呂磊 綜述 王福源 樊永良 審校

骨傳導(dǎo)技術(shù)及其應(yīng)用

呂磊1綜述 王福源1樊永良2審校

骨傳導(dǎo)是聲音通過人體骨骼傳導(dǎo)的現(xiàn)象，能夠有效防止環(huán)境噪聲的干擾；能夠和空氣傳導(dǎo)結(jié)合形成獨特的聽覺環(huán)境；可以利用其聽障人士助聽等。目前國外已有骨傳導(dǎo)耳機，也已將骨傳導(dǎo)應(yīng)用于手機接聽，以方便在有環(huán)境噪聲干擾的場合下使用。但是國內(nèi)這方面的研究起步較晚，相關(guān)的報道較少，本文通過對目前國內(nèi)外骨傳導(dǎo)技術(shù)的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用等進行綜述，旨在促進此技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀初，人們認為人耳可聽到的最高聲音頻率為24 k Hz。1950年，Pumphrey［1］首次報道了人通過骨傳導(dǎo)可以感知到頻率高達120 k Hz的超聲，骨傳導(dǎo)因此也被稱為“超聲骨傳導(dǎo)”（bone－conducted ultrasound，簡稱BCU）。目前關(guān)于BCU原理的了解尚不是很深入，但是多年的研究已經(jīng)獲得若干確定的結(jié)論：①人們通過骨傳導(dǎo)感知到的聲音音調(diào)和實際的頻率沒有直接關(guān)系，其感覺就好像在聽8～16 k Hz的空氣傳導(dǎo)聲一樣［2］；②BCU屏蔽10～14 k Hz的空氣傳導(dǎo)聲音［3］；③BCU的動態(tài)范圍小于氣傳導(dǎo)聲［4］；④由于骨傳導(dǎo)不占用耳道，所以聽覺系統(tǒng)可以同時感受到骨傳導(dǎo)和氣傳導(dǎo)獲得的聲音［5］。

國內(nèi)早就有關(guān)于骨傳導(dǎo)研究的報道。如2002年錢宇虹等［6］對空氣和骨傳導(dǎo)聽性腦干反應(yīng)（auditory brainstem response，ABR）測試做了研究，指出其對新生兒感音神經(jīng)性聾的檢出及小耳畸形患者聽力水平的測定有較大臨床意義，還能為傳導(dǎo)性或混合性聽力損失的鑒別診斷及蝸后病變的定位診斷提供依據(jù)。張帆等［7］采用聽性穩(wěn)態(tài)反應(yīng)（auditory steadystate response，ASSR）測試比較了骨振器在不同位置的骨導(dǎo)反應(yīng)閾，旨在找到便于臨床操作的骨振器放置位置。

早期的研究主要集中在利用骨傳導(dǎo)做聽力有關(guān)的臨床診斷，骨傳導(dǎo)技術(shù)常常應(yīng)用于鑒別神經(jīng)性聾和傳導(dǎo)性聾。另外，Martin等［8］利用骨傳導(dǎo)超聲實現(xiàn)了對耳鳴進行掩蔽治療。1998年Hosoi等［9］將ASSR應(yīng)用于骨傳導(dǎo)的傳導(dǎo)機制研究，他以聽力正常人為研究對象，用頻率為1 k Hz和2 k Hz的空氣傳導(dǎo)純音以及由1 k Hz和2 k Hz的純音做了幅度調(diào)制后的超聲作激勵，分別觀察兩者誘發(fā)磁場波峰的等效電流偶極子（electric current dipole，ECD），結(jié)果表明兩者的ECD都位于聽覺皮層，而且位置十分靠近。他們對嚴重的耳聾患者做了同樣的測試，發(fā)現(xiàn)53名患者中有28名可以感知到超聲激勵，其中11名還可以識別不同的語音調(diào)制超聲。這些結(jié)果均表明，聽力正常的人和部分有聽障的人都可以感知到語音調(diào)制后的超聲。此外，Hosoi等的研究還證明了骨傳導(dǎo)超聲激勵于人腦的聽覺皮層，為將骨傳導(dǎo)超聲應(yīng)用于助聽領(lǐng)域提供了依據(jù)［9］。

雖然在原理方面還沒有獲得突破性的進展，但是已經(jīng)有人做了大量實驗，用以比較骨導(dǎo)和氣導(dǎo)的效果。Gripper等［10］在有多人談話噪聲的環(huán)境下，在信噪比分別為6、9和12 d B的情況下，由12個聽者通過實驗比較骨導(dǎo)和氣導(dǎo)的效果。結(jié)果表明，氣導(dǎo)的效果比骨導(dǎo)好；在不同的信噪比下，聽者的數(shù)字和字母識別率呈現(xiàn)非常大的差異，在6 d B信噪比下為最好。

