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        聲源定位測(cè)試的研究現(xiàn)狀

        2016-01-25 05:09:10俞倩李佳楠楊仕明
        中華耳科學(xué)雜志 2016年4期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)能力

        俞倩 李佳楠 楊仕明

        解放軍總醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科聽(tīng)覺(jué)植入中心

        ·綜 述·

        聲源定位測(cè)試的研究現(xiàn)狀

        俞倩 李佳楠 楊仕明

        解放軍總醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科聽(tīng)覺(jué)植入中心

        綜述聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)聲源定位的機(jī)制及聲源定位測(cè)試的研究現(xiàn)狀。目前,聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)對(duì)于聲音在雙耳間形成的特定信號(hào)來(lái)辨識(shí)方向性的機(jī)制已研究得較成熟,但聽(tīng)覺(jué)中樞如何整合雙耳間信號(hào)特性來(lái)定位的機(jī)制尚不明白。研究表明,大部分聽(tīng)障患者在經(jīng)過(guò)聽(tīng)力干預(yù)后的聲源定位能力都有不同程度的提高,但是使用雙側(cè)人工耳蝸或結(jié)合使用人工耳蝸和助聽(tīng)器的患者的聲源定位能力較單側(cè)使用耳蝸的患者好。

        聲源定位;人工耳蝸

        This study wad funded by:the National“973”Major Scientific Research Program Stem Cell Project of China(BWS14J045),the 12th Five Year Plan Key Scientific Research Project of the Military,the Capital Health Developmental Science Research Key Project of Beijing (SF2016-1-5014),Life science frontier Technology Cultivation Program of Beijing Science and Technology Commission,Cultivation and Development Program of Beijing Science and Technology Innovation Base(z151100001615050),Beijing Science and Technology New Star Program,Science and Technology of Beijing Hundred-leader Project.

        Declaration of interest:The authors report no conflicts of interest.

        助聽(tīng)設(shè)備的出現(xiàn)幫助了聽(tīng)障患者重新進(jìn)入了有聲的世界,改善了他們的生活質(zhì)量。但是,在日常生活中我們發(fā)現(xiàn)聽(tīng)障患者使用助聽(tīng)輔具聆聽(tīng)時(shí)對(duì)聲音方向性的辨別和噪聲環(huán)境下言語(yǔ)的識(shí)別能力較差。目前在臨床上,言語(yǔ)測(cè)試作為助聽(tīng)后康復(fù)評(píng)估的研究較多,理論也比較成熟,而對(duì)聲音方向性的辨別研究卻一直被忽視。近些年來(lái),隨著人工耳蝸技術(shù)的發(fā)展,聲源定位測(cè)試應(yīng)用于聽(tīng)障患者助聽(tīng)效果的評(píng)估的報(bào)道越來(lái)越多。研究聲源定位的產(chǎn)生機(jī)制,尤其是加深對(duì)人體聲源定位形成過(guò)程及特征的探究,不僅有利于對(duì)聽(tīng)障患者助聽(tīng)技術(shù)干預(yù)后聆聽(tīng)效果的評(píng)估,為臨床人工耳蝸植入及助聽(tīng)輔具應(yīng)用時(shí)間的選擇提供參考,也有利于提升對(duì)聽(tīng)覺(jué)功能的全面認(rèn)識(shí)。本文對(duì)目前聲源定位測(cè)試的研究現(xiàn)狀綜述如下。

        1 聲源定位的機(jī)制

        聲源定位是指聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)對(duì)聽(tīng)覺(jué)物體位置的識(shí)別過(guò)程,包括對(duì)聽(tīng)覺(jué)物體垂直方位、水平方位以及與聽(tīng)者距離的識(shí)別。聲源的位置通常可以通過(guò)水平方位、垂直方位以及與聽(tīng)者的距離這些參數(shù)來(lái)描述。水平面通過(guò)耳道和眼眶下部;垂直面位于頭部正中并與水平面垂直,在垂直面內(nèi)的各點(diǎn)與雙耳的距離相等;冠狀面經(jīng)過(guò)雙耳連線并與水平面垂直。3個(gè)平面的交點(diǎn)基本位于頭部中心[1]。許多研究表明[2,3,4,5,6],在水平面內(nèi)的聲源定位主要依賴于雙耳間的信息差別,即雙耳位置不同所產(chǎn)生的耳間時(shí)間差(interaural time difference,ITD)和耳間強(qiáng)度差(interaural level dif?ference,ILD);而在垂直面內(nèi)的定位則主要依賴于聲信號(hào)繞過(guò)外耳及軀體所形成的特殊波譜來(lái)確定聲源所處的位置。

