聲源定位實驗研究進展

龍越 龔樹生

首都醫(yī)科大學附屬北京友誼醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科(北京 100050）

空間聽覺在日常生活中至關重要，它有助于聲源定位以及在嘈雜環(huán)境中提取信息進行交流?？臻g聽覺障礙會降低人的溝通能力，并可能引發(fā)危險情況（例如在交通中）。空間聽覺是中樞聽覺系統(tǒng)對雙耳信息整合處理能力的直觀評價指標，其測試手段主要包括言語識別測試和聲源定位測試。迄今為止，臨床、科研工作中對于空間聽覺能力的評估多采用言語識別測試（例如噪聲競爭環(huán)境下的言語識別率），患者的語言處理相關障礙可能會影響其真實的聽覺能力表現(xiàn)，因此聲源定位能力能更直接的反應患者的雙耳聽覺信息整合能力，然而目前聲源定位能力研究遠不及言語識別測試開展的普遍。本文將介紹聲源定位原理、研究常用的測試條件和數(shù)據(jù)分析方法，并對目前為止該領域聽力正常、聽力損失、聽力損失干預后以及耳鳴人群的研究情況加以綜述，以期為后期聲源定位實驗開展提供借鑒。

1 聲源定位原理

聲源位置包括三個參數(shù)：水平角度（0±180°），垂直角度（0±90°）和距離（0±∞），聽覺系統(tǒng)通過時間、強度和聲波頻譜對其進行定位。水平角度主要由雙耳時間差（Interaural Time Difference，ITD）和雙耳強度差（Interaural Level Difference，ILD）確定；垂直角度由單耳確定（耳廓、頭顱、肩和胸廓對聲波反射、衍射和吸收引起頻譜變化），即HRTF（Head-Related Transfer Functions），距離主要也由單耳確定[1]。同時有很多因素會對聲源定位能力產(chǎn)生影響，例如刺激聲頻率特性[2]，低頻（<1500Hz）主要依賴于ITD，而高頻（>4000Hz）主要依賴于ILD，寬頻聲刺激有利于受試者獲得更好的聲源定位結(jié)果[3]；再如刺激聲來源方位，前方聲音較側(cè)方、后方更容易精準定位[4,5]。

2 常用的測試條件和數(shù)據(jù)分析方法

目前用于聲源定位測試的條件和數(shù)據(jù)分析方法多種多樣，尚無統(tǒng)一標準，在一定程度上限制了不同研究結(jié)果的可比性。首先在測試條件方面，絕大多數(shù)研究是針對水平面空間聽覺能力為對象的，然而各個研究聲源擺放角度間隔存在較大差異，例如 4.28°[4]、15°[6]、30°[7]等。同時聲源定位能力的評估方法也多種多樣。常用的有聲源識別任務、聽覺空間辨別任務。聲源識別任務通過要求受試者直接指出感知到的聲源方向來確定其聲源定位的準確性。在這一測試中通常采用均方根誤差（Root Mean Square Error,RMSE）和平均絕對誤差（Mean Absolute Error,MAE）對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析前的計算。而空間辨別任務則要求受試者區(qū)分參考信號聲和目標信號聲的位置，以獲得最小可聽角度（Minimum Audible Angles，MAA）[4,8]。測試采用強制性二選一（Two-Alternative Forced-Choice,2AFC）或強制性三選一（Three-Alternative Forced-Choice,3AFC）方案，要求受試者在參考刺激聲和目標刺激聲中做出選擇，以確定最小偏差角度。亦有學者利用其它方法進行數(shù)據(jù)分析。Smith等[9]將±5°定義為聲源定位正確，計算受試者在各個角度的平均正確率。An等[7]將30°的角度偏差記為1誤差分，計算實驗組和對照組受試者的總誤差分（Total Error Score,TES）以比較兩組受試者的聲源定位能力。Hyv?rinen等[10]直接將絕對定位誤差作為評估指標研究受試者在水平及垂直平面的聲源定位能力。

絕大多數(shù)聲源定位研究都是以安靜環(huán)境為測試條件，僅有少數(shù)學者進行了噪聲環(huán)境下相關研究。Wood等[11]研究了8名聽力正常成年人在不同信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）下的聲源定位能力，實驗設計采用2AFC方案，結(jié)果表明受試者的聲源定位能力隨SNR的提高而提高。

