统一帕金森病评定量表评估无言语障碍帕金森病患者的语音声学特征△

范萍 顾文涛 刘卫国

帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是一种常见于中老年人的中枢神经退行性疾病，其病理标志是基底节黑质致密部多巴胺神经元的变性死亡，导致投射到纹状体的多巴胺神经递质大量减少，从而引发行动迟缓、静止性震颤和言语障碍等症状。既往研究证实，PD患者在临床确诊之前数年，经常会出现某些预示疾病但容易被忽视的征兆，包括嗅觉功能减退、便秘[1,2]，以及构音障碍[3,4]等。在这些征兆中，言语特征的变化在PD早期不容易被感知，虽然典型的PD患者语音听起来语调单一、响度单一、语速变化大、元辅音发音不准确、嗓音异常、言语可懂度较低[5～7]，然而也有不少早期PD患者的语音听起来正常，统一帕金森病评定量表(unified Parkinson’s disease rating scale，UPDRS)的言语(表达)项得分为0(即正常);其中枢神经系统的退行性变化是否影响言语功能值得探讨。

研究发现，语音的基频和元音共振峰特征是区分PD患者和健康成人语音的有效声学指标[8]。考察元音发音，往往由单元音/a/、/i/、/u/的共振峰计算出元音发音指数(vowel articulation index，VAI)。VAI不易受发音人性别、生理特征的影响，被广泛用于言语障碍研究[9～11]。故本研究以UPDRS评估无言语障碍的PD患者为研究对象，基于普通话朗读语料，采用声学分析方法，提取语音的基频和元音分析其言语功能，以深入了解PD神经退行性病变对患者语音特征的影响，为精准评估PD患者的言语功能提供参考。

1 资料与方法

1.1研究对象 PD组为15例帕金森病患者(男7例，女8例)，年龄52～80岁，平均63.53±10.67岁；所有PD患者都是原发性帕金森病患者，符合中国帕金森病的诊断标准(2016版)[12]，且均为早期帕金森病，改良Hoehn Yahr分期[1]为1～2.5期(其中1期6例，1.5期5例，2期2例，2.5期2例)；统一帕金森病评定量表(UPDRS)第18小项言语(表达)得分为0分(即正常)，即听起来言语表达上没有障碍；简短精神状态量表(MMSE)得分大于24，即没有认知障碍；均没有接受过任何言语治疗。对照组为36例健康成年人(男19例，女17例)，年龄53～74岁，平均63.03±5.21岁，均无发音器官、神经系统相关疾病。两组日常均说普通话，经独立样本t检验，两组年龄差异无统计学意义(df=49,t=0.222,P=0.825)。

1.2UPDRS评估 由神经内科医生采用UPDRS量表对PD患者的言语表达进行评估，在评估量表中的第18项言语(表达)中，询问患者在患病后的言语表达是否出现问题，如：音量降低、说话不清楚等；随后根据患者的回答和回答问题时的言语表现作出评估，当患者自述言语表达没有障碍以及评估者听觉判断患者说话无异常时，评定为0分(即正常)。

1.3语音声学分析方法 采用的文本材料是语音研究常用的寓言故事《北风与太阳》，共160个音节，如下文所示：有一回，北风跟太阳在那儿争论谁的本领大。说着说着，来了一个走道的，身上穿了一件厚袍子。他们俩就商量好了，说谁能叫这个走道的把他的袍子脱下来，就算谁的本领大。于是，北风就卯足了劲，拼命地吹呀吹呀。可是，他吹得越厉害，那个人就把他的袍子裹得越紧。到了最后，北风没辙了，只好就算了。一会儿，太阳出来一晒，那个人马上就把袍子脱了下来。所以，北风不得不承认，还是太阳比他的本领大。

语音采集在安静房间里(环境噪声<50 dB A)进行，使用Zoom H4n便携式数字录音机，采样率为44.1 kHz，量化精度16 bit。受试者坐在桌子前，桌上放置写有寓言故事的纸张，录音机离嘴唇约15 cm，在自然状态下朗读上述寓言故事。在充分熟悉语料并试读后，开始正式录音；为了避免抗帕金森病药物对言语功能的影响，PD组每例受试者在实验前至少12小时内不用药。

用Praat软件[13]提取每例受试者各音节在10个时间等分点上的基频值，共获得1 600个基频值(160个音节×10个时间点)；根据这些基频值计算基频均值(F0mean)、基频范围(F0range；即最大值与最小值之差)、基频标准差(F0std)；因为以半音(semitone，St)为单位的基频值能更好地反映音高的心理听觉评估，故本研究将基频由Hz值转化为半音值，转换公式为St = 12× log2 (f0/fr)，其中f0为Hz值，fr为参考频率(这里设为50 Hz)。

同时，对每位受试者，用Praat软件提取每个单元音/a/、/i/、/u/稳定段(中间60%时段)的第一共振峰(F1)均值和第二共振峰(F2)均值，然后计算在整个文本材料中3个元音各自的F1、F2均值，最后按以下公式计算每例受试者的VAI值(最小值为0.5)[11]：VAI= (F2[i]+F1[a])/(F1[i]+F1[u]+F2[u]+F2[a] )。由于F1、F2直接与舌位的高低、前后相关，因此VAI的数值越小，说明元音的舌位越向中央靠拢，元音发音越不到位[11]。

1.4统计学方法 使用SPSS 22.0统计软件对PD组和对照组的基频均值、基频范围、基频标准差及VAI值进行统计学分析，采用K-S检验显示所有数据均呈正态分布(P>0.05)，随后对数据做独立样本t检验。

