不同組別與性別受試者的VAI和FCR均有極顯著差異，與上述研究結(jié)果一致。帕金森病患者VAI顯著減小，F(xiàn)CR則顯著增大，說明帕金森病患者的構(gòu)音運(yùn)動(dòng)范圍減小，元音清晰度減弱，其元音發(fā)音呈現(xiàn)集中化的趨勢(shì)，導(dǎo)致言語可懂度下降[22]，影響患者的言語表達(dá)。因此，作為新型客觀指標(biāo)，VAI和FCR對(duì)區(qū)分帕金森病患者與健康人群語音的意義重大，同時(shí)對(duì)男性和女性之間語音的元音特征差別也非常敏感。

綜上所述，下頜距、舌距、VSA、VAI和FCR均能不同程度地反映帕金森病患者語音的元音聲學(xué)特征，其中，VAI和FCR可作為有效元音聲學(xué)評(píng)估指標(biāo)，在區(qū)分帕金森病與健康人群、男性與女性語音的元音特征方面均非常敏感。