成人水平方位角度辨别阈值的测定

张明生 刘茉 张娟

声源定位（sound localization, SL）是人和动物的一项基本听觉功能，与听敏度共同构成完整的听觉功能。声源定位错误不仅影响人与人之间的交流，而且在繁忙的交通等环境中可能给自己及他人带来危险。随着听力受损人群从人工耳蜗和助听设备的应用中受益，关于声源定位方面的研究越来越多。在这些研究中，常用的声源定位研究方法是让受试者从水平方位或垂直方位数个声源中指出正确的发声声源。研究者们进行这些研究的重要依据之一是双耳耳间时间差（interaural time differences, ITDs）[1,2]和耳间强度差（interaural level differences, ILDs）[3～6]。耳间时间差和 强 度 差 与声源的位置、距离、刺激频率有关。头相关传输函数（head-related transfer function, HRTF）是声源方向、距离、频率的连续函数。HRTF描述了自由场声波从声源到双耳的传输过程，它反映了头部、耳廓和躯干等构成的生理系统对声波散射的结果，研究表明当听音者距声源的位置大于1.2m时，HRTF对声源定位的影响可以忽略[7～9]。在低频（0.5～2kHz）声源定位时，人对耳间时间差或耳间相位差（interaural phase difference， IPD）敏感，而在高频（4～16kHz）声源定位时，人对耳间强度差敏感。因此，时间差是低频声水平方位声源定位的主要依据，强度差是高频声水平方位声源定位的主要依据。众所周知，角度辨别阈（minimum audible angle，MAA）是声源定位研究中常用的方法[10～12]，国外关于声源定位方面的研究众多，水平方位角度辨别阈值数据亦有记载，但由于实验完成并非同一时期，实验者、受试者国籍不同，所用实验条件及行为测听方法不尽相同，因此参考价值有限。目前国内尚无完整的成人水平方位角度辨别阈数据及水平方位声源定位能力的研究，因此我们设计了测定成人水平方位角度辨别阈值的实验。

本研究借鉴国内外声源定位研究方法[13,14]，利用Audio3.0音频编辑软件中科学滤波器滤过高斯白噪音[15,16]，获得 0.25～1.2kHz的低频音[17]和2～8kHz的高频音。通过测定水平方位 0°、±45°、±90°5个角度[2,14]的角度辨别阈值，以期了解正常听力成年人水平方位声源定位能力,建立本实验室成人水平方位角度辨别阈数据库；为国内以后的水平方位声源定位研究提供参考；结合本实验室儿童水平方位角度辨别阈数据[18]及未来老年人水平方位角度辨别阈数据，初步探究人类声源定位能力的发展变化规律，提升对听觉功能及中枢可塑性的全面认识。

1 材料与方法

1.1 研究对象北京朝阳医院耳鼻喉科门诊招募耳科检查正常的受试者32人，青年组(18～40岁）17人， 中年组（41～60 岁）15人[13,14]，所有人在 SCL90（Symptom Check-list90）评估中表现正常。无耳疾患及颈椎疾病，可自由转头。电耳镜检查外耳道及鼓膜未见异常。采用纯音测听方法，受试者0.25～8kHz 6个频率的平均听阈听力级均≤20dB。双耳声导抗为A型曲线。本研究已通过北京朝阳医院伦理委员会审批。

1.2 测试仪器、环境和材料

1.2.1 测试仪器 测试仪器为自制的声源定位测试仪（国家专利号200520017252.1），该测试仪器主体分为三部分：上半部为一不锈钢材质的水平半圆形轨道，水平轨道的半径为1.2m，轨道的内面有凹槽，内嵌有钢质标准刻度尺，根据弧长公式[弧长=θ×r（θ为角度，r为半径）]，计算出θ=1°对应的弧长。将轨道中心处标记为0°，对应水平轨道凹槽内的标准刻度尺，依次在水平轨道上两侧对称性的用防褪色标记笔标记角度，左侧部分角度为负值，右侧部分为正值，角度精确到1.0°。下半部为一圆弧形水平固定物。中间部分为可升降的柱状支撑物，将上下两部分从中心部位连接起来，使上下两部分保持水平。为将扬声器固定在水平测试轨道上，我们特制了可在水平测试轨道上自由滑动的扬声器支架。

1.2.2 测试环境 测试环境为符合GBT16403的标准测听室（面积5.5m×6.0m）。测听室内测试布局见图1。测试者主要负责播放刺激声，观察受试者对声音刺激的反应，记录测试结果，分析声源辨别情况及控制声源移动。

