1～3期帕金森病患者语音的元音声学特征分析△

葛胜男 尹敏敏 王勇丽 万勤 刘晔 黄昭鸣

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是一种常见于老年人的、以中脑黑质多巴胺神经元退变为主的神经退行性疾病。帕金森病在全球的患病率约为0.3%，在中国患病率为16.7/10万[1]，其中约有89%的帕金森病患者存在不同程度的言语障碍[2]，如：辅音不准确、元音歪曲、响度减小、嗓音音质差等[3]。帕金森病患者语音在元音方面主要体现在由于构音器官运动范围受限而引起的元音发音歪曲。

目前的研究多使用与元音共振峰相关的声学指标来探讨帕金森病患者语音的元音特征。第一共振峰(F1)与下颌和舌的垂直位置有关，尤其是下颌，下颌运动可大体调整声道形状，可利用下颌距体现元音发音时的下颌位移能力[4]。第二共振峰(F2)与舌的水平位置有关，舌运动精细声道结构，可利用舌距体现元音发音时的舌水平位移能力[5]。当下颌向下运动时，口腔体积增大，咽腔体积减小，F1增加；当舌向前运动时，咽腔体积增大，口腔体积减小，F2增加[6]。元音空间面积(vowel space area，VSA)是由角元音共振峰中点之间的欧几里得距离所围成的区域[7]，代表构音器官整体的运动控制和协调能力。此外，近年还出现一些新的元音声学指标来反映元音发音过程中的变化，如元音清晰度指数[8](vowel articulation index，VAI)和共振峰集中率[9](formant centralization ratio，FCR)，分别表示受损元音的清晰情况和元音集中的程度,其优势在于较少受到不同说话者的语音变异性的影响。

筛选有效的元音声学指标可以提高言语治疗师的评估效率。国内关于帕金森病患者语音的元音特征研究较少，且研究结果不统一。国外研究帕金森病患者语音的元音特征很多，但多聚焦于单一指标，对于筛选有效元音声学指标的研究较少。因此，本研究选取下颌距、舌距、元音空间面积、元音清晰度指数、共振峰集中率作为测量指标，探讨帕金森病患者语音的元音声学特征，并筛选出帕金森病患者元音发音的有效声学评估指标，为患者的康复治疗提供参考。

1 资料与方法

1.1研究对象及分组 共纳入2019年10月至2020年1月于上海市第一人民医院确诊的1～3期帕金森病患者26例(帕金森病组，男、女性各13例)，年龄57～81岁,平均70.69±5.62岁，病程1.5～11年，平均5.70±3.64年。纳入同期于上海老年大学普陀分校的正常人22例为对照组(男12例，女10例)，年龄58～83岁,平均67.68±7.21岁。两组受试者的年龄与性别无统计学差异(t=1.571，P=0.123；t=0.308，P=0.760)。所有受试者长期居住于上海，会说汉语普通话。根据统一帕金森病综合评分量表(unified parkinson’s disease rating scale, UPDRS-Ⅲ)[10]中第十八项“言语(表达)”得分为1或2，确定患者的言语损伤程度均为轻度或中度。本研究取得华东师范大学人体实验伦理委员会的批准(批准号：HR 249-2019)，所有受试者在正式实验之前均对研究目的及过程知情。

帕金森病组纳入标准：①符合《中国帕金森病的诊断标准(2016版)》[11]；②Hoehn-Yahr分期为1～3期[12]；③无认知障碍，通过简易精神状态检查，评分≥24分；④视力正常，可进行文字阅读；⑤无其他器质性言语语言障碍疾病；⑥无听力损伤史(双耳0.5、2、4 kHz平均听阈均≤40 dB HL)；⑦识字，会说汉语普通话。排除标准：①存在其他神经系统或精神疾病；②存在认知障碍、听力障碍等；③有长期酗酒或抽烟史；④近两周内有咳嗽、流鼻涕现象及感冒史。

正常对照组纳入标准：①无现存神经系统疾病或精神障碍；②言语及语言正常；③听力及视力正常；④认知功能正常；⑤识字，会说汉语普通话。排除标准：①有神经系统或精神疾病史；②有认知、听力障碍等问题；③现存鼻、咽喉、口腔、呼吸系统等发音言语器官疾病；④有长期酗酒或抽烟史；⑤近两周内有咳嗽、流鼻涕现象及感冒史。

1.2研究方法

1.2.1测试语料 由于在日常生活中通常使用连续语音进行交流，为了更加贴近患者在生活中的元音发音特征，本研究选取由华东师范大学言语听觉康复科学专业设计的连续语音材料《超市篇》作为测试语料，该语料根据语音均衡式原则[13]设计，由110个音节组成，能够更好地适应自然言语的条件，下划线的字为本研究的目标单音节字，《超市篇》：今天老邓逛超市，到达后惊呆了，竟然赶上店庆，全场五折，太便宜了。他走到果蔬区，把香菜、茭白、茴香、姜、香蕉等都买完后，又去了别的地方转转，给儿子添置不少东西，双手快拿不住了。付费后，打电话给老张，问：“你孙子过生日要买什么？”“我想买玩具。”“快来超市吧，这些玩具打折呢！”