        對(duì)于低頻聲(1500 Hz以下)來(lái)講,低頻信號(hào)的波長(zhǎng)很長(zhǎng),因頭顱阻擋導(dǎo)致到達(dá)雙耳的強(qiáng)度差很小(低頻ILD約1~2 dB)可以忽略不計(jì),但由于聲源距兩耳的距離不同,使得聲音到達(dá)兩耳的時(shí)間不同,即形成ITD。當(dāng)聲源正對(duì)一側(cè)耳時(shí),兩耳間的時(shí)間差最大約為700微秒,而10微妙的ITD即可被聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)探測(cè)出來(lái),因此對(duì)低頻聲ITD成為聲源定位的主要信號(hào)。對(duì)于高頻聲(2000 Hz以上)來(lái)講,其頻率較快,ITD太小,不能為中樞提供有效的定位信號(hào)。此外,高頻信號(hào)的波長(zhǎng)較短,使其不能繞過(guò)頭顱的阻擋,聲音到達(dá)對(duì)側(cè)耳時(shí)強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生衰減,即頭影效應(yīng)(head shadow effect)。頭影效應(yīng)導(dǎo)致兩耳所感知的聲音強(qiáng)度不同,即ILD,高頻信號(hào)的ILD最大可達(dá)35 dB,而人對(duì)ILD的分辨閾值可小于1 dB,因此對(duì)高頻聲ILD成為聲源定位的主要信號(hào)[7,8]。

        當(dāng)聲源位于以耳間連線為軸而延伸的錐體上,對(duì)應(yīng)位置的ITD與ILD相同,這時(shí)耳間信號(hào)在上下或前后的方位上只提供含糊的定位信息,即“混淆錐體(cone of confusion)”效應(yīng)。此時(shí)需要耳廓的輔助,聲波在耳廓被共振增強(qiáng)和反射減弱,傳向鼓膜的同時(shí)產(chǎn)生了頻譜變化,在這個(gè)過(guò)程中,聲波具有了獨(dú)特的波譜特征,某些頻帶變?nèi)跣纬深l譜切跡,使聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)有足夠的信息來(lái)克服含糊不清的雙耳信號(hào),因此耳廓的聲譜信號(hào)提供了聲源的垂直方位的信息。聽(tīng)覺(jué)對(duì)聲源距離信息的感知主要依據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度、反響的量以及接收到的信號(hào)的頻譜形狀[9,10]。

        上面介紹了聲源定位過(guò)程中,聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)是如何對(duì)ITD、ILD以及頻譜等聲音信號(hào)的編碼,但對(duì)下丘和高級(jí)聽(tīng)覺(jué)中樞如何處理這些傳入信號(hào)的機(jī)制尚未完全清楚。大量的神經(jīng)細(xì)胞電生理研究證實(shí)了對(duì)聲音方位性的辨識(shí)建立在神經(jīng)生理基礎(chǔ)上,聽(tīng)覺(jué)中樞神經(jīng)元可比較聲音信號(hào)在耳間的不同特性來(lái)精確定位。但是,目前對(duì)聽(tīng)中樞神經(jīng)元是如何編碼聲音方位信息的機(jī)制還不明白[11,12,13,14]。