賈天竺等［11］對顴骨傳導(dǎo)信號接收做了實驗，給出了環(huán)境噪聲為62 dB下，各個年齡段和不同性別的受試者的聽閾實驗圖。通過實驗得知，骨傳導(dǎo)聽覺的最敏感區(qū)在800～2 500 Hz。董慧艷等［12］記錄了22名聽力正常青年人骨導(dǎo)腦干電反應(yīng)，觀察骨振蕩器不同位置放置的影響，結(jié)果顯示，高強度刺激時，每一受試者均可記錄到清晰、穩(wěn)定的波；骨振蕩器放置在耳后鼓竇區(qū)時，反應(yīng)振幅高、閾值低、分化好，同、對側(cè)記錄波振幅及潛伏期差異極小。

2 骨導(dǎo)技術(shù)的優(yōu)缺點

與氣導(dǎo)相比，骨導(dǎo)有以下優(yōu)點：①可以避免攙雜在空氣中的噪聲，在戰(zhàn)爭和很多需要有較強抗噪能力的場合有重要的應(yīng)用價值；②骨導(dǎo)和氣導(dǎo)是兩個獨立的路徑，因此可以營造獨特的聽覺環(huán)境，使人的聽覺系統(tǒng)可以同時感受到兩個不同聲源的聲音；③骨傳導(dǎo)的頻率范圍很寬，可以利用這一特點改善高頻段的聲音品質(zhì)，使聲音的頻域得以拓寬；④有些嚴重的耳聾患者依然具有感知骨傳導(dǎo)聲音的能力，因此，有可能通過骨導(dǎo)給予助聽［13］。

雖然骨傳導(dǎo)有上述優(yōu)勢，但是由于目前對其原理尚不夠了解，所以也存在諸多的問題。主要有：①目前所研究的傳導(dǎo)路徑基本上都是將聲源置放于人體的顱骨，對很多應(yīng)用并不方便；②接聽骨導(dǎo)聲源的方便程度遠不能和氣導(dǎo)相比［13］；③從已有的研究看，骨傳導(dǎo)傳遞聲音的能力（包括靈敏度和質(zhì)量）尚不能和空氣傳導(dǎo)比擬；④人體本身在骨傳導(dǎo)過程中對語音頻率成分的影響尚不十分清楚；⑤骨傳導(dǎo)可以通過直接傳遞超聲或者通過數(shù)字信號處理中的“頻率搬移”方法，將氣導(dǎo)的聲音搬移到超聲的范圍內(nèi)作傳遞［14］，目前對于頻率搬移的研究尚不夠充分。

3 骨導(dǎo)在助聽方面的應(yīng)用

在應(yīng)用性產(chǎn)品得以開發(fā)之前，一個重要的工作是利用實驗平臺做必要的測試和傳導(dǎo)實驗，以得到關(guān)于傳輸性能、頻率特性、語聲處理方法等方面的重要依據(jù)。通常的做法是把常規(guī)的聲音頻率利用計算機數(shù)字信號處理的方法“搬移”到超聲范圍，然后傳輸?shù)铰犝叩穆犛X系統(tǒng)。利用實驗平臺可以對各種頻率變換、調(diào)制方式等做出必要的數(shù)據(jù)比較。由于實驗平臺的重要性，因此平臺的開發(fā)和平臺實驗的研究也是骨導(dǎo)研究的一個重要方面，很多實驗平臺應(yīng)用了電子技術(shù)和計算機技術(shù)的最新成果。

羅怡珊等［14］研究了骨導(dǎo)的助聽機制和頻率的轉(zhuǎn)換算法，作者分別計算了單耳骨導(dǎo)超聲激勵和單耳骨導(dǎo)音頻激勵在頭內(nèi)形成的聲場，結(jié)果表明：骨導(dǎo)超聲可同時激勵雙耳耳蝸，且傳導(dǎo)能力優(yōu)于骨導(dǎo)音頻激勵。以此得出結(jié)論認為，骨導(dǎo)超聲助聽效果比骨導(dǎo)音頻助聽效果好。盡管在骨導(dǎo)助聽方面已經(jīng)有了比較多的研究工作，但是實際上能夠付諸應(yīng)用的產(chǎn)品并不多見。據(jù)報道，日本產(chǎn)業(yè)綜合研究所研制的骨導(dǎo)超聲助聽器可以使40%以上的嚴重耳聾患者感知到聲音，17%的嚴重耳聾患者識別語音［15］。目前植入式骨導(dǎo)助聽器有美國產(chǎn)Audiant和瑞典產(chǎn)的BAHA，優(yōu)點是可消除聲反饋，聲音傳遞效率高，外耳道無堵塞感，適用于老年和兒童先天性或后天性傳導(dǎo)性聾與感音神經(jīng)聾而又不能經(jīng)耳顯微外科手術(shù)矯治者［16］。日本TEAC（第一音響）公司2007年發(fā)布了HP－F100 Filltune耳機，該耳機將聲音的振動施加于人體的皮膚和骨頭，將其直接傳達到內(nèi)耳（耳蝸）而使其直接感受到聲音。由于不使用鼓膜感應(yīng)聲音，有輕度聽障者或者是因為年齡增加而對高音有聽覺障礙的老人也可以享受較高的音質(zhì)［17］。