1.2.2元音声学特征测试方法 每例受试者使用汉语普通话以自然的语速和适当的响度来朗读测试语料，正式测试之前，每例受试者可默读以便熟悉短文。语音采集过程由一名专业的言语治疗师在安静的环境下完成，环境噪声控制在45 dB以下。选择专业数字音频处理软件Sound Forge 9.0进行录音和音频剪辑，参数设置为单通道，16 bit，采样频率为44 100 Hz。从“超市篇”中选择目标音节/da/、/ta/、/ba/、/yi/、/di/、/ni/、/shu/、/bu/、/fu/，并提取出单元音/a/、/i/、/u/，选择专业的语音分析设备言语障碍测量仪(ICF-Dr.SpeechTM，上海慧敏医疗器械有限公司)分析每个单元音的第一共振峰及第二共振峰，并计算出下颌距、舌距、元音空间面积(VSA)、元音清晰度指数(VAI)、共振峰集中率(FCR)。计算公式如下：

下颌距 △F1 = F1a-F1i[5]；

舌距 △F2 = F2i-F2u[5]；

VSA = ABS{[F1×(F2a-F2u)+ F1a×(F2u-F2i)+ F1u×(F2i-F2a)]/2}[8,9]；

VAI=(F2i+F1a)/(F1i+F1u+F2u+F2a)[8]；

FCR=(F1i+F1u+F2u+F2a)/(F2i+F1a)[9]。

1.3统计学方法 本研究采用2×2两因素完全随机实验设计，自变量为组别和性别，因变量为下颌距、舌距、元音空间面积、元音清晰度指数、共振峰集中率。采用SPSS23.0进行统计学分析，所有数据样本在分析前均进行正态性、方差齐性和独立性检验，各因素在组别和性别均相互独立，方差齐性，且符合正态分布。

2 结果

两组各元音声学指标的描述性统计结果及方差分析结果分别见表1、2。可见，不同性别受试者的元音声学特征存在显著差异，男性下颌距、舌距、VSA、VAI显著小于女性，FCR显著大于女性(F=34.158，P<0.001；F=50.584，P<0.001；F=96.317，P<0.001；F=13.390，P=0.001；F=12.724，P=0.001)。帕金森病组的VAI显著小于正常对照组，FCR显著大于正常对照组(F=9.209，P=0.004；F=8.690，P=0.005)，说明VAI和FCR对于区分帕金森病患者和正常人显著有效。

表1 两组男、女性元音的下颌距、舌距、VSA、VAI及FCR比较

表2 两组元音各声学指标的方差分析统计结果

3 讨论

不同性别受试者的元音共振峰存在一定差异，其原因为男、女性的声道形状存在明显差异，男性声道长度显著大于女性，导致元音共振峰频率下降(Fitch,1999)，造成不同元音共振峰频率之间的差值减小。从文中结果看，帕金森病组的下颌距和舌距均小于正常对照组，但无显著差异，说明下颌距和舌距这两个指标不能明显区分帕金森病患者与正常人。帕金森病患者言语运动的执行受损会导致构音器官的运动幅度减小[14]，并且静止性震颤和肌强直等典型运动性症状影响构音器官运动的幅度，从而导致帕金森病患者的下颌距和舌距小于健康成人；但是由于帕金森病高发于中老年人群，此年龄段正常人群的发音同样呈现衰退趋势，构音运动范围逐渐减小，从而造成帕金森病患者与正常人的下颌距和舌距差异不显著。

元音空间面积已被普遍用作元音发音的评价指标[15]。本研究中帕金森病组的元音空间面积小于正常对照组，但也无统计学差异，与Mcrae[16]、Skodda[8]等的研究结果一致。Liu等[17]曾认为元音空间面积的缩小程度可能取决于言语障碍的严重程度，本研究所选取的帕金森病患者言语障碍程度为轻、中度，故与正常人的元音空间面积差异相对较小。对于言语障碍患者来说，元音空间面积与说话者的可懂度呈正相关，元音空间面积更大者所发出的语音更清晰、更容易理解[18,19]。本研究结果表明，女性元音空间面积显著大于男性，这也是男女声道形状不同所导致的结果；男性由于青春期的喉部结构变化影响了口咽腔的比例，舌前后运动的范围减小，从而造成元音空间面积小于女性。故元音空间面积可用来显著区分男性与女性的元音声学特征，对于区分帕金森病患者和正常人群则贡献不大。

VAI和FCR是两个新元音声学指标，随着元音共振峰的集中化，VAI减小而FCR增加[9]。VAI和FCR均被证明可以有效地区分言语障碍和健康人群。Roy等[20]发现VAI在区分正常人和肌张力障碍患者发音方面比VSA敏感。Sapir等[9]研究表明FCR尤其对元音集中的趋势非常敏感。此外，Skodda等[8]对不同性别帕金森病患者进行了声学分析研究，发现男性和女性帕金森病患者的VAI均显著降低。国内学者丁馨[21]则发现元音清晰度能够从正常人群中区分出男性和女性帕金森病患者，但其研究中受试者较少。本研究中，不同组别与性别受试者的VAI和FCR均有极显著差异，与上述研究结果一致。帕金森病患者VAI显著减小，FCR则显著增大，说明帕金森病患者的构音运动范围减小，元音清晰度减弱，其元音发音呈现集中化的趋势，导致言语可懂度下降[22]，影响患者的言语表达。因此，作为新型客观指标，VAI和FCR对区分帕金森病患者与健康人群语音的意义重大，同时对男性和女性之间语音的元音特征差别也非常敏感。

综上所述，下颌距、舌距、VSA、VAI和FCR均能不同程度地反映帕金森病患者语音的元音声学特征，其中，VAI和FCR可作为有效元音声学评估指标，在区分帕金森病与健康人群、男性与女性语音的元音特征方面均非常敏感。