        綜上所述,聲音到達(dá)雙耳的時(shí)間差和強(qiáng)度差提供了聲源水平方位的信息;耳廓聲譜信號(hào)及雙耳聲譜信號(hào)的差別提供了聲源的垂直方位的信息;聲音的強(qiáng)度、反響的量以及接受到的信號(hào)的頻譜特征提供了聲源的距離信息。但是,聲源定位的過(guò)程是聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)復(fù)雜綜合功能的體現(xiàn)。對(duì)聲音的時(shí)間差、強(qiáng)度差以及頻譜特征的處理還依賴于聽(tīng)覺(jué)上行通路中的相關(guān)中樞,對(duì)聲源方位的感知更大程度上是依賴于聽(tīng)覺(jué)中樞系統(tǒng)對(duì)來(lái)自于兩側(cè)耳的輸入信息的提取、加工和整合。聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中的許多神經(jīng)核團(tuán)為編碼聲源的位置信息提供了解剖學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)。但目前對(duì)于高級(jí)聽(tīng)覺(jué)中樞對(duì)聲源定位的編碼機(jī)制仍不十分清楚。

        2 聲源定位的測(cè)試方法

        聲源定位測(cè)試多采用主觀聽(tīng)力測(cè)試方法,其中以角度識(shí)別法(source azimuth identification)和角度辨別法(source azimuth discrimination)最為常用。角度識(shí)別法是評(píng)估受試者直接判斷聲源位置的能力,這是測(cè)量聲源定位絕對(duì)精確度的方法;角度辨別法則通過(guò)測(cè)量角度辨別閾值(minimum audible angle, MAA),即同一方位兩個(gè)相同聲源可被受試者識(shí)別的最小角度值,進(jìn)而評(píng)估受試者聲源定位能力的敏銳性,這是測(cè)量聲源定位相對(duì)精確度的方法[15,16,17,18,19]。

        雖然目前對(duì)具體的聲源定位測(cè)試方法尚無(wú)定論,但研究者們?cè)谘芯恐胁捎幂^多的測(cè)試方法是:將多個(gè)揚(yáng)聲器以患者為中心按一定間隔呈弧形擺開(kāi),聲音隨機(jī)地由其中一個(gè)揚(yáng)聲器發(fā)出,信號(hào)聲有的是噪聲,有的是單詞,有的是句子,當(dāng)聲音發(fā)出后要求患者指出是哪個(gè)揚(yáng)聲器發(fā)出的,根據(jù)所指的揚(yáng)聲器與正確的揚(yáng)聲器之間的揚(yáng)聲器個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算錯(cuò)誤分?jǐn)?shù)(RMS error),進(jìn)而評(píng)價(jià)患者的聲源定位能力[20,21,22,23]。

        3 聲源定位的研究現(xiàn)狀

        3.1 單側(cè)耳蝸植入患者的聲源定位能力

        在以往的一些研究中[24,25]我們發(fā)現(xiàn)部分單側(cè)耳蝸植入患者的聲源定位能力未得到改善,其原因可能是單側(cè)植入耳蝸的患者不能利用頭影、外耳等提供兩耳間的信號(hào)差,出現(xiàn)雞尾酒效應(yīng),從而使得聲源定位的能力下降。另外Gori M等人[26]通過(guò)對(duì)耳聾的神經(jīng)發(fā)育研究顯示,耳聾患者的傳入神經(jīng)通路出現(xiàn)相對(duì)弱化,包括耳蝸核、上橄欖和下丘的連接減少,神經(jīng)元體積和數(shù)量減少,樹(shù)突形態(tài)改變,以及下丘兩耳信號(hào)的整合消失等。由于發(fā)育過(guò)程的重構(gòu),使得聽(tīng)覺(jué)傳導(dǎo)通路弱化,因此即使植入了人工耳蝸,其聲源定位能力的改善程度也十分有限。但也有研究[27,28]發(fā)現(xiàn)聽(tīng)障患者在單側(cè)植入了人工耳蝸之后,其聲源定位能力有了提高,原因可能是聲源定位中樞具有較強(qiáng)的可塑性,耳聾所處的發(fā)育階段越早,中樞的可塑性越強(qiáng),因此在單側(cè)植入人工耳蝸后,該側(cè)的聽(tīng)覺(jué)通路及聽(tīng)覺(jué)中樞功能增強(qiáng),使得聽(tīng)覺(jué)中樞學(xué)習(xí)使用單耳的信號(hào)來(lái)進(jìn)行聲源定位。行為學(xué)證據(jù)也支持單側(cè)耳聾患者利用單耳信號(hào)來(lái)定位水平方位角,當(dāng)聲強(qiáng)在患耳閾下時(shí),雙耳信號(hào)消失,患者會(huì)應(yīng)用波譜信號(hào)來(lái)定位聲源[29]。

