人工耳蜗植入者的时域精细结构与音色感知受损

/史艳莉 摘译 李翠娥 审校/武汉轻工大学医学技术与护理学院(武汉 43006)； 武汉大学人民医院耳鼻咽喉头颈外科

近几年，大多数人工耳蜗植入者能在安静环境下实现良好的言语识别，然而其聆听音乐却非常吃力，尤其是对音乐的感知存在很大的局限性。音乐是一种有别于言语、抽象而复杂的声音形式，由蕴含不同时域形式、频率分布及和声成分的多层次声音组成，音色是音乐最重要的表现手段之一，音乐的审美与音色有关。Grey等应用多维标度建立了音色的感知元件，其中最重要的就是时域包络和声音谐波频率的频谱分布(精细结构)。Smith研究发现，言语识别主要由声信号中的包络线索决定，而对音色识别却一直存在较大的争议。因此，本研究把乐器演奏的音符信号进行包络和精细结构的提取、嫁接，形成“乐器嵌合体”，让听力正常者和人工耳蜗植入者辩听，分析时域包络和精细结构对乐音音色分辨的影响。

实验对象为12例听力正常者(平均年龄53.3±13.5岁)和14例语后聋人工耳蜗植入者(平均年龄26.1±5.2岁)。所有受试者均未参加过专业的音乐训练，实验前熟悉源乐器的音乐采样和测试程序。测试材料选用四种乐器即打击乐器(钢琴、吉他)和管弦乐器(长笛、小号)作为源乐器，乐器音采自Apple logic Pro 7.0软音源，乐器嵌合体由MATLAB7.0产生。嵌合体基本技术要点：用Hilbert转换对两个声音(A和B)的包络和精细结构进行提取，然后将A的包络与B的精细结构进行嫁接，形成一个新的声信号，也可将A的精细结构与B的包络进行嫁接，形成另一个新的声信号。测试过程中把乐器与其相同的和不同的包络相结合，控制包络用于音色辨别的效价，通过精细结构补偿包络重建。受试者听取这两种新合成的声信号以判断到底是A还是B，研究者据此判断受试者听到的是包络还是精细结构从而判断受试者的识别。

结果显示，正常听力受试者能交替使用时域包络和精细结构进行音色辨别，而CI受试者则完全依赖时域包络。当嵌合体信息被改变成不同包络的乐器组合音时，正常听力受试者利用包络线索(P=0.008)和精细结构线索(P=0.009)来做音色判断；CI受试者则完全依赖包络信息来判断音色(P<0.001)，而忽略了精细结构线索(P=0.908)。当包络作为一种线索值被减少时，正常听力受试者和CI受试者均可利用精细结构信息来判断音色(P<0.001)，但CI受试者的使用效价却极微小。

本研究说明，无论是不同的包络乐器还是相同的包络乐器合成的嵌合体，CI受试者在对音色的辨别上均表现出对时域包络的明显依赖。人工耳蜗技术的言语编码策略也是使用Hilbert转换信号处理技术将声信号快速变化的时域包络和精细结构进行分离提取。时域包络信息代表随时间相位变化的波形幅度，能够很好的传递给CI使用者，但瞬间变化的相位信息即精细结构信息却由于听神经相关锁定的退化及传递时间的迁移，使较高频的精细结构(500～10 000 Hz)与其位置编码不相匹配，最终导致CI使用者大部分精细结构信息缺失。即使在打击乐器和管弦乐器具备等分量的时域包络和精细结构时，CI受试者也是更易识别合成音中的打击乐器成分，因为与管弦乐器相比较，打击乐器的包络信息更具有特征性。然而在模糊嵌合体刺激下，如果把打击乐器包络信息下降50%，CI受试者对音色的判别能力会明显下降。表明CI使用者对精细结构信息处理的受限，可能就是其音色感知困难的主要原因。

而正常听力受试者可交替使用包络信息和精细结构来辨别音色，当嵌合体的信息被设置为模糊包络信息时，正常听力受试者可使用精细结构做出音色判断。在感知声音时，精细结构不仅仅能感知音色，它还有传递拼音语音信息、感知声调、补偿包络信息和声信号过滤等作用。

本研究结果表明，时域包络和精细结构对音乐的音色分辨都起到一定的影响，听力正常者可同时利用包络信息和精细结构信息来辨别音色，而人工耳蜗植入者主要依赖时域包络来辨别音色，精细结构加工处理声音信息的能力降低，是导致CI使用者难以辨别乐音音色的主要原因。因此，在人工耳蜗信号处理策略中提供更多的精细结构，将有助于人工耳蜗植入患者对音乐的欣赏。