正常青年男性胸腔共鸣特征与共鸣腔体积和肺活量的相关性△

赵春娜黄永望田德润戴越荣庆林傅德慧庄丕伟

·临床研究·

正常青年男性胸腔共鸣特征与共鸣腔体积和肺活量的相关性△

赵春娜1，2黄永望1田德润2戴越3荣庆林3傅德慧1庄丕伟1

目的 了解正常青年男性胸腔共鸣腔体积、肺活量与胸腔共鸣特征的相关性。方法 选取60例符合入选标准的正常青年男性，应用多通道语音分析系统检测受试者发／a：／音时胸腔共鸣的频谱特征，统计0～999 Hz（FR1）、1 000～1 999 Hz（FR2）、2 000～2 999 Hz（FR3）、3 000～4 000 Hz（FR4）频段能量分布情况；应用多层螺旋CT快速三维重建方法对深吸气末胸腔进行快速成像，计算共鸣腔（气管、支气管及肺部）体积；应用言语发声空气动力学系统行肺活量检测，采用SPSS18.0统计软件对各组数据进行Pearson相关分析。结果 正常青年男性肺活量为4.31±0.63 L，胸腔共鸣腔体积为5.69±0.52 L，共振能量集中在FR1（53.38%±2.14%），其他频段依次递减（FR230.72%±1.59%，FR310.53%±2.75%，FR45.35%±2.32%）；共鸣腔体积与FR1高度正相关（r＝0.854），与FR2中度正相关（r＝0.740），与FR3中度负相关（r＝-0.587），与FR4中度负相关（r＝-0.565）；肺活量与FR1中度正相关（r＝0.744），与FR2中度正相关（r＝0.699），与FR3中度负相关（r＝-0.632），与FR4低度负相关（r＝-0.429）。结论 正常青年男性胸腔共鸣腔体积及肺活量与胸腔共鸣能量分布有很高的相关性，胸腔共鸣腔体积、肺活量可能是影响发音效果的因素之一。

胸腔共鸣； 肺活量； 多通道语音分析； CT三维重建

发音是需要多系统共同协作才能完成的复杂过程，包括动力系统、振动系统、共鸣构音系统及调控系统等部分。肺呼气促使声带振动，再调节声道的长度、形状使声音增减，最后经过唇端辐射形成听到的声音，这些起共鸣作用的声道即为共鸣系统［1］。近年来，国内外嗓音工作者对嗓音生理及声学分析做了大量工作［2，3］，但共鸣腔体在嗓音声学中的意义研究不多。发音需要较大容量的空气来维持呼气，占肺活量的25%～40%［4］。研究显示，肺功能异常患者与正常人相比，在真声最低音、真声最高音、舒适发音时声强明显降低［5，6］。本研究旨在测量正常青年男性的胸腔共鸣腔体积、肺活量及胸腔共鸣特征，并研究其相关性，为嗓音医学研究及歌唱生理研究提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究对象 选取正常健康青年男性60例为研究对象，年龄25～44岁，平均34.18±1.56岁，均无发声器官疾病，无内分泌、神经源性、精神性、吸烟等影响发音效果的因素，未经过专业发声或歌唱训练，征得本人同意并签署知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1 胸腔共鸣特征评估［7］在隔声室内，应用多通道语音分析系统，采用频响80～13 000 Hz麦克风1个和80～13 000 Hz振动传感器1个，将传感器贴放在胸部，使其震动信号不失真的传入接收系统。嘱受试者口距麦克风15 cm，训练其在自然状态下持续发／a：／音5 s。多通道语音分析系统可直观显示发声的频率和响度，指导受试者多次发声练习。采集数据时，受试者发声控制音调在150～200 Hz，响度在75～85 d B，重复测试三次记录数据取平均值。将功率谱的频率轴分为4部分，频率范围分别为0～999 Hz（FR1）、1 000～1 999 Hz（FR2）、2 000～2 999 Hz（FR3）、3 000～4 000 Hz（FR4）。将频谱包络面积计为总能量，再依次计算各部分包络面积能量占总能量的百分数，计算公式为［8］：

1.2.2 多层螺旋CT三维重建及图像分析胸部共鸣腔体积 采用美国GE公司64排高速螺旋CT机，受试者取仰卧位，嘱其深吸气后屏气，自气管顶端至膈肌进行CT快速螺旋扫描，管球电压120 k V，管电流120 m A，扫描速度0.5秒／周，准直器宽度10 mm，螺距1.375，图像重建层厚1.25 mm，间隔1.25 mm，标准算法重建。利用机器配备的AW4.2工作站集成肺定量分析软件进行图像后处理和分析。利用表面阴影技术（SSD）重建透视效果的含气空腔三维图像，根据计算机给出的数据，得出左支气管体积、右支气管体积、气管体积、右肺体积、左肺体积，各体积相加得出共鸣腔体积。

