薛珮蕓，張雪英

(太原理工大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，太原 030600)

殘障人群的醫(yī)療及教育一直是我國非常重視的領(lǐng)域，近年來科研也逐步轉(zhuǎn)向幫助有需求的群體。根據(jù)中國殘疾人事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，2017年中國的聽力殘疾人群已達(dá)到40.7萬。因此，本文探究聾啞患者與正常人發(fā)音器官運(yùn)動差異及聲學(xué)特性差異，精確量化患者發(fā)音障礙程度，從而為聾啞患者的診斷和治療提供可靠的臨床根據(jù)與技術(shù)支持，達(dá)到矯正各種語言缺陷、提高患者語言表達(dá)能力的目的。

近年來，發(fā)音障礙的分析方法大多是通過聲學(xué)信號特征參數(shù)研究。JAFARI et al[1]對比了聾啞患者與正常人的波斯語元音發(fā)音，研究發(fā)現(xiàn)元音/a/，/i/的第一共振峰和元音/a/，/o/的第二共振峰存在顯著性差異。NICOLAIDIS et al[2]在研究聽力損傷患者的發(fā)音時(shí)，對共振峰和發(fā)音時(shí)長在重讀和非重讀的情況進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)研究。TSENG et al[3]研究了聾啞患者普通話元音/a/，/i/，/u/的第一共振峰和第二共振峰的特性，還進(jìn)一步探究了共振峰元音空間與可懂度的聯(lián)系。BAUDONCK et al[4]在研究佩戴助聽器和植入人工耳蝸的患者時(shí)發(fā)現(xiàn)，相對與正常人，聽障患者的共振峰數(shù)據(jù)有較高的標(biāo)準(zhǔn)差。

發(fā)音是一項(xiàng)由肌肉控制的極其復(fù)雜的運(yùn)動，涉及呼吸、發(fā)音及運(yùn)動系統(tǒng)[5]。因此，分析聾啞患者的發(fā)音情況亟需將運(yùn)動學(xué)與聲學(xué)方法相結(jié)合，以提供更為全面的評估與分析。目前大部分研究借助于電子腭位儀器(EPG)、X-Ray跟蹤和磁共振成像(MRI)等方法[6-7]。三維電磁發(fā)音儀(electromagnetic articulography，EMA)(AG501;Carstens Medizinelektronik GmbH,Germany)是一種新型的可以同時(shí)采集聲學(xué)和運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)的高精度設(shè)備[8-10]。它是通過醫(yī)用生理膠將微小的傳感器粘于發(fā)音器官(例如唇、舌、下頜等)，記錄發(fā)音時(shí)微小復(fù)雜的動作[11]。目前國內(nèi)外基于EMA儀器的研究多運(yùn)用于帕金森病，腦癱或肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥，口癡等[12-14]，但針對聾啞患者發(fā)音情況的研究頗少。

本研究將普通話6個(gè)元音/a/，/i/，/u/，/o/，/e/，/ü/的發(fā)音作為研究對象，使用EMA AG501采集聾啞學(xué)生和正常學(xué)生的發(fā)音數(shù)據(jù)，首次從聲學(xué)和運(yùn)動學(xué)的角度分析兩組被試學(xué)生元音發(fā)音的差異性，進(jìn)一步探究了統(tǒng)計(jì)學(xué)差異顯著性和相關(guān)性，因而對聾啞患者的發(fā)音評估更為全面、準(zhǔn)確。

1 被試和數(shù)據(jù)采集

1.1 被試

本項(xiàng)研究針對24名母語為中文的被試進(jìn)行。其中病人組 (HI) 由12名來自太原聾人學(xué)校的聾啞學(xué)生組成 (6名男生和6名女生，平均年齡為16歲，范圍14～18歲)，均有佩戴助聽器及接受5年以上語言康復(fù)訓(xùn)練經(jīng)歷，除聽力受損外，無口腔運(yùn)動障礙或其它畸形，具體信息如表1所示。正常組(NH)由12名來自太原理工大學(xué)的學(xué)生組成(6名男生和6名女生，平均年齡18.5歲，范圍18～19歲)，普通話水平均為二級甲等及以上，均無任何發(fā)音和聽力損傷及精神病史。

