電聲門圖儀檢測技術(shù)的研究進展＊

但果 綜述 陳作鵬 審校

隨著醫(yī)療電子技術(shù)飛速發(fā)展，喉內(nèi)高速攝像機、喉鏡（間接喉鏡、電子喉鏡、纖維喉鏡）、電聲門圖儀、計算機嗓音測試儀等在臨床喉科檢測中得到了廣泛應用。電聲門圖檢測作為一種非侵入式、無創(chuàng)檢測技術(shù)，彌補了喉鏡的不足，盡最大可能保留了原始發(fā)聲環(huán)境。目前關(guān)于電聲門圖儀應用于嗓音疾病檢測的報道屢見不鮮，但是對電聲門圖儀的原理研究卻相對薄弱。本文就電聲門圖的定義及檢測方法、技術(shù)原理、指標定量分析、應用進行綜述。

1 電聲門圖的定義及檢測方法

傳統(tǒng)的電聲門圖檢測是在測試者的頸部甲狀軟骨兩側(cè)對稱放置兩片電極，發(fā)元音／a／或／?／，持續(xù)3～5s，采集測試者聲帶振動的信息，經(jīng)計算機分析處理后得到嗓音聲學指標?，F(xiàn)代的電聲門圖儀在傳統(tǒng)的電極采集數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上增加麥克風通道，融合計算機嗓音測試儀的特點。檢測方法：選擇元音／a／或／?／，環(huán)境噪聲控制在45dB SPL 以下；測試時，麥克風距受試者口腔10～15cm，電極放置在甲狀軟骨處，受試者先經(jīng)過短暫的發(fā)聲訓練，直到能平穩(wěn)發(fā)出元音為止；然后平穩(wěn)地用胸聲區(qū)發(fā)穩(wěn)態(tài)元音3～5 s，采集的信號經(jīng)前端調(diào)理電路后送至計算機，利用分析軟件處理，得到嗓音各指標值。

2 技術(shù)原理

電聲門圖信號的采集：將兩片電極對稱放置在甲狀軟骨處，在電極上施加一個固定頻率的恒定電流（或電壓），測量受聲帶振動調(diào)制的阻抗（或?qū)Ъ{）。得到的阻抗信號經(jīng)過一個高通濾波器（或小波降噪處理）、解調(diào)器、帶通放大濾波器，送至計算機處理。對于施加電流頻率選擇，萬明習［1］研究指出在1～4 MHz可以有效去除微音器效應、高通濾波器濾除發(fā)聲時甲狀軟骨附近其他軟骨、肌肉組織運動產(chǎn)生的干擾噪聲。值得注意的是高通濾波器截止頻率會歪曲電聲門圖形狀，影響后面結(jié)果分析，Baken［2］指出不同電聲門圖儀廠家設置的高通濾波器截止頻率各有不同，這會引起電聲門圖非接觸段的形狀變化，定量分析結(jié)果受到極大影響，因此如何選擇電聲門圖儀的高通濾波器截止頻率仍是一個值得研究的課題。高通濾波器并不能完全解決噪聲問題，有學者嘗試小波變換降噪方法［8］去除干擾噪聲，保留原始信號重要信息，效果比高通濾波器好；但需對閾值選取進行詳細研究。帶通濾波器帶寬選擇與語音基頻有關(guān)，國人平均言語基頻的分布在104～1 033 Hz，隨著年齡增大而減?。?］。

