超聲影像技術分析發(fā)音時舌運動模式的研究進展

朱孟賢 姜成惠 周廣超 汪彬昺 李盛 施星輝

1.南京醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院口腔頜面外科 南京 210000；2.江蘇省口腔疾病研究重點實驗室 南京 210000；3.南京醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院影像科 南京 210000

超聲影像技術對發(fā)音時舌體運動模式的研究，自20世紀80年代開始出現(xiàn)，近年來應用逐漸廣泛，特別是在超聲反饋治療語音障礙和發(fā)音舌體模式成像研究等方面[1-2]。早期，由于超聲成像的圖像清晰度較低、缺少舌尖及舌側面信息、模型重建算法復雜等因素，限制了超聲的廣泛應用。近些年來，隨著超聲設備的日益先進以及成像技術的進步，使數(shù)據(jù)采集更加準確，并能滿足長時間發(fā)音檢查的需要，使其成為語音學和病理語音學研究中越來越受歡迎的舌運動成像工具[3-4]。目前，在發(fā)音舌體運動模式的超聲研究中，對于超聲的應用原理、應用范圍及使用方法等方面尚缺乏統(tǒng)一和規(guī)范。本文將對發(fā)音舌體運動的超聲影像研究進展作一綜述。

1 超聲研究發(fā)音舌運動的原理

超聲波是一種無輻射、無侵害的舌體成像方法，可實時捕捉舌體軟組織的運動狀態(tài)，提供清晰的舌運動信息。超聲轉(zhuǎn)換器會發(fā)出遠遠超過人耳所能感知的高頻聲波（3～16 MHz）。該高頻聲波可穿過皮膚、脂肪、肌肉等機體含水的組織，在有空氣的組織邊界（如舌體表面）處被反射，并被轉(zhuǎn)換器再次接收。接收到的反射波信號將由計算機轉(zhuǎn)換成圖像，并可近乎實時地顯示出來[5]。超聲波并不能對骨組織成像且會被空氣強烈反射。舌體組織中沒有骨組織（舌骨除外），且舌背與上腭之間有空氣存在。當轉(zhuǎn)換器置于頸部頦下皮膚時，即可觀察到舌背表面空氣形成的高回聲白線[6]（圖1）。正常人舌的超聲影像可顯示下頜舌骨肌、頦舌骨肌、舌中隔及兩側頦舌肌等解剖結構，且均呈低回聲區(qū)，而頸深筋膜、兩側舌下腺等結構則呈高回聲區(qū)影像[7]。

圖1 1例正常兒童/a/音的舌超聲圖像示例Fig 1 An example of ultrasound images of the tongue of a normal child with/a/sound

2 超聲影像技術在發(fā)音舌運動模式研究的應用

2.1 發(fā)音特征增齡性改變的研究

對于不同年齡段語音特征的比較研究是語音學中的研究熱點，超聲影像技術在該領域中扮演重要角色。Zharkova[8]聯(lián)合超聲和聲學分析技術，對比研究了使用蘇格蘭英語的成人和兒童其擦音的發(fā)音特征。結果發(fā)現(xiàn)，相較于成人，兒童舌體運動模式的多樣性特征更為顯著。隨后，Zharkova等[9]又對7～13歲的蘇格蘭英語兒童的擦音進行超聲和聲學聯(lián)合研究。研究進一步發(fā)現(xiàn)，年齡越小，舌體運動的多樣性表現(xiàn)得越明顯。有學者[10-11]發(fā)現(xiàn)，相較于成年人，兒童在發(fā)音時有更多的協(xié)同發(fā)音的表現(xiàn)，這種協(xié)同發(fā)音模式從3歲至5歲呈現(xiàn)下降趨勢。同時，他們又通過線性混合效應模型的結果表明，與成人一樣，兒童在發(fā)元音時，其舌體運動要早于其聲學啟動時間。因此，在不同年齡段發(fā)音增齡性改變的研究中，超聲影像技術被廣泛應用。