图1 测听室内布局

1.2.3 测试音 测试材料主频为0.25～1.2kHz的低频音和2～8kHz的高频音。两种测试音为Audio3.0音频编辑软件中科学滤波器滤过的白噪音。测试音由Audio3.0音频编辑软件编辑控制，通过固定在水平测试轨道上的扬声器A和扬声器B播放，采用的扬声器为瑞士LIFETRONS DrumBassⅢ扬声器，该扬声器呈圆柱形，直径41mm。在受试者头部双耳水平位置用声级计（丹麦D&K公司）测量的白噪音频谱见图2，扬声器A和扬声器B的频谱误差小于3%，测试过程中采用同一条传输线、同一种测试音、不同扬声器的方法测试。每个扬声器随机播放6次，采用随机数列的方法编辑扬声器的播放次序，低频测试音与高频测试音均采用两组随机数列编辑，选择低频测试音测试时随机选择一组播放，高频测试音测试时亦同。测试音为声压级58～61dB[16,19～22]，每次声音持续时间为 250ms[20,22,23]，间隔为5s，每个角度的测试时间为10～15min，完成所有角度的测试所需时间约为2h。

图2 白噪音的频谱曲线

1.3 方法

1.3.1 测试方法 借鉴国内外角度辨别阈测试方法并加以改进。角度辨别阈值[24]（minimum audible angle，MAA）是受试者对声源方位所能辨别的最小角度值。对受试者进行水平方位0°、±45°、±90°5个标准方位的测试。测试0°角度辨别阈时，受试者平视弧形支架上0刻度处的标志物，A声源和B声源分别对称置于标志物两侧，测试过程中分别从两侧对称性地向标志物移动，直到受试者不能分辨声音来源为止，此时弧形支架上的A声源和B声源之间的角度即为0°的角度辨别阈值。测试45°角度辨别阈时，受试者平视弧形支架上0刻度处的标志物，耳朵平对水平测试轨道上45°刻度处，A声源和B声源分别从两侧向水平测试轨道45°刻度处对称性移动，直到受试者不能分辨声音来源为止，此时弧形支架上A声源和B声源之间的角度即为45°的角度辨别阈值。余测试方法同上。测试方位示意见图3。

图3 测试方位示意图

测试前向受试者说明测试规则及注意事项，并培训30min，与受试者良好沟通。测试时受试者端坐于特制的测试椅子上，颈部依靠在椅子上的弧形支架上，调节水平测试轨道的高度，并用测试椅子上的激光标志笔使受试者双耳与声源同一水平。每次测试前有20s的缓冲时间，让受试者调整自己的状态，以求最佳状态参加测试，在听到“准备”的指示音后，测试正式开始。要求受试者在听到声刺激后双眼仍平视正前方，声刺激停止后行为指向或言语确认发声的声源。如果受试者判断正确，则调节A声源和B声源之间的角度继续测试直至受试者不能辨别为止。此种测试方法较为简单，受试者需要重复上述测试练习，直至受试者完全掌握后开始测试。测试时，首先选择0°作为测试角度，以便受试者配合，其余4个角度的测试顺序为随机选取。

测试时，按上述测试方法，选用低频测试音，A、B声源随机发声（A、B声源各发声6次），受试者分辨声源位置正确率超过75%，即认为能够顺利分辨这两个声源的位置。测试者逐渐缩小两声源的角度间隔，重复上述测试，直至不能分辨为止。反之，如受试者分辨声源位置的正确率不足75%，测试者将逐渐增加两声源的角度间隔，重复上述测试，直至找出阈值角度。正确率为75%的临界角度就是受试者所能分辨的最小角度值，即MAA，同法测试另一侧的MAA。每个角度测试结束后休息约10min。同样方法选用高频测试音测试各角度的角度辨别阈值。测试方法见图4。

图4 角度辨别阈测试方法

1.3.2 初始角度设置及调整A、B声源角度间隔的原则 A、B两声源初始角度间隔设置较为灵活。如果初始角度间隔设置较大，受试者较为容易和准确地分辨两声源的位置，有利于减轻受试者对测试的陌生感和紧张心理。但如初始角度间隔设置过大，又必然会增加测试时间。通过预实验发现，A、B两声源最佳初始角度间隔在0°时为20°，45°方位角时为30°，90°方位角时为40°。调整A、B声源角度间隔遵循“1/2原则”[18]。假设A、B两声源对称分布在0°两侧，二者之间的角度间隔为20°，A、B声源随机给声6次，如受试者9次可顺利区分两声源位置，则两声源分别从两侧对称移动二者之间角度间隔的1/2角度，即两声源角度间隔为10°，如还可分辨声源位置，再使两声源对称移动至角度间隔为5°。如此反复测试（约6～10次），直至某一位置时，受试者判断声源位置正确率刚为75%的两声源角度间隔，即为0°时的MAA。