嗓音信號采集：利用麥克風采集語音信號，經(jīng)過一個帶通濾波器放大，送至計算機進行處理。

電聲門圖和嗓音兩個信號采集通道是獨立工作的，互不影響。電聲門圖部分參數(shù)目前在學術(shù)上仍有爭議，例如聲門接觸面的基礎(chǔ)算法、聲帶關(guān)閉點和開啟點的測定。對電聲門圖進行定量分析時，首先要在電聲門圖波形圖上確定聲帶關(guān)閉點和開啟點，目前主要有兩種算法：尺度算法、微分電聲門圖算法。Rothenberg［4］提出尺度算法，指出使用信號總幅度20%～50%的尺度為開啟點和關(guān)閉點；Henrich等［5］運用電聲門圖的一階導數(shù)（二階導數(shù)）的最大（?。┲?，提出Decom（分解）算法，導數(shù)的最大（小）值代表著聲帶關(guān)閉點和開啟點，高速攝影跟電聲門圖的比較研究指出這些峰值能對應聲門的關(guān)閉點和開啟點。在這兩種算法中，尺度算法在抗噪性和穩(wěn)定性方面有優(yōu)勢，但只靠一個尺度來確定聲帶關(guān)閉點和開啟點，在精確度方面不如微分算法。微分算法在精確度方面比較好，但穩(wěn)定性不好，它易受到噪聲成分影響，經(jīng)常遇到雙峰或無峰問題，故大部分電聲門圖儀廠商采用尺度算法。如何確定正確的尺度標準，成為眾多學者研究的熱點問題，Herbst［6］通過電聲門圖和喉記波掃描圖像（Videokymography，VKG）的對比研究，提出20%～25%尺度最準確說法。目前電聲門圖儀廠商都有自己的尺度算法，針對某些跟尺度相關(guān)的指標，臨床上應用較多的是患者自身治療或康復訓練前后結(jié)果對照，不同的產(chǎn)品間結(jié)果一致性差別較大。

3 電聲門圖指標的定量分析

3.1 電聲門圖波形（EGG） 聲帶振動時，聲帶接觸阻抗變化引起調(diào)制電流變化，聲門張開時阻抗高，閉合時阻抗低，形成電聲門圖。正常的電聲門圖波形曲線類似光滑有規(guī)律正弦波，曲線由閉合相（接觸段）和開放相（不接觸段）組成，反映了發(fā)聲過程中聲帶接觸面積的變化［7］（圖1）。當聲帶病變時，電聲門圖波形會有切跡、陡直、平坦、毛刺及粗糙等現(xiàn)象。不同的病理性聲帶的波形各有其特點。

圖1 電聲門圖波形分析

3.2 臨床常用的電聲門圖分析指標 臨床上常用的分析指標是基頻F0、基頻微擾（jitter）、振幅微擾（shimmer）、標準化噪聲能量（normalized noise energy，NNE）和諧噪比（harmonic－to－noise，HNR），兩個通道數(shù)據(jù)采集方法不同，得到的結(jié)果相差不大；從電聲門圖波形曲線還可以得到接觸率（contact quotient，CQ）、接觸率微擾（contact quotient perturbation，CQP）、接觸冪（contact Index，CI）和接觸冪微擾（contact index perturbation，CIP）等臨床常用指標。

基頻反映了聲帶振動的頻率；噪聲能量、諧噪比反映了聲門不完全閉合程度；基頻微擾、振幅微擾反映了聲音的聲嘶、粗糙程度。這幾個指標臨床上應用比較多。NNE算法比較多，頻域上有梳狀濾波器法［8］、獨立分量分析法［9］、聽覺流法［10］、噪聲基底法等，時域上有加零補齊法、動態(tài)時間卷積法和零相傳輸法。但是嗓音是一個復雜和非完全周期振動的信號，其中諧波與噪聲成份很難定量分析，目前已有的方法仍沒有得到令人滿意的結(jié)果。

另外，當前的電聲門圖儀在嗓音高頻段檢測存在不足，在頻段上注重嗓音低頻段（人的嗓音基頻處在低頻段），不能有效檢測早期聲帶疾病。聲帶早期病變者嗓音噪聲首先在頻譜的高端（4 000 Hz）出現(xiàn)。隨著病情加重，噪聲開始逐步在越來越低的頻段出現(xiàn)，即對于早期喉疾病的嗓音信號，一般低頻段諧波能保持正常，極少有噪聲出現(xiàn)，必須檢測頻譜的高端噪聲是否存在。語音中低頻成份占極大的比例，高次諧波一般都會以5～30dB 的速率遞減，王修信［11］提出應用小波變換方法提取高頻段的噪聲，可用于早期聲帶疾病的檢測。