3 聽力正常受試者的聲源定位研究

評估聽力正常受試者的特定空間聽覺能力將有助于我們了解正常聽力人群的聽覺表現(xiàn)，進一步為評估聽力損失患者的聽覺能力缺陷提供對照。很多學者對于聽力正常人群進行了聲源定位研究。Kuhnle等[4]采用聲源識別任務和聽覺空間辨別任務對136名6-18歲的兒童及青少年聲源定位能力進行了研究，發(fā)現(xiàn)聲源識別能力從六歲開始已經(jīng)趨于穩(wěn)定，然而空間辨別能力隨著年齡的增長顯著提高，因此聲源識別和空間辨別是兩個不同的聽覺任務，可能在不同的上行聽覺通路階段進行處理。Van等[6]對33名4-9歲兒童和5名成年人進行了寬頻信號的聲源定位測試，采用RMSE和MAE為評價指標，發(fā)現(xiàn)四歲兒童MAE顯著高于其他年齡組，5歲以上兒童聲源定位能力與成年人已無顯著差異。Freigang等[8]對64名老年人和22名年輕人進行了聲源識別和辨別測試，研究發(fā)現(xiàn)MAA與年齡顯著相關，隨著年齡增長聲源定位能力下降。在老年人中RMSE與MAA無相關性，在年輕人中兩者僅有弱相關，提示聽覺中樞采用不同的策略處理聲源的識別與辨別任務。

因此對于聽力正常受試者來說，年齡是影響其聲源定位能力的重要因素，研究聽力損失受試者聲源定位能力時，選擇聽力正常對照組時應盡可能的做到年齡匹配。同時不同的實驗方案可能會產(chǎn)生不同的結(jié)果，分別將聲源識別和聲源辨別能力進行比較會更為合理。

4 聽力損失受試者的聲源定位研究

4.1 雙側(cè)聽力損失受試者的聲源定位研究

良好的聲源定位能力依賴于雙耳聽覺的一致性，聽力損失破壞了這一基礎從而影響了聲源定位能力。Koehnke等[12]通過測試聽力正常和聽力損失受試者對ITD和ILD察覺能力來評估他們的雙耳聆聽表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)聽力損失受試者雙耳聆聽能力個體間差異較大且總體差于聽力正常受試者。Best等[13]對比了聽力正常和雙側(cè)對稱“斜坡形”聽力損失受試者的聲源定位能力，發(fā)現(xiàn)安靜環(huán)境中兩組受試者結(jié)果無顯著差異，而在噪聲競爭環(huán)境下聽力損失組RMSE顯著高于聽力正常組，其原因可能是聽力損失導致了受試者對聲音的頻譜和時域特征敏感性降低，使其聽到的同一時刻發(fā)出的聲音之間具有更多的“相互掩蔽”作用，進而導致可利用的空間信息失真。

4.2 單側(cè)聽力損失受試者的聲源定位研究

單側(cè)聽力損失（Unilateral Hearing Loss,UHL）患者不能或僅能獲得較差的雙耳線索，因此聲源定位能力也將受到影響，尤其對于水平方位的聲源定位。Nelson等[14]對12名UHL成年人進行了聲源識別測試，研究發(fā)現(xiàn)受試者前后兩次（至少間隔兩周）結(jié)果具有良好的重復性，雖然RMSE結(jié)果顯著差于聽力正常受試者且個體間差異較大，但遠好于機會性得分。測試年齡及聽力損失發(fā)生年齡與RMSE正相關，聽力損失時長與RMSE負相關（RMSE越小，聲源定位能力越好）。Reeder等[15]對11名UHL兒童進行了聲源定位測試，實驗設計及數(shù)據(jù)分析與Nelson[14]所做實驗相似，同樣發(fā)現(xiàn)受試者RMSE結(jié)果顯著差于聽力正常同齡人且個體間差異較大，但是隨年齡增長聲源定位能力逐漸提高。因此年齡作為UHL患者聲源定位能力的影響因素在不同年齡階段可能影響是不同的。兒童UHL患者可通過定位策略的學習（例如通過依靠HRTF）和經(jīng)驗積累獲得更好的聲源定位能力，而Nelson[14]實驗中受試者年齡較大（平均年齡52.3歲），聲源定位能力下降可能與年齡引起的聽覺中樞處理雙耳信息的能力下降有關[8]。