表1 聾啞學(xué)生基本信息表Table 1 Descriptive characteristics of the adolescents with hearing loss

1.2 數(shù)據(jù)采集

測試材料為漢語普通話中的6個(gè)元音/a/，/i/，/u/，/o/，/e/，/ü/.以自然平穩(wěn)的響度和語速、聲調(diào)統(tǒng)一為一聲，每個(gè)音讀3遍，最清楚的一次選作分析，測試材料出現(xiàn)的順序?yàn)殡S機(jī)的。

利用EMA采集聲學(xué)和運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)，采樣頻率為250 Hz，語言測試環(huán)境噪聲控制在50 dB以下。聲學(xué)信號通過匹配的電容麥克風(fēng)(the t.bone EM9600，Musikhaus Thomann e.K.，Germany)收集，將麥克風(fēng)置于被試者口部前方15 cm左右，調(diào)整舒適坐姿。運(yùn)動學(xué)信號通過一系列的傳感器收集，與聲學(xué)信號同時(shí)記錄在電腦上。將傳感器用無毒害的牙科粘合劑(PeriAcryl 90,Glustitch Inc.Delta,BC,Canada)粘在發(fā)音器官上。2個(gè)測試點(diǎn)位于舌尖表面和下唇表面，3個(gè)參考點(diǎn)位于鼻梁、右左耳后，用于頭部校準(zhǔn)。

2 研究方法

2.1 聲學(xué)特征

提取被試每個(gè)元音發(fā)音的第一共振峰和第二共振峰。在語音信號分析中，共振峰是一個(gè)最基本的表征語音信號特征的參數(shù)。共振峰是指在聲音的頻譜中能量相對集中的一些區(qū)域，共振峰不但是音質(zhì)的決定因素，而且反映了共振腔的物理特征。元音的第一共振峰(F1)和第二共振峰(F2)與發(fā)音器官發(fā)音時(shí)的位置有著非常密切的關(guān)系。共振峰可反映說話人元音發(fā)音的質(zhì)量，對語言可懂度有直接影響，因此對發(fā)音障礙患者共振峰的研究是必不可少的。其次，提取被試每個(gè)元音的發(fā)音時(shí)長。發(fā)音障礙患者多是由于肌肉運(yùn)動遲緩或舌部運(yùn)動缺陷造成發(fā)音不準(zhǔn)確。發(fā)音持續(xù)時(shí)長是影響正確發(fā)音的重要因素，其通過語速、音素間間隔等來體現(xiàn)。語音數(shù)據(jù)用Praat(version 6.0.18，Holund)軟件分析。

2.2 發(fā)音器官運(yùn)動特征

提取被試舌部和唇部在元音發(fā)音時(shí)的最大位移(相對于初始狀態(tài))。其次，提取被試舌部和唇部在元音發(fā)音時(shí)速度的峰值。正確的發(fā)音要求器官相互配合，產(chǎn)生準(zhǔn)確的發(fā)音動作。舌頭和唇部是發(fā)音中的重要器官，其通過改變口腔的共鳴，產(chǎn)生不同的發(fā)音。特別是舌部對發(fā)音的影響頗大，其發(fā)音位置不準(zhǔn)確是造成患者發(fā)音障礙主要的問題。運(yùn)動數(shù)據(jù)用VisArtico(0.9.9，F(xiàn)rance)軟件分析。

2.3 相關(guān)性分析

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件SSPS21.0分別對聲學(xué)和運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，當(dāng)P<0.05時(shí)有顯著差異，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，再對聲學(xué)和運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 聲學(xué)結(jié)果與分析