1.2.3 肺活量检测 采用凯益-宾得言语发声空气动力学系统（phonatory aerodynamic system，PAS），嘱受试者进行最大吸气，然后手持手柄，将面罩紧扣于面部并且完全盖住口、鼻，不能有缝隙使面罩内气体溢出，在程序启动后向面罩内尽力呼气，记录最大呼气量，重复三次取平均值。

1.3 统计学方法 采用统计学软件SPSS18.0对各组数据进行统计学分析，应用Pearson相关分析等统计学方法对数据进行统计分析，r＞0为两变量正相关，r＜0为两变量负相关，|r|＞0.8为高度相关，0.5＜|r|≤0.8为中度相关，0.3＜|r|≤0.5为低度相关，|r|≤0.3为相关程度极弱，以P＜0.05为相关性有统计学意义。

2 结果

2.1 肺活量、胸腔共鸣体积和胸腔共鸣特征 肺活量的计算见图1，胸腔CT三维重建见图2。正常成年人肺活量为4.31±0.63 L，共鸣腔体积为5.69± 0.52 L；正常人胸腔共振能量集中在FR1（53.38% ±2.14%），其他频段依次递减，FR2为30.72%± 1.59%，FR3为10.53%±2.75%，FR4为5.35%± 2.32%。

图1 肺活量测量示意图

2.2 胸腔共鸣体积与共鸣特征相关性 胸腔共鸣体积与FR1呈高度正相关性（r＝0.854），与FR2中

度正相关（r＝0.740），与FR3呈中度负相关（r＝-0.587），与FR4呈中度负相关（r＝-0.565），均有统计学意义（P＜0.01）（图3）。

2.3 肺活量与胸腔共鸣特征相关性 肺活量与FR1呈高度正相关性（r＝0.744），与FR2呈中度正相关（r＝0.699），与FR3呈中度负相关（r＝-0.632），与FR4呈低度负相关（r＝-0.429），均有统计学意义（P＜0.01）（图4）。

图2 CT三维重建胸腔形态

图3 正常青年男性胸腔共鸣体积和胸腔共振能量分布的相关性

图4 正常青年男性肺活量和胸腔共振能量分布的相关性

3 讨论

3.1 胸腔共鸣体积与共鸣特征相关性 发声的共鸣系统由可变腔体和固有腔体组成［9］。作为最大的固有腔体，胸腔共鸣具有能量大、位置低、频率低的特点，发出的声音浑厚、宽广，适于比较低的音调［10］。欧洲人体型高大、胸部宽广，胸腔共鸣声音比亚洲人发达［11］；教师和播音员运用胸腔共鸣的技巧能使声音更有力量和质感［12］。这些说明胸腔共鸣体积的大小在发声中起着一定的作用。胸腔共鸣主要通过大气管及胸腔实质部分产生共振，而非肺泡及肺泡内气体，发声过程中对共鸣起主导作用的大气管和胸腔实质只发生了微小变化，对共鸣变化的影响较小。本研究为测量正常青年男性的胸腔共鸣体积与胸腔共鸣特征并计算其相关性，采用64排螺旋CT扫描，最大程度减少检查时屏气时间，排除了膈肌活动造成的伪影影响，保证了结果的准确性；SSD能自动将肺组织、胸壁、气管、心脏、肺门血管区别开来，提高了精确度和运算速度［13］；本研究结果显示，胸腔共鸣体积与FR1相关性最高，FR2、FR3、FR4相关性依次递减，与四个频段胸腔所占共振能量分布一致；而且胸腔共鸣体积与FR1、FR2呈正相关，与FR3、FR4呈负相关，说明胸腔容量对共鸣的影响在2 000 Hz范围内最大，有助于提升嗓音低频部分的效果。