5 聽力損失干預后受試者的聲源定位研究

5.1 雙側(cè)聽力損失干預后受試者的聲源定位研究

人工耳蝸（Cochlear Implant,CI）植入是改善雙側(cè)重度-極重度感音神經(jīng)性聽力損失患者聽覺能力的有效手段。目前為止越來越多的雙側(cè)聽力損失兒童接受了雙側(cè)CI植入，以期能夠獲得更好的聲源定位和言語識別能力。Asp等[16]研究了62名雙側(cè)CI植入兒童的聲源定位能力，觀察到受試者個體間差異較大。在雙側(cè)非同期植入兒童中，第二個CI植入后，聲源定位能力逐漸改善，且年齡越小改善越快。因此雙側(cè)CI植入后的聆聽經(jīng)驗會影響聲源定位能力，這可能是由于中樞聽覺系統(tǒng)持續(xù)受到雙側(cè)刺激輸入而逐步趨向正常化發(fā)展導致的。國內(nèi)學者研究也發(fā)現(xiàn)雙側(cè)CI植入兒童的聲源定位能力雖不及聽力正常受試者，但是顯著優(yōu)于單側(cè)CI植入兒童[17,18]。隨著CI植入手術適應征的擴大，越來越多的保留殘余聽力的患者采用了聲電聯(lián)合刺激（Electric Acoustic Combined Stimulation,EAS）。Lammers等[19]對18名雙耳具有低頻殘余聽力一側(cè)CI植入并采用EAS的患者進行了研究。實驗過程中助聽條件分為5種：（1）一側(cè)EAS，對側(cè)聲刺激（EAS+HA）；（2）雙模式（CI+HA）；（3）雙側(cè)聲刺激（HA+HA）；（4）植入側(cè)僅聲刺激（HAi）；（5）對側(cè)聲刺激（HAc）。結(jié)果顯示3種雙側(cè)助聽條件下的聲源定位能力顯著好于單側(cè)助聽條件，3種雙側(cè)助聽條件下聲源定位能力雖無顯著差異，但幾乎所有的受試者均在EAS+HA條件下獲得了最好的聲源定位能力。

因此我們看到CI可以幫助雙側(cè)聽力損失患者獲得聲源定位能力，無論是雙側(cè)CI植入還是一側(cè)EAS對側(cè)HA（保留殘余聽力患者），聲源定位能力的獲得都是基于雙耳的有效聽覺刺激輸入實現(xiàn)的。

5.2 單側(cè)聽力損失干預后受試者的聲源定位研究

根據(jù)聽力損失類型、程度以及患者意愿，UHL有多種干預手段，例如傳統(tǒng)HA、信號對傳線路助聽器（Contralateral Routing of Offside Signals,CROS）、植入式骨導助聽器（Bone Anchored Hearing Aid,BAHA）、震動聲橋（Vibrant Soundbridge,VSB）以及CI植入。學者們對不同干預方式的UHL患者進行了聲源定位能力研究。Johnstone等[20]研究了12名HA干預UHL兒童的聲源定位能力，并將其按照年齡分為兩組：大齡組（10-14歲）和小齡組（6-9歲）。研究發(fā)現(xiàn)HA可顯著改善小齡兒童的聲源定位能力卻會對大齡兒童產(chǎn)生不利影響，然而在非助聽條件下大齡兒童聲源定位能力顯著好于小齡兒童，這可能是因為大齡UHL兒童在成長過程中已經(jīng)習慣依賴聲音的頻譜信息進行聲源定位。該研究表明早期干預可以幫助UHL兒童更好的利用雙耳聆聽線索。Pedley等[21]將12名聽力正常成年人模擬為UHL受試者，研究CROS對聲源定位能力的影響，發(fā)現(xiàn)使用CROS后受試者聲源定位能力下降，這是由于CROS消減了“頭影效應”進一步干擾了好耳的頻譜及響度線索導致的。Zhao等[22]對5名BAHA植入的SSD患者進行了研究，發(fā)現(xiàn)BAHA既不會改善也不會破壞患者的聲源定位能力，這可能是由于BAHA是將震動傳遞至具有正常功能的耳蝸，并沒有幫助患者獲得真正的雙耳聽覺。此外該團隊通過對12名小耳畸形合并外耳道閉鎖導致的先天性UHL患者研究，發(fā)現(xiàn)VSB并不能改善患者的聲源定位能力反而會對其產(chǎn)生不利影響[23]，這可能與VSB并不能將聽閾補償?shù)秸Ｋ?，雙耳間仍然存在一些不對稱性有關，此外也可能是由于聲音通過VSB處理傳入約有3ms延遲，對ITD產(chǎn)生不利影響。雖然CI植入并不是單側(cè)聾（Single-Sided Deafness,SSD）患者的常規(guī)治療手段，但是一部分患者出于改善耳鳴、提高生活質(zhì)量等原因也選擇接受手術。Távora-Vieira等[24]對16名成年SSD患者進行研究，發(fā)現(xiàn)CI開啟時患者的聲源定位能力顯著高于CI關閉，證實了CI植入可以幫助SSD患者獲得雙耳聆聽線索。Dorman等[25]研究發(fā)現(xiàn)SSD患者CI植入后聲源定位能力改善雖然不及聽力正常受試者，但好于一側(cè)CI對側(cè)助聽器（Hearing Aids,HA）雙模式干預的受試者，這是因為CI改善了SSD患者的雙耳不一致性。