        3.2 雙側(cè)人工耳蝸患者的聲源定位能力

        大量的研究[24,30,31,32]結(jié)果顯示絕大多數(shù)的患者,不管是成人還是兒童,使用雙側(cè)人工耳蝸的聲源定位能力較正常聽(tīng)力者略有不足,但是與使用單側(cè)人工耳蝸或者一側(cè)人工耳蝸對(duì)側(cè)助聽(tīng)器的患者相比其聲源的辨別能力有顯著提高。與正常人相比,其聲源定位能力還存在差距,可能與以下因素有關(guān):1.人工耳蝸設(shè)備的影響:耳間時(shí)間差信息的準(zhǔn)確性依賴于助聽(tīng)裝置對(duì)于時(shí)間信息的高保真性,人工耳蝸不能較好地保存時(shí)間信息,因此,會(huì)在一定程度上影響人工耳蝸植入后聲源定位的準(zhǔn)確性;2.患者本身的因素:患者耳聾的年齡、耳聾的時(shí)間、耳聾的程度、植入的年齡等因素都會(huì)使得聽(tīng)覺(jué)通路處理聲音信號(hào)的能力減弱。這可能是雙側(cè)植入人工耳蝸的患者聲源定位的能力未能改善的原因。但總的來(lái)說(shuō),雙側(cè)耳蝸植入后的患者聲源定位的能力還是有所提高的。與單側(cè)耳蝸植入者相比,其聲源定位能力有顯著優(yōu)勢(shì),原因可能是雙側(cè)耳蝸植入的患者,聲信號(hào)在神經(jīng)傳導(dǎo)方面與正常人一樣,聽(tīng)覺(jué)中樞同樣可以獲得兩側(cè)聽(tīng)覺(jué)通路傳來(lái)信號(hào)進(jìn)行聲源的定位。

        3.3 雙模式(一側(cè)人工耳蝸對(duì)側(cè)助聽(tīng)器)患者的聲源定位能力

        目前,大多數(shù)的研究[22,33,34,35]結(jié)果顯示,成人患者或者兒童患者,使用雙模式助聽(tīng)后的聲源定位能力較雙側(cè)耳蝸助聽(tīng)的患者還存在差異,但是與單側(cè)耳蝸植入的患者比較發(fā)現(xiàn),其聲源定位能力有顯著提高。有學(xué)者[22,37,38]研究表明,雙模式患者的定位能力較雙側(cè)耳蝸患者不足的原因可能是雙模式聆聽(tīng)患者耳間時(shí)間差線索的有效性取決于助聽(tīng)設(shè)備對(duì)時(shí)間信息的高保真性。經(jīng)測(cè)量,助聽(tīng)器只有5 ms的時(shí)間延遲,時(shí)間信息保留較好,但是,人工耳蝸缺乏低頻刺激,所以人工耳蝸患者無(wú)法利用耳間時(shí)間差信息進(jìn)行聲源定位。在雙耳時(shí)間差信息無(wú)法利用的情況下,耳間強(qiáng)度差是患者聲源定位的重要基礎(chǔ),但是人工耳蝸和助聽(tīng)器對(duì)聲音信號(hào)增益的控制調(diào)節(jié)不同,如果調(diào)節(jié)不當(dāng),雙模式聆聽(tīng)的患者雙耳間增益或者響度感知失衡,將導(dǎo)致耳間強(qiáng)度差信息也減弱。T.Y. C.Ching等學(xué)者[21,22,23]在研究中也證實(shí),采用雙模式聆聽(tīng)的患者,無(wú)論是兒童還是成人,經(jīng)過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)后的雙模式聆聽(tīng)患者比不經(jīng)過(guò)調(diào)整的雙模式聆聽(tīng)患者的聲源定位更加準(zhǔn)確,并且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