2 结果

2.1两组基频及VAI测试结果比较 两组3个基频指标和VAI值比较见表1，PD组的F0std显著小于对照组(P<0.05)，但两组间F0mean和F0range的差异无统计学意义(P>0.05)；两组间VAI值差异无统计学意义(P>0.05)。

表1 两组基频和VAI值比较

图1 1例PD患者和1例对照组的基频曲线示例图

以“还是太阳比他的本领大”这句话为例，图1显示了1例PD患者和1例对照组成人各自言语的基频曲线，可见PD患者言语的基频变化更平缓，而对照组受试者言语整体基频的高低起伏变化更大。

2.2PD组和对照组元音/a/、 /i/、/u/的波形和语谱图 1例对照组成人和1例PD患者发单元音/a/、/i/、/u/的波形和语谱图见图2，其中图2a、b、c是1例对照组成人三个元音的波形图和语谱图，图2d、e、f是一例PD患者三个元音的波形与语谱图，从左到右分别来自音节“他”(ta1)、“比”(bi3)、“足”(zu2)；横向的点状曲线由下往上分别是第一共振峰(F1)和第二共振峰(F2)，竖向的虚线由左到右分别表示元音的起点和终点。可见，PD患者和对照组成人元音/a/、/i/、/u/的F1和F2显现一致的变化趋势，即元音/a/、/u/的F1和F2相差不大，元音/i/的F1和F2相差较大；说明PD患者的元音发音与健康成人一致。

图2 1例PD患者和1例对照组成人发元音/a/、/i/、/u/的波形图和语谱图 a.对照组/ta1/; b.对照组/bi3/; c.对照组/zu2/; d.PD组/ta1/; e.PD组/bi3/; f.PD组/zu2/

3 讨论

帕金森病是一种慢性的中枢神经系统退行性疾病，黑质致密部多巴胺能神经元的缺失导致患者出现各种临床症状，如震颤、行动迟缓、言语障碍等。PD患者典型的言语障碍表现为语调单一、发音不准确、嗓音异常、语速异常等;皮质-纹状体-背侧丘脑-皮质环路受损、认知障碍以及运动障碍都可能是PD患者言语功能受损的原因。首先，语言的神经机制不仅涉及大脑皮层区，还涉及皮质下结构，特别是丘脑、基底神经节对言语功能起着重要作用。皮质-纹状体-背侧丘脑-皮质环路中任何一个环节因疾病而损伤都会导致言语障碍;其次，PD患者多伴有注意困难、听觉、视觉障碍等认知能力降低问题，这些都是影响PD患者言语功能的因素。最后，与运动障碍相关的起始运动困难、肌肉僵硬、震颤等症状也可能导致PD患者的言语功能受损。

PD患者言语障碍会随着疾病进展而逐渐加重，因此处于不同疾病阶段PD患者的言语表现有所差别。早期(Hoehn Yahr分期为1～2.5期)PD患者的言语障碍往往表现为单一言语指标的异常，如:发音不准确[8,14]，并且采用量表评估方法通常难以发现这种轻微的变化[15];中晚期(Hoehn Yahr分期为3～5期)PD患者的言语发声、韵律、呼吸等言语各方面都出现异常，言语整体清晰度和可懂度损伤严重[16]。目前尚没有针对言语听起来“正常”的早期PD患者的研究，因此，本研究在既往研究的基础上，对UPDRS量表评估言语“正常”的早期PD患者的言语特征进行分析。

本研究采用的声学分析指标包括基频相关指标和元音发音指数(VAI)，其中，基频大致对应听觉上的音高，属于言语韵律范畴；基频均值反映言语的音高水平，基频范围和标准差反映言语的音高变化；VAI是由元音/a/、/i/、/u/的第一和第二共振峰(F1、F2)计算而得，而F1、F2与发音时舌位的前后和高低密切相关，F1越大，舌位越低；F2越大，舌位越靠前。每个元音发音时的舌位前后、高低都不相同，如：元音/i/的F1小、F2高，即发音时舌位低、靠前，元音/u/的F1和F2偏低，即舌位高、靠后。根据计算公式，VAI数值越小，说明发元音时舌位越往中间靠拢，不同元音之间的区别就越小，元音发音越难以辨别；VAI数值越大，说明不同元音之间的区别较大，元音发音越清晰[10]。从文中结果看UPDRS量表评估言语“正常”的早期PD患者的基频标准差显著小于对照组，两组间其他基频特征和VAI无显著差异，提示这部分PD患者的言语障碍主要表现在基频特征的变化上，即言语的音高变化小、语调缺乏起伏变化；表明，即使听起来说话“正常”的早期PD患者，语音的声学特征实际上已经发生了轻微变化，此时中枢神经系统病变已经损伤了PD患者的言语功能。

早期PD患者的基频先于其他语音特征(如元音)出现异常，有两个可能的原因：第一，PD患者基底神经节的运动调节功能异常引起肌强直症状，而控制声带内收、外展、伸缩的肌肉结构更加精细，比控制唇、舌等发音器官的肌肉更容易受到基底节环路轻微变化的影响[17]，因此与声带直接联系的基频特征更早出现异常变化。第二，根据Braak等[18]提出的PD六阶段分期，当PD患者处于Braak一、二期时，尚未出现典型临床症状，但是舌咽神经和迷走神经已经受到损伤，而这两对神经主要控制咽喉部肌肉，与声带活动密切相关，可能造成PD患者的基频异常。

总之，虽然UPDRS量表评估PD患者是否存在言语障碍是一种有临床意义且简便快捷的手段，但由于人类听觉能力的局限性，听觉感知并不能灵敏地捕捉到早期PD患者语音轻微的异常变化；本研究表明，言语声学分析能够更加客观准确地检测出早期PD患者语音的异常变化，有助于深入了解早期PD患者的言语能力，为疾病的精确评估提供辅助手段。