接觸率（CQ）是指聲帶接觸段時間與聲帶振動時間之比，它反映聲帶的閉合程度。當聲帶發(fā)生占位病變時，聲帶振動時不完全閉合，如聲帶帶蒂大息肉、廣基小息肉，均表現(xiàn)為CQ 增高；聲帶帶蒂小息肉、聲帶麻痹表現(xiàn)為CQ 下降。該指標也可以通過小波變換多尺度積方法從一段語音信號中獲?。?2］，但比較少用。

接觸率微擾（CQP）是指相鄰振動周期間接觸率的變化量，如果聲帶的關(guān)閉和開放有規(guī)律，則接觸率微擾值較小。CQP 增高常見于聲帶息肉、小結(jié)、白斑及癌等。

接觸冪（CI）是指聲帶振動時漸閉相與漸開相的對稱度，在一定程度上體現(xiàn)了聲帶開閉運動在垂直面上相位差，該指標對聲帶麻痹非常敏感。CI增高見于聲帶麻痹、白斑、癌等。

接觸冪微擾（CIP）是指相鄰振動周期間接觸冪的變化量，若聲帶在振動周期內(nèi)漸閉相和漸開相對稱性好，則聲帶振動有規(guī)律，CIP較小。CIP增高見于聲帶息肉、小結(jié)、白斑及癌。

4 電聲門圖的應用

4.1 電聲門圖臨床應用

4.1.1 正常人的電聲門圖 正常人的電聲門圖呈現(xiàn)有規(guī)律的類正弦光滑曲線，曲線由閉合相和開放相組成，其中閉合相由漸閉相（關(guān)閉段）和漸開相（分離段）組成。開放、關(guān)閉周期呈規(guī)律性；聲帶閉合比開放快（圖2）。

圖2 正常人電聲門圖

4.1.2 聲帶息肉 與息肉大小、基底寬窄有關(guān)，聲帶小息肉患者的電聲門圖波形為閉合相縮短，呈尖峰狀，偶有雙峰，開放相稍延長（圖3）；聲帶大息肉波形為峰頂變寬且扁平，并出現(xiàn)雙峰（圖4）；廣基息肉波形為開放相陡直，波峰平坦（圖5）；帶蒂小息肉CQ、F0值降低；帶蒂大息肉CQ 升高，F(xiàn)0 值降低；廣基息肉CQ、F0值升高，shimmer值異常；其中聲帶息肉的波形具有特異性，CQ 值較靈敏［13］?；颊咝g(shù)前jitter、shimmer和NNE值異常，術(shù)后有明顯降低，2周后聲音恢復正常［14］。

圖3 聲帶帶蒂小息肉患者電聲門圖

圖4 聲帶帶蒂大息肉患者電聲門圖

圖5 聲帶廣基息肉患者電聲門圖

4.1.3 聲帶小結(jié) 聲帶小結(jié)引起聲門閉合不徹底，開放時則因聲帶黏膜彈性彈起而使接觸時間延長，在電聲門圖上表現(xiàn)為閉合相縮短，開放相延長，且有切跡、毛刺和波峰平坦（圖6）；jitter、shimmer、NNE值均異常，接觸時間（contact phase，CP）升高。jitter、shimmer和嗓音障礙嚴重程度指數(shù)（dysphonia severity index，DSI）指標［15］可用于喉顯微手術(shù)微創(chuàng)切除聲帶小結(jié)效果評估。

圖6 聲帶小結(jié)患者電聲門圖

4.1.4 聲帶腫瘤 電聲門圖波形曲線呈現(xiàn)鋸齒狀改變，波峰低矮，閉合相及開放相均不對稱，出現(xiàn)雙峰（圖7）。jitter、shimmer、NNE 值均異常，CIP 值增大。中晚期喉癌患者喉環(huán)狀軟骨上部分切除環(huán)舌骨吻合術(shù)（supracricoid partial laryngectomy－cricohyoidopexy，SCPL－CHP）手術(shù)后言語發(fā)聲重建效果評估，可以長期觀察jitter、shimmer和NNE 指標［16］。