2.2 協(xié)同發(fā)音模式的研究

協(xié)同發(fā)音是指在多音段發(fā)音時，一個音段對于另一個音段的影響[12]。超聲影像技術具有實時成像的優(yōu)點，在音節(jié)序列研究中應用廣泛。有學者比較元音/u:/和/?/在音節(jié)“fool”和“full”中的超聲舌型和聲學指標發(fā)現(xiàn)，音節(jié)“fool”中舌體位置明顯向前，聲學指標F2并沒有提示顯著差異。因此提出共振峰F2對于舌體位置改變的提示存在一定的限制[13]。另有學者[14]通過超聲影像分析技術，研究元音位置對于輔音/k/的舌體形態(tài)的影響。結果發(fā)現(xiàn)，相對于在/k/位置之前的元音，/k/音后接的元音更能影響軟腭爆破音/k/閉合時的舌體位置。Zharkova等[15]利用超聲研究成人和兒童舌構音特點，采用舌體輪廓擬合的舌型曲線，發(fā)現(xiàn)音節(jié)/?a/與/?u/的舌曲線中點距離有顯著性差異，而音節(jié)/?i/與/?u/的舌曲線則近乎重合，差異不明顯。由上可見，超聲影像技術在研究協(xié)同發(fā)音時舌體運動模式中亦是一種有效的技術手段。

2.3 多語種的語音特征及多模態(tài)研究

超聲影像技術可用于不同語種和（或）方言的比較研究。一項針對英語方言的超聲影像分析研究[16]發(fā)現(xiàn)，愛爾蘭語和英格蘭語舌體位置相較于蘇格蘭語更高更向前，且差異明顯。Wilson等[17]通過對8名英語和法語雙語使用者的超聲研究發(fā)現(xiàn)，雙語者與單一語種者在該語種上的發(fā)音舌體位置相似。有學者[18]在利用超聲影像分析技術研究臺灣普通話中3個擦音/s/、/?/、/?/的舌體形態(tài)時發(fā)現(xiàn)其具有不同程度的相似性，即舌型曲線出現(xiàn)不同程度的重合，專業(yè)語音師主觀判聽和頻譜分析技術同樣證實了這一特征性發(fā)音模式的存在。雖然超聲在其他語種及方言中應用較多，但針對漢語普通話超聲研究并不多見，未來值得深入研究。

超聲作為一種新興的發(fā)音舌成像技術手段，可通過聯(lián)合主觀評估和聲學分析技術，對發(fā)音進行多模態(tài)研究。有學者研究兒童英語中/r/音超聲測量、主觀判聽和聲學測量之間的相關性發(fā)現(xiàn)，超聲測量分別與主觀判聽以及聲學測量2種方法在/r/音測量的準確性上顯著相關。以超聲圖像數(shù)據(jù)為自變量，主觀判聽和聲學測量的準確性為因變量，分別通過線性回歸研究超聲測量與主觀判聽和聲學測量之間的關系發(fā)現(xiàn)，隨著超聲影像質(zhì)量的提升，其對主觀判聽的測量預測的準確程度越好[19]。有學者[20]對比超聲測量的舌體輪廓數(shù)據(jù)和聲學測量所得的語音信號發(fā)現(xiàn)，相較于舌體高度，第一共振峰與后聲腔的長度相關性更強。相較于舌前伸，第二共振峰與前聲腔的長度相關性更強。主觀評估、聲學測量以及超聲分析技術都是語音分析的重要手段，提高超聲影像圖像質(zhì)量并聯(lián)合多模態(tài)研究是可為語音學研究提供更為豐富的信息。