        目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于不同助聽(tīng)模式(雙側(cè)耳蝸、單側(cè)耳蝸、雙模式)時(shí)受試者聲源定位能力的研究結(jié)果不盡相同??偟膩?lái)說(shuō),大部分聽(tīng)障患者在經(jīng)過(guò)聽(tīng)輔技術(shù)干預(yù)后的聲源定位能力都有不同程度的提高,但是使用雙側(cè)人工耳蝸或結(jié)合使用人工耳蝸和助聽(tīng)器的患者的聲源定位能力較單側(cè)使用耳蝸的患者好,其潛在的機(jī)制目前尚不確定,未來(lái)還需要更多的探究以了解其機(jī)制,從而為聽(tīng)障患者助聽(tīng)設(shè)備的使用提供指導(dǎo)意見(jiàn),以提高他們的生活質(zhì)量。

        4 問(wèn)題與展望

        至今,國(guó)內(nèi)外對(duì)耳聾患者進(jìn)行聽(tīng)覺(jué)干預(yù)后聲源定位能力評(píng)估的基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用較少,且對(duì)聲源定位的測(cè)試方法尚未統(tǒng)一,未來(lái)還需要投入更多對(duì)聲源定位測(cè)試方法的研究,以便統(tǒng)一規(guī)范化測(cè)試。目前,對(duì)于聲音在雙耳間形成的特定信號(hào)來(lái)辨識(shí)方向性的機(jī)制已研究得較成熟,但聽(tīng)覺(jué)中樞如何整合雙耳間信號(hào)特性來(lái)定位的機(jī)制尚未弄清,這個(gè)將成為未來(lái)開(kāi)展聲源定位測(cè)試研究必須面臨的挑戰(zhàn)。由于之前對(duì)聲源定位認(rèn)識(shí)的不足,明顯影響了對(duì)聽(tīng)障患者使用聽(tīng)輔設(shè)備的評(píng)估,而且因?yàn)閮和浜喜蛔愕仍?,大多?shù)的研究集中在了成人。因此,未來(lái)還需要較大樣本和較寬年齡段的受試者來(lái)評(píng)估不同助聽(tīng)模式下的聲源定位能力的改善規(guī)律,進(jìn)而為臨床上耳聾患者聽(tīng)覺(jué)干預(yù)的時(shí)間把握提供指導(dǎo)。

        1 王堅(jiān).聽(tīng)覺(jué)科學(xué)概論[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2005:411-424.Jian Wang.Introduction to Hearing Science[M].Beijing:China Sci?ence and Technology Press,2005:411-424.

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        Current Research on Sound Localization

        YU Qian,LI Jianan,YANG Shiming
        Auditory Implant Center,Chinese PLA General Hospital

        Mechanisms of the auditory system and current research status related to sound localization are reviewed. At present,the mechanism of sound localization by the auditory system using binaural auditory information is very clear, but the neural mechanisms of binaural information processing remain unclear.Some studies indicate that sound localization ability is improved in most hearing impaired people after hearing intervention.Also,sound localization ability is better in people with bilateral cochlear implants or one side cochlear implant plus hearing aid on the other side than in people with unilateral cochlear implant only.

        sound localization;cochlear implant

        R318.18

        A

        1672-2922(2016)04-545-4

        2016-6-30審核人:翟所強(qiáng))

        10.3969/j.issn.1672-2922.2016.04.023

        本研究基金資助項(xiàng)目:國(guó)家973計(jì)劃重大科學(xué)研究計(jì)劃干細(xì)胞項(xiàng)目(2012CB967900),軍隊(duì)十二五科研課題重點(diǎn)項(xiàng)目(BWS14J045),北京市首都衛(wèi)生發(fā)展科研專項(xiàng)項(xiàng)目重點(diǎn)攻關(guān)(首發(fā)2016-1-5014),北京市科委生命科學(xué)領(lǐng)域前沿技術(shù)培育專項(xiàng),北京科技創(chuàng)新基地培育與發(fā)展專項(xiàng)(z151100001615050),北京市科技新星計(jì)劃,科技北京百名領(lǐng)軍人才項(xiàng)目。

        俞倩,本科,研究方向:人工耳蝸植入

        楊仕明,Email:yangsm301@263.net

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