聾啞學(xué)生和正常學(xué)生元音發(fā)音共振峰F1和F2的對比結(jié)果如表2所示。對于第一共振峰，聾啞學(xué)生在所有元音/a/，/i/，/u/，/o/，/e/，/ü/發(fā)音時(shí)F1的值均高于正常學(xué)生，其中聾啞學(xué)生和正常學(xué)生只有在元音/i/和/e/有顯著性差異，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).對于第二共振峰, 聾啞學(xué)生在元音/a/，/u/，/o/，/e/發(fā)音時(shí)F2的值高于正常學(xué)生，在元音/i/和/ü/發(fā)音時(shí)F2的值低于正常學(xué)生，其中聾啞學(xué)生和正常學(xué)生在所有元音/a/，/i/，/u/，/o/，/e/，/ü/發(fā)音時(shí)存在顯著性差異，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).此外，聾啞學(xué)生在所有元音共振峰的標(biāo)準(zhǔn)差明顯大于正常學(xué)生。

表2 兩組被試者普通話元音共振峰F1和F2的比較結(jié)果Table 2 Comparison of formant frequencies between hearing impairment and normal-hearing groups

聾啞學(xué)生和正常學(xué)生元音發(fā)音時(shí)長的對比結(jié)果如表3所示。聾啞學(xué)生在所有元音/a/，/i/，/u/，/o/，/e/，/ü/的發(fā)音時(shí)長均高于正常學(xué)生。并且聾啞學(xué)生和正常學(xué)生的發(fā)音時(shí)長在所有元音上都有顯著性差異，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).此外，聾啞學(xué)生在所有元音發(fā)音時(shí)長的標(biāo)準(zhǔn)差明顯大于正常學(xué)生。

表3 兩組被試者普通話元音發(fā)音時(shí)長的比較結(jié)果Table 3 Comparison of vowels duration between hearing impairment and normal-hearing groups

3.2 運(yùn)動學(xué)結(jié)果與分析

聾啞學(xué)生和正常學(xué)生元音發(fā)音時(shí)唇部和舌部最大位移的對比結(jié)果如圖1所示。對于唇部的位移數(shù)據(jù)，聾啞學(xué)生在所有元音/a/，/i/，/u/，/o/，/e/，/ü/的最大位移均明顯高于正常學(xué)生；對于舌部的位移數(shù)據(jù)，聾啞學(xué)生只有在元音/i/的最大位移明顯高于正常學(xué)生，在元音/a/，/u/，/o/，/e/，/ü/的最大位移低于正常學(xué)生。此外，聾啞學(xué)生在所有元音發(fā)音時(shí)唇部和舌部最大位移的標(biāo)準(zhǔn)差大于正常學(xué)生。

聾啞學(xué)生和正常學(xué)生元音發(fā)音時(shí)唇部和舌部最大速度的對比結(jié)果如表4所示。對于唇部的速度數(shù)據(jù)，聾啞學(xué)生在所有元音/a/，/i/，/u/，/o/，/e/，/ü/的最大速度均高于正常學(xué)生，其中聾啞學(xué)生和正常學(xué)生只有在元音/i/和/e/有顯著性差異，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；對于舌部的速度數(shù)據(jù)，聾啞學(xué)生在元音/a/，/u/，/o/，/e/，/ü/發(fā)音時(shí)的速度均低于正常學(xué)生，組間沒有顯著性差異。只有在元音/i/發(fā)音時(shí)的速度高于正常學(xué)生，組間有顯著性差異，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).此外，聾啞學(xué)生在所有元音發(fā)音時(shí)唇部和舌部最大速度的標(biāo)準(zhǔn)差大部分大于正常學(xué)生。

圖1 兩組被試者普通話元音唇部和舌部最大位移的比較結(jié)果Fig.1 Comparison of maximum displacement for lip and tongue between hearing impairment and normal-hearing groups