3.2 肺活量与胸腔共鸣特征的相关性 肺作为发声的动力系统，对声带振动发声起着至关重要的作用。成年男性的肺活量约为3 500～4 000 ml，成年女子约为2 500～3 000 ml，为检测肺功能最直观、最客观的指标［14］。练习胸腔共鸣过程中可通过发声呼吸练习来增加肺活量，提高发声时的气息［15］。教师和播音员运用胸腔共鸣的技巧能使声音更有力量、质感，除了个体的音色外，气息也起了很重要的作用［16，17］。Watson等［18］发现，肺活量的大小与声音平均压力、平均基础频率成正相关。本研究结果显示，正常青年男性肺活量与FR1、FR2相关性较高，呈正相关，与FR3、FR4相关性降低，呈负相关，结合上述研究结果，表明低音训练者更应注意肺活量的锻炼。

3.3 多通道语音分析系统的运用 多通道语音分析系统运用了生物医学信号处理计算机技术、电子技术和物理声学技术，通过测量共鸣腔附近的体表振动信号，间接了解共鸣腔的共振特征以及他们之

间的关系特征，以了解发声时声道不同部位所产生的共振频率特征、基频、共振峰以及能量分布特征［19］。多通道语音分析系统一般被喉科医师、语言病理学家用于进行辅助诊断，可以作为歌者、播音员等语音工作者的筛选和指导训练［20］。本研究显示，胸腔共鸣能量分布主要集中在1 000 Hz以内，FR2、FR3、FR4能量分布依次递减，说明正常人发音时胸腔主要是低频共振，高频共振相对较弱。这与以往的研究结果［21］一致。

综上所述，本研究结果显示胸腔共鸣体积与胸腔共鸣特征有很高的相关性，这为歌唱者尤其是低音歌唱者的选拔提供了一定的依据；而肺活量占胸腔共鸣体积的大部分，与胸腔共鸣有很高的相关性，说明在练习胸腔共鸣时提高肺活量是一个必要的措施。另外，本研究属初步的探索性研究，将吸气末的胸腔共鸣体积作为个体化的、基础的共鸣腔体积，与实际发声过程中的共鸣腔体积有所差异；发声过程中随着气体的呼出，胸腔体积存在动态变化，一般的CT难以精确测量。随着呼吸门控技术的不断成熟完善，测量实时胸腔共鸣腔体积将会推动嗓音医学研究的进一步发展；并且一种指标很难全面反映胸腔共鸣的特征。本研究对象为正常男性青年，其他如高年龄组和低年龄组肺活量与胸腔共鸣特征的关系，胸腔其他组织对共鸣腔的影响等有待进一步研究。

1 黄永望，孙胜兰，李若泊，等.不同声部发声共鸣特点分析［J］.听力学及言语疾病杂志，2006，14：10.

2 郭永清，林生智，徐新林，等.空气动力学参数在嗓音功能评估中的意义［J］.中华耳鼻咽喉头颈外科杂志，2012，47：858.

3 Lee JW，Kang HG，Choi JY，et al.An investigation of vocal tract characteristics for acoustic discrimination of pathological voices［J］.Biomed Res Int，2013.Article ID：758731.

4 Howe MS，McGowan RS.Voicing produced by a constant velocity lung source［J］.J Acoust Soc Am，2013，133：2340.

5 Mandros C，Kampolis C，Kalliakosta G，et al.Relative contributions of the ribcage and abdomen to lung volume displacement during speech production［J］.Eur J Appl Physiol，2008，102：425.

6 黄永望.实用临床嗓音医学［M］.天津：天津科技翻译出版公司，2012.195～196.

7 欧阳杰，黄永望，李超，等.OSAHS患者UPPP手术前后发声共鸣特征分析［J］.听力学及言语疾病杂志，2013，21：582.

8 黄永望，孙胜兰，刘莉雅，等.共鸣特征的多通道语音分析［J］.中国中西医结合耳鼻咽喉科杂志，2006，14：383.

9 Bohnenkamp TA，Forrest KM，Klaben BK，et al.Lung volumes used during speech breathing in tracheoesophageal speakers［J］.Ann Otol Rhinol Laryngol，2011，120：550.

10 Tomczak CR，Greidanus KR，Boliek CA.Modulation of chest wall intermuscular coherence：effects of lung volume excursion and transcranial direct current stimulation［J］.J Neurophysiol，2013，110：680.

11 段静明，闫燕，朱丽，等.嗓音训练改善职业用声者发音的疗效研究［J］.中华耳鼻咽喉头颈外科杂志，2011，46：279.

12 Tamplin J，Brazzale DJ，Pretto JJ，et al.Assessment of breathing patterns and respiratory muscle recruitment during singing and speech in quadriplegia［J］.Arch Phys Med Rehabil，2011，92：250.