因此，要想通過助聽設備幫助單側(cè)聽力損失患者獲得更好的聲源定位能力，實現(xiàn)雙耳聽覺獲得良好的雙耳聲音線索是至關重要的。有研究顯示UHL患者首要的康復需求是改善聲源定位能力，其次才是噪聲下的言語識別能力[26]，因此在UHL患者干預前，我們有必要為其詳細解釋聲源定位以及干預方案的原理，幫助他們建立合理的效果預期。

6 耳鳴受試者的聲源定位研究

耳鳴患者由于能夠主觀感受到耳內(nèi)聲音，因此耳鳴可能引起ILD變化，從而影響患者的聲源定位能力。目前單獨將耳鳴作為研究對象的聲源定位研究較少，更多的學者是將耳鳴作為研究中的一部分影響因素，例如研究耳聾伴耳鳴患者、或耳聾伴耳鳴CI植入后患者的聲源定位能力等。An等[7]對聽力正常的耳鳴患者進行了聲源定位能力研究，實驗納入40名耳鳴患者和40名無耳科疾病受試者。結(jié)果顯示耳鳴患者TES得分顯著高于對照組；同時根據(jù)揚聲器的左右分布，分別計算每位耳鳴患者的左、右側(cè)TES，單側(cè)耳鳴患者耳鳴側(cè)TES得分顯著高于對側(cè)以及雙側(cè)耳鳴患者的TES，因此耳鳴會干擾聲源定位，對其同側(cè)聲源干擾更大，然而耳鳴頻率與響度與聲源定位能力并無相關性。Liu等[27]對14名伴有耳鳴，12名不伴有耳鳴的SSD患者進行了聲源定位研究，采用RMSE評估聲源定位能力，結(jié)果表明伴有耳鳴的SSD患者聲源定位能力顯著差于不伴有耳鳴的患者，耳鳴嚴重程度與聲源定位能力顯著正相關。Hyv?rinen等[10]研究了單側(cè)耳鳴對聲源定位能力的影響。受試者分為3組：單側(cè)耳鳴、雙側(cè)高頻聽力損失、聽力正常，其中耳鳴組患者雙耳聽閾與高頻聽力損失組相似。通過對比3組受試者的聲源定位能力，研究者認為雖然耳鳴患者與聽力正常者結(jié)果存在差異，但該差異主要是由于聽閾差異導致的。

因此我們看到耳鳴可對聲源定位能力產(chǎn)生一定的影響，其程度可能與聽閾、耳鳴側(cè)別、耳鳴主觀感受程度有關。

7 小結(jié)

聲源定位是空間聽覺能力的簡單有效評估手段，然而由于實驗空間及設備要求較高，目前該領域的研究依然較少，且實驗方案設計及數(shù)據(jù)分析方法也多種多樣，進一步限制了研究結(jié)果之間的可比性。為了更好地研究聽力損失患者的聲源定位能力，在研究中應設置年齡匹配的聽力正常對照組，此外對于聽力損失干預前后定位能力的對比也是一種可行的方案。良好的聲源定位能力依賴雙耳聽覺一致性，因此幫助聽力損失患者獲得有效的雙耳聽覺對于改善其聲源定位能力是至關重要的。