3.3 相關(guān)性(識別)結(jié)果與分析

聾啞學(xué)生和正常學(xué)生元音發(fā)音聲學(xué)和運(yùn)動學(xué)參數(shù)相關(guān)性結(jié)果如表5所示。對于元音/a/，發(fā)音時(shí)長與唇部的最大位移呈顯著的正相關(guān)性。對于元音/i/，F(xiàn)1和發(fā)音時(shí)長與唇部的最大位移和最大速度均呈顯著的正相關(guān)性，F(xiàn)2與唇部的最大位移和最大速度均呈顯著的負(fù)相關(guān)性，發(fā)音時(shí)長與舌部的最大位移和最大速度呈顯著的正相關(guān)性。對于元音/u/，F(xiàn)2與唇部的最大位移呈顯著的正相關(guān)性。對于元音/o/，F(xiàn)1、F2與唇部的最大位移和最大速度均呈顯著的正相關(guān)性。對于元音/e/和/ü/聲學(xué)和運(yùn)動學(xué)參數(shù)差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

4 討論與總結(jié)

本文通過對普通話元音/a/，/i/，/u/，/o/，/e/，/ü/發(fā)音進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對聾啞學(xué)生和正常學(xué)生發(fā)音時(shí)聲學(xué)和運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比研究。在聲學(xué)方面，與正常學(xué)生相比，聾啞學(xué)生在所有元音的F2上有顯著差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。共振峰上的差異性由多方面原因造成，由于聽覺的缺失造成反饋系統(tǒng)的不完整，無法正確的糾正錯(cuò)誤發(fā)音，此外，聾啞學(xué)生的發(fā)音時(shí)長高于正常學(xué)生且具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；在運(yùn)動學(xué)方面，與正常學(xué)生相比，聾啞學(xué)生唇部的最大位移高于正常學(xué)生，舌部的最大位移除元音/i/之外均低于正常學(xué)生，同樣，聾啞學(xué)生唇部的最大速度均高于正常學(xué)生，舌部最大速度低于正常學(xué)生。這可能是由于聾啞學(xué)生在康復(fù)訓(xùn)練中，比較容易看到唇部的發(fā)音動作，卻很難觀測到舌部的運(yùn)動軌跡[15]，導(dǎo)致唇部發(fā)音動作夸大而舌部發(fā)音動作缺失。此外，本文探究了聲學(xué)和運(yùn)動學(xué)參數(shù)的相關(guān)性。與舌部運(yùn)動相比，唇部的運(yùn)動數(shù)據(jù)與元音發(fā)音的聲學(xué)數(shù)據(jù)具有顯著相關(guān)性參數(shù)的更多。與F1相比，F(xiàn)2與運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)具有顯著相關(guān)性參數(shù)的更多。聲學(xué)參數(shù)發(fā)音時(shí)長也是影響運(yùn)動學(xué)參數(shù)的重要影響因素。

表4 兩組被試者普通話元音唇部和舌部最大速度的比較結(jié)果Table 4 Comparison of maximum speed for lip and tongue between hearing impairment and normal-hearing groups

表5 聲學(xué)參數(shù)和運(yùn)動學(xué)參數(shù)相關(guān)性結(jié)果Table 5 Correlation results of acoustic and kinematic parameters

綜上所述，聾啞學(xué)生在元音發(fā)音時(shí)聲學(xué)和運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)都與正常學(xué)生存在較大的差異。由于聾啞患者通過視覺反饋可以清楚觀測到唇部的運(yùn)動趨勢而難于看到舌部的正確發(fā)音位置，導(dǎo)致唇部運(yùn)動較為夸大而舌部運(yùn)動較小，不準(zhǔn)確的唇部和舌部位置最終導(dǎo)致元音發(fā)音的缺陷。本文的研究可為聾啞患者的康復(fù)治療提供參考依據(jù)，具有理論和臨床意義。