圖7 聲帶腫瘤患者電聲門圖

4.1.5 聲帶麻痹 因聲帶為非對稱性振動，波形表現(xiàn)為非對稱性的移動波，且曲線呈扁平狀，開放相明顯延長（圖8）。CQ 減少，CI、CQP及CIP增大。

圖8 聲帶麻痹患者電聲門圖

4.1.6 聲帶白斑 電聲門圖波形因白斑多少及部位不同而形態(tài)各異，大多與聲帶小息肉波形相似（圖9）。jitter、shimmer、NNE 值均異常，CQP、CIP 值增大。

圖9 聲帶白斑患者電聲門圖

4.1.7 聲帶局部肥厚 聲帶肥厚多見于聲帶的中段，使聲帶生理特征發(fā)生改變，造成與聲帶振動密切相關(guān)的jitter與shimmer升高，同時由于聲門關(guān)閉不完全，NNE值較高［15］。

4.1.8 男聲女調(diào) 患者在接受發(fā)聲訓練后，可通過電聲門圖儀對發(fā)聲矯治效果進行客觀評估。經(jīng)過發(fā)聲訓練后，F(xiàn)0、CQ 明顯下降［16］。

4.1.9 聲帶囊腫 電聲門圖波形表現(xiàn)為漸開相有切跡或陡直，漸閉相有切跡。jitter、shimmer 和HNR 異常。手術(shù)后EGG 多數(shù)回歸正常［17］。

4.1.10 功能性發(fā)聲障礙 肌緊張性發(fā)聲障礙患者jitter、shimmer數(shù)值升高，NNE在正常范圍，而聲譜圖高頻區(qū)諧波不規(guī)則、斷裂、消失或不平穩(wěn)、抖動，噪聲成分增多等［18］。

4.1.11 吞咽障礙 正常人在吞咽開始后，喉上提與咽收縮一致，阻抗增大，電聲門圖有一尖銳直立波。正常電聲門圖多為2～3相，吞咽障礙時出現(xiàn)直立波潛伏期延長、波形經(jīng)過時間延長、出現(xiàn)多相波（大于等于5相）。但由于特定肌肉的潛伏期、波幅尚無正常值，一次檢查不能做定量分析；而且有主觀干擾及運動偽跡存在，所以尚不能廣泛應用于臨床。

4.1.12 帕金森言語障礙 帕金森言語障礙患者的jitter升高，HNR、F0降低，且不受疾病時間和強度影響，術(shù)后這些指標有所改善，可用于臨床腦卒中患者言語障礙的診治和康復效果評價。

4.2 電聲門圖在嗓音學研究中的潛在應用 隨著藝術(shù)類人才培養(yǎng)需要，可以引入電聲門圖儀對藝術(shù)嗓音信號進行分析，得到藝術(shù)嗓音評估指標，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法得出一個客觀的平均分數(shù)，與主觀聽感知評估結(jié)果具有較好一致性。藝術(shù)嗓音評價指標與電聲門圖評估指標不一致，王修信、王建群等提出了一系列的評估指標［19，20］，其中一個很重要的指標是共振峰頻率。但究竟哪些指標更適合對藝術(shù)嗓音進行評估，有待更多學者進一步研究。

5 小結(jié)

電聲門圖儀是一種具有無創(chuàng)、客觀、可量化指標等特點的喉科檢測手段，由于它采用測量聲門阻抗變化的手段檢測，也具有一定的局限性。首先是缺乏直觀性，不能提供可視化圖像，無法了解病變的部位、大小、形態(tài)，需要借助其他設備來確診，比較適合一些無法使用侵入式檢查手段的患者，如三歲以下兒童。針對一些學術(shù)上尚有爭議的指標，需要借助更多其它的手段來輔助論證，力求更加科學。對于電聲門圖儀電極作用于聲帶振動過程中許多理論（喉內(nèi)的電場分布、聲帶振動時的電場擾動、聲門圖靈敏度分布、微音效應、聲帶振動模型等）目前研究還不夠深入，需要更多的學者關(guān)注。