2.4 腭裂語音特征的研究

腭裂語音障礙是繼發(fā)于先天性腭裂畸形和（或）腭咽閉合不全的器質(zhì)性構音障礙，腭裂畸形程度對語音有較大影響，畸形越嚴重，其語音狀況越不理想[21]。Cleland等[22]發(fā)現(xiàn)，在腭裂兒童中，超聲成像更易識別一些其他技術手段不易發(fā)現(xiàn)的發(fā)音錯誤，例如雙重發(fā)音和卷舌化發(fā)音，有效輔助傳統(tǒng)語音轉(zhuǎn)錄。Bressmann等[23]對高鼻音的腭裂患者舌體形態(tài)進行了實時的超聲影像研究，他認為由于腭裂患者常伴隨共鳴異常，尤其是高鼻音，若僅采用聲學分析技術進行研究，不可避免帶來聲譜圖的改變，勢必影響舌位信息的分析和處理。而采用超聲舌影像分析就可以有效避免高鼻音對于分析的影響。此外，Bressmann等[24]還對5名腭裂代償性語音患者的軟腭爆破音/k/進行了研究，除聲門爆破音、咽部爆破音、腭中部爆破音等傳統(tǒng)代償發(fā)音方式外，超聲影像還可以提示容易被主觀判聽所遺漏的細微的舌體位置異常。還有學者更多地關注超聲影像分析技術在腭裂語音障礙方面的研究。張陽等[25]利用超聲影像技術對3～5歲的腭裂術后兒童進行回顧性分析，研究早期使用矯形板對于腭裂患者舌體運動的影響，比較有無使用矯形板的兩組患者的超聲舌體圖像發(fā)現(xiàn)，使用矯形板的患者舌體活動性更強，獲得良好發(fā)音的比例更高。因此，在腭裂病理語音領域，超聲影像技術也得到了國內(nèi)外學者的關注和使用。

2.5 頭頸腫瘤術后病理語音的研究

舌癌的手術治療會導致繼發(fā)的語音障礙，語音障礙的程度取決于病灶的位置及病變程度等影響因素[26-27]。有學者[28-29]對舌半切除修復重建患者的語音進行超聲影像研究，將構音時舌運動歸結為3個維度：前伸和后縮動作、舌尖上抬或下壓動作、舌背高拱或姿勢保持動作，并探討手術修復對這3種運動方式的影響。學者們[30]同時發(fā)現(xiàn)，舌半切除患者術后發(fā)音時，正中矢狀舌的移動速率比術前顯著加快，以代償修復重建的舌體組織。這是引入時間維度后，超聲影像技術在發(fā)音舌體運動生物力學上有益嘗試。綜上可見，超聲影像技術在頭頸腫瘤術后病理語音的研究中亦有很好的應用價值。

2.6 功能性構音障礙及運動性構音障礙的研究

功能性構音障礙是語音障礙中最為常見的一種，超聲影像技術在這一領域也得到廣泛的應用。有學者[31-32]利用超聲影像技術研究舌尖音后置和舌根音前置構音障礙的患者舌運動特征，發(fā)現(xiàn)舌根音前置患者的舌背偏移指數(shù)（值越大，舌位偏移程度越厲害）顯著大于舌尖音后置的患者。一項針對混合型語音功能障礙患者的超聲研究[33]發(fā)現(xiàn)，在發(fā)半元音/j/時，這一群體的舌背凸向硬腭中部，和正常語音圖像有顯著性差異。此外，Cleland等[34]利用超聲影像技術研究有長期/k/音構音前置習慣的兒童在發(fā)/t/、/k/音時的舌體輪廓特征，結果發(fā)現(xiàn)這兩個音素在矢狀面圖像上并無顯著性的差別。為進一步深入研究，他提出未來研究中要增加對于爆破音動態(tài)過程的超聲研究，并實現(xiàn)對爆破發(fā)音過程的分階段級研究。

運動性構音障礙是由于中樞和（或）周圍神經(jīng)結構或功能異常導致的。在這一群體的發(fā)音超聲研究中，也有關于舌位特征性改變的報道。Shawker等[35]研究運動性構音障礙患者在/a/音時的發(fā)音特征，一位患者舌位表現(xiàn)出小于0.1 cm的偏移，另一位患者表現(xiàn)出舌前部的收縮和舌后部的上抬。Bressmann等[36]對舌偏癱的中風患者進行超聲研究，發(fā)現(xiàn)舌偏癱不僅影響發(fā)音時舌體的對稱性，也影響舌體的正中卷曲特征。由此可見，超聲影像技術在功能性構音障礙及運動性構音障礙的研究中，其應用價值也被廣泛認可。