13 许腾飞，段文超，鲁通，等.基于CT-MRI融合图像的三维重建技术在颅底外科中的应用［J］.中华耳鼻咽喉头颈外科杂志，2012，47：373.

14 van der Burg PS，Miedema M，de Jongh FH，et al.Crosssectional changes in lung volume measured by electrical impedance tomography are representative for the whole lung in ventilated preterm infants［J］.Crit Care Med，2014，42：1524.

15 Watson AH，Williams C，James BV.Activity patterns in latissimus dorsi and sternocleidomastoid in classical singers［J］. J Voice，2012，26：e95.

16 Yamauchi A，Yokonishi H，Imagawa H，et al.Age-and gender-related difference of vocal fold vibration and glottal configuration in normal speakers：analysis with glottal area waveform［J］.J Voice，2014，28：525.

17 李革临，张道行，杨和钧.CT三维重建技术对发声状态下共鸣腔形态学的研究［J］.听力学及言语疾病杂志，2004，12：51.

18 Watson PJ，Ciccia AH，Weismer G.The relation of lung volume initiation to selected acoustic properties of speech［J］.J Acoust Soc Am，2003，113：2812.

19 Guzman M，Lanas A，Olavarria C，et al.Laryngoscopic and spectral analysis of laryngeal and pharyngeal configuration in non-classical singing styles［J］.J Voice，2014，29：e21.

20 Mayerhoff RM，Guzman M，Jackson-Menaldi C，et al.A-nalysis of supraglottic activity during vocalization in healthy singers［J］.Laryngoscope，2014，124：504.

21 黄永望，宋金兰，张琳，等.发音状态下喉结构的影像学测量及其意义［J］.中国中西医结合耳鼻咽喉科杂志，2010，18：194.

（2014-11-27收稿）

（本文编辑 周涛）

Relationship between Chest Volume and Pleural Resonance Features in Young Male Adults

Zhao Chunna*，Huang Yongwang，Tian Derun，Dai Yue，Rong Qinglin，Fu Dehui，Zhuang Piwei
（*Department of Otolaryngology-Head and Neck Surgery，the Second Hospital of Tianjin Medical University，Tianjin，300211，China）

Objective To investigate the relationship between pleural resonance features and the chest volume and vital capacity in young male adults.Methods A total of 60 healthy young male adults were included in this study.Energy distribution of pleural resonance was measured with the multi-channel voice analysis system when they pronounced／a：／.The frequency spectrums were 0～999 Hz（FR1），1 000～1 999 Hz（FR2），2 000～2 999 Hz（FR3），3 000～4 000 Hz（FR4）.Fast 3D reconstruction of chest was detected by multi slice spiral CT to calculate the chest volume.The vital capacity was evaluated by aerodynamics system.SPSS 18.0 software was used to analyze the data.Results The vital capacity in healthy young male adults was 4.31±0.63 L，the chest volume was 5.69±0.52 L.The frequency spectrum of FR1was 53.38%±2.14%，FR2 was 30.72%±1.59%，FR3 was 10. 53%±2.75%，FR4 was 5.35%±2.32%，respectively.There was a highly positive correlation between the chest volume and FR1（r＝0.854），moderately positive correlation between the volume and FR2（r＝0.740），moderately negative correlation between the volume and FR3（r＝-0.587），moderately negative correlation between the volume and FR4（r＝-0.565）；There was a highly positive correlation between the vital capacity and FR1（r＝0.744），moderately positive correlation between the volume and FR2（r＝0.699），moderately neg ative correlation between the

Pleural resonance； Vital capacity； Multi-channel voice analysis； 3D reconstruction

10.3969／j.issn.1006-7299.2015.03.008

时间：2015-4-27 15：04

R767.92

A

1006-7299（2015）03-0244-04

△ 天津市教委社会科学重大项目基金（2012ZD49）资助

1 天津医科大学第二医院耳鼻咽喉头颈外科（天津 300211）； 2 天津医科大学研究生院； 3 天津医科大学第二医院放疗科

赵春娜，女，天津人，在读硕士研究生，主要研究方向为嗓音基础与人体解剖学。

田德润（Email：tiandr@tmu.edu.cn）

网络出版地址：http：／／www.cnki.net／kcms／detail／42.1391.R.20150427.1504.002.html

volume and FR3（r＝-0.632），weakly negative correlation between the volume and FR4（r＝-0.429）.Conclusion There was a high correlation between the chest volume and pleural resonance，high correlation between vital capacity and pleural resonance in young male adults，which may be a influencing factor of pronunciation effect.