1.4 统计学方法采用SPSS 21.0统计软件进行数据统计学分析，计量资料以±s表示。比较受试者同一角度差异时采用独立样本t检验或独立样本校正t检验；比较受试者不同角度平均MAA差异时采用Kruskal-Wallis检验；P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 青年组和中年组低频声刺激下相同方位角度辨别阈值比较青年组和中年组在低频声刺激下相同方位角度辨别阈值差异无统计学意义（P＞0.05）。0°方位角角度辨别阈值最小，90°方位角角度辨别阈值最大，见表1。

表1 青年组和中年组低频声刺激下不同方位角度辨别阈值

2.2 青年组和中年组高频声刺激下相同方位角度辨别阈值比较青年组和中年组在高频声刺激下相同方位角度辨别阈值差异无统计学意义（P＞0.05）。0°方位角角度辨别阈值最小，90°方位角角度辨别阈值最大，见表2。

表2 青年组和中年组高频声刺激下不同方位角度辨别阈值

3 讨论

声源定位是指听觉系统对声源位置的识别过程，包括对声源水平方位、垂直方位以及与听者距离的识别，这是人和动物感知环境的基本方式，在人和动物的日常生活中具有重要意义。声源定位测试多采用主观听力测试方法，包括角度识别法（source azimuth identification）[25,26]和角度辨别法（source azimuth discrimination）[27]。角度识别法是评估受试者直接判断声源位置的能力，这是测量声源定位绝对精确度的方法。角度辨别法是通过测量同一方位两个相同声源可被受试者识别的最小角度值，进而评估受试者声源定位能力的敏锐性，这是测量声源定位相对精确度的方法。

目前，大量研究采用上述两种方法研究人声源定位能力[2,11,14]，为进一步提高本实验的准确性、可靠性，除了对受试者的严格筛选外，对实验设备的选择同样重要，我们采用瑞士LIFETRONS DrumBass Ⅲ 直径41mm 扬声器；为确定两扬声器的频谱误差小于3%，采用同一条传输线、同一种测试音、不同扬声器的方法测试两扬声器的频响曲线；为避免受试者对刺激声播放顺序产生记忆，采取随机数列的方法编辑两组扬声器的播放次序；为了保证测试时受试者的双耳与水平测试轨道同高，采用激光标记头部位置的方法；为避免受试者在测试过程中产生听觉疲劳及注意力不集中现象，每次测试10～15min后休息一段时间；为了保证测试的时效性和准确性选择有经验的测听师完成测试，在测试过程中借鉴国内外声源定位研究方法，调节A、B声源角度间隔的方法遵循声源角度间隔的“1/2原则”，测试声源从两侧对称性地向方位角移动[10]。

国内外研究表明，测试音的声压级过高或过低，均会影响受试者对水平声源位置判断的准确性[16,19～22]；测试音持续时间过短致“水平负效应（negative effect of level）”的发生同样会影响声源位置判断的准确性[20,22,23]。为避免上述影响实验准确性因素的出现，采用测试音为声压级58～61dB，每次声音持续时间为250ms[23]。

通过研究发现在低频声和高频声分别刺激下，受试者青年组和中年组相同方位的MAA无统计学差异。对青年组实验数据分析中发现，青年组中各受试者在低频声和高频声分别刺激下0°时MAA最小， 45°时次之，90°时最大；对中年组实验数据分析中发现与青年组相同的规律，该结论与Smith等[2]的研究一致，说明在水平中线位置人们的声源定位能力最好，水平侧方90°的声源定位能力最差。上述研究结果为听力受损的青年人和中年人在助听技术干预后的疗效评估提供了参考依据，并且用测量MAA来评估声源定位能力的方法亦易于实施。尽管本研究结果表明正常听力的青年人和中年人在水平方位声源定位能力无明显差异，但是在实验过程中我们发现，在几乎完全相同的实验条件及忽略了HRTF影响的情况下，受试者水平声源定位的能力存在着个体差异，导致这些差异的因素可能与受试者在测试过程中尤其是较长的测试过程中头部和身体的轻微移动有关，也可能与受试者在测试过程中不自觉的产生的噪音有关。虽然Dobreva[13]和Abel等[28]研究表明人类的声源定位能力随着年龄增长而下降，Briley等[29]用脑电图描记仪方法得出导致老年人声源定位能力下降的因素为相关听觉皮层的活动力下降。但是由于实验条件的限制，在受试者选择方面，本实验未能将正常听力老年人纳入实验范畴。这对我们掌握正常听力成年人声源定位能力变化规律方面及对听力受损的老年人在助听技术干预后的疗效评估方面不利，希望在将来的实验中能够完成对正常听力老年人声源定位能力的研究，弥补上述不足。