4 骨導(dǎo)在其他方面的應(yīng)用

骨導(dǎo)能夠有效抵御環(huán)境噪聲的特點不但可以應(yīng)用在助聽設(shè)備，還可以在戰(zhàn)爭環(huán)境、日常通信等方面得到應(yīng)用。目前已經(jīng)有多款骨導(dǎo)手機面世，例如東芝A5529T、泛泰A1407PT、三洋電機的TS41等，這種免手持的手機除了可以防止環(huán)境噪聲的干擾，同時對駕車通話的安全性很有幫助。利用骨導(dǎo)頻域較寬的特點，可以開發(fā)出高音質(zhì)的耳機。如TEAC公司的HP－F200耳機提高了高頻段的重放性能，最大輸出功率可達2.8W×2。

5 結(jié)語

作為醫(yī)學(xué)和電子學(xué)的交叉學(xué)科，骨導(dǎo)已經(jīng)顯示出了獨特的應(yīng)用優(yōu)勢。已經(jīng)有不少利用骨導(dǎo)原理的產(chǎn)品問世，并且在不斷探索新的應(yīng)用領(lǐng)域，如煤礦的通信［18］、對講耳機、多聲源同時聽取的研究等。由于其原理和性能尚須進一步探索，所以目前的應(yīng)用開發(fā)尚不夠成熟。隨著電子和醫(yī)學(xué)兩方面的理論和技術(shù)的進步，骨導(dǎo)的應(yīng)用會越來越廣泛和成熟。

1 Pumphrey R.Upper limit of frequency for human hearing［J］.Nature，1950，166：571.

2 Yamashita A，Nishimura T，Nakagawa S.Assessment of ability to discriminate frequency of bone－conducted ultrasound by mismatch fields［J］.Neuroscience Letters，2008，438：260.

3 Nishimura T，Nakagawa S，Sakaguchi T，et al.Ultrasonic masker clarifiese ultrasonic perception in man［J］.Hear Research，2003，175：171.

4 Nishimura T，Nakagawa S，Sakaguchi T.Effect of stimulus duration for bone－conducted ultrasound on N1m in man［J］.Neuroscience Letters，2002，327：119.

5 朱曉峰.骨導(dǎo)電話傳輸性能研究［J］.現(xiàn)代電信科技，2008，37：48.

6 錢宇虹，梁力，江剛.正常青年人氣骨導(dǎo)聽性腦干反應(yīng)的比較研究［J］.聽力學(xué)及言語疾病雜志，2002，10：4.

7 張帆，莫玲燕.正常聽力成人骨導(dǎo)聽性穩(wěn)態(tài)反應(yīng)的研究［J］.聽力學(xué)及言語疾病雜志，2009，17：215.

8 Martin L，Lenhardt AD.Ultrasonic hearing in humans：Applications for tinnitus treatment［J］.International Tinnitus Journal，2003，9：69.

9 Hosoi H，Imaizumi S，Sakaguchi T，et a1.The activation of auditory cortex by ultrasound［J］.The Lancet，1998，351：496.

10 Gripper M，McBride M，Osafo－Yeboah B，et al.The callsign acquisition test（CAT）to compare the speech intelligibility of air versus bone conduction［J］.International Journal of Industrial Ergonomics，2007，37：631.

11 賈天竺，蘭楓.顴骨傳導(dǎo)信號接收特性初探［J］.電聲技術(shù)，2003，26：48.

12 董慧艷，李敏，殷善開，等.聽力正常青年人骨傳導(dǎo)腦干電反應(yīng)測試及骨振蕩器不同位置放置對其影響［J］.耳鼻咽喉頭頸外科，1995，1：15.

13 朱曉峰.骨導(dǎo)技術(shù)及在信息通信中的應(yīng)用［J］.電信技術(shù)，2008，54：18.

14 羅怡珊，汪源源，徐峰，等.骨傳導(dǎo)超聲與骨傳導(dǎo)音頻的特性比較［J］.生命科學(xué)儀器，2007，05：51.

15 羅怡珊，汪源源，王威琪.骨傳導(dǎo)超聲助聽技術(shù)的研究［J］.國際生物醫(yī)學(xué)工程雜志，2006，28：361.

16 湯建國，王輝萼.助聽器的進展［J］.國外醫(yī)學(xué).耳鼻咽喉科學(xué)分冊，2000，36：343.

17 時風.用頭骨傳音的Hi－Fi耳機HP＿F100［J］.實用影音技術(shù)，2007，23：23.

18 氏家英明，滑川正朗，杉本直樹，等.櫪洞礦的骨傳導(dǎo)通信系統(tǒng)［J］.國外金屬礦，1995，05：22.

（2010－06－01收稿）

（本文編輯 周濤）

10.3969／j.issn.1006－7299.2011.01.028

R764

A

1006－7299（2011）01－0085－02

1 鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院（鄭州 450052）； 2 鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院