3 超聲影像技術在研究發(fā)音舌運動模式中的方法

既往研究已證實，超聲影像技術在研究發(fā)音舌體運動模式上有很好的應用價值，但是如何提升并統(tǒng)一和規(guī)范超聲發(fā)音舌體分析技術，以獲得更加準確可靠的研究數(shù)據(jù)，是學者們一直關注的重點。Zharkova[31]為利用超聲工具描述腭裂語音的舌體特征，嘗試提出了5種測量計算方法。如針對單一舌曲線的研究提出了舌背偏移指數(shù)（dorsum excursion index，DEI）和舌位收縮指數(shù)（tongue constraint position index，TCPI）2個分析指標來描述舌背形態(tài)變化特征。對于多曲線的研究，則提出了舌位動態(tài)變化值（tongue dynamics）、舌位多樣性（variability）以及舌曲線的分離（separation tongue curves）3個指標分別來描述連續(xù)發(fā)音的舌位變化，不同對象的舌位多樣性以及不同音素之間的舌體形態(tài)的區(qū)分度。

既往舌體運動的超聲研究中，舌圖像的采樣多集中在矢狀面。但Bressmann等[36]在研究舌偏癱對于舌體對稱性和卷曲能力的影響時提出，冠狀面的舌體超聲圖像可以較好地衡量舌體的對稱性和卷曲能力。Kansy等[37]采用超聲和磁共振2種方式對于頭頸腫瘤術后舌體運動特征進行比較研究時發(fā)現(xiàn)，為更精確地分析重建后舌體的運動，在超聲測量時，除常規(guī)選擇正中矢狀面和冠狀面外，還可增加側矢狀面舌體圖像的采集。另外，發(fā)音時舌體整體的運動模式也可通過超聲成像技術實現(xiàn)。Stone[38]曾利用X線和超聲實時成像技術，通過點追蹤技術，實現(xiàn)發(fā)音時舌體運動模型的構建。Bressmann等[28]利用三維超聲評估持續(xù)發(fā)音狀態(tài)下舌體的收縮、卷曲和對稱性時發(fā)現(xiàn)，三維超聲對于舌體重建術后的形態(tài)及形變的評估細致而準確。有學者[39]通過彩色多普勒超聲研究重復音節(jié)發(fā)音時舌體的運動發(fā)現(xiàn)，超聲可以通過顏色和亮度的實時變化提示舌體運動的方向和速度。

超聲測量時探頭的采集方式通?？煞譃闄C械固定式和手持式2種。Zharkova等[40]曾針對10名成年人的超聲數(shù)據(jù)，比較不同探頭采集方法的區(qū)別（即手持式和機械固定式）。研究結果提示，兩種探頭采集方式的選擇主要受到不同音素和測量方法要求的影響。Baghban等[41]通過對波斯語中正常兒童的音素超聲研究提出，在沒有頭部固定的情況下，單曲線的測量方法仍可提供可靠的結果來區(qū)分不同輔音。因此，在超聲影像研究中，如僅涉及發(fā)音舌型的單一曲線研究，或考慮到研究對象的配合程度及耐受性，可考慮使用手持探頭的方式進行超聲檢測。

綜上所述，超聲影像技術在研究發(fā)音舌運動模式領域中已經(jīng)得到廣泛的應用，特別是在發(fā)音增齡性改變、協(xié)同發(fā)音語音特點、多語種和(或）方言比較研究、病理性語音特點（包括腭裂語音、功能性構音障礙、運動性構音障礙、頭頸腫瘤術后病理語音等）等方面有著良好的應用前景。使用方法上，正中矢狀面、側矢狀面以及冠狀面3個維度可供不同研究目的的選擇，考慮研究方法和研究對象的不同可選擇合適的探頭固定方式。值得一提的是，在漢語普通話領域中的超聲影像學研究尚不多見，未來可增加在漢語普通話領域內(nèi)的超聲舌體運動的分析研究。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。