嗓音的形成是一種復雜的多維現(xiàn)象，單憑電聲門圖數(shù)據(jù)無法全面評價發(fā)聲功能正?；虍惓?，臨床上常與喉鏡檢查配合使用。因此電聲門圖的可視化研究日益迫切，與纖維喉鏡配合，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過圖像快速定位病灶位置，并進一步探討電聲門圖特異性，將對喉科的研究和喉疾病診斷起重要作用。同時與臨床醫(yī)生配合，在電聲門圖檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上引入治療手段，將形成檢測、治療于一體的體系。另外，藝術(shù)嗓音評價也是今后電聲門圖應用發(fā)展一個重要領(lǐng)域，可為藝術(shù)嗓音訓練效果評價、人才選拔提供一種客觀的評價手段。

1 萬明習，燕金元，程敬之.聲門圖信號特征及其數(shù)字處理［J］.中國醫(yī)療器械雜志，1990（01）：1.

2 Baken RJ，Orlikoff RF.Clinical measurement of speech and voice［M］.2nd Revised edition edition，Thomsoni Singular Publishing Group Inc，2002.216～227.

3 王蓓，楊玉芳，呂士楠.漢語韻律層級結(jié)構(gòu)邊界的聲學分析［J］.聲學學報，2004，29：29.

4 Rothenberg MJ，Mashie JJ.Monitoring vocal fold abduction through vocal fold contact area［J］.Journal of Speech and Hearing Research，1988，31：338.

5 Henrich N，d’Alessandro C，Doval B，et al.On the use of the derivative of electroglottographic signal for characterization of nonpathological［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2004，115：1 321.

6 Herbst C，Sten T.A comparison of different methods to measure the EGG contact quotient［J］，Logopedics Phoniatrics Vocology，2006，31：126.

7 Krausert CR，Olszewski AE，Taylor LN，et al.Mucosal wave measurement and visualization techniques［J］.Journal of Voice，2011，25：395.

8 Kasuya H，Ogawa S，Mashima K，et al.Normalized noise energy as an acoustic measure to evaluate pathologic voice［J］.The Journal of the Acoustical Society，1986，80：1 329.

9 鄒原，萬明習，牛海軍，等.嗓音源諧波噪聲獨立分量分離估計方法［J］.聲學學報，2001，26：521.

10 王迪，付強，楊琳，等.基于人耳聽覺模型的自動嗓音評估方法［J］.物理學報，2008，57.

11 王修信，胡維平，梁冬冬，等.基于小波變換的相對信噪比在喉疾病檢測中的意義［J］.聽力學及言語疾病雜志，2002，10：225.

12 Bouzid A，Ellouze N.Open quotient measurements based on multiscale product of speech signal wavelet transform［M］.NY，United Stated：Hindawi Publishing Corporation，2007.5～12.

13 方紅雁.電聲門圖在喉部疾病及嗓音聲學研究中的應用［J］.聽力學及言語疾病雜志，2002，10：60.

14 周紅宇，屈季寧.嗓音聲學分析和電聲門圖在聲帶息肉手術(shù)療效評估中的應用［J］.武漢大學學報（醫(yī)學版），2008，29：660.

15 許倩，陳磊，趙運華，等.聲帶小結(jié)患者顯微手術(shù)前后嗓音聲學分析［J］.聽力學及言語疾病雜志，2012，20：113.

16 叢林海，何曉光，李玉曉，等.喉環(huán)狀軟骨上部分切除－環(huán)舌骨吻合術(shù)治療中晚期喉癌及發(fā)聲功能重建效果研究［J］.聽力學及言語疾病雜志，2011，19：26.

17 劉睿清，林建云.聲帶小結(jié)及聲帶局部肥厚患兒嗓音聲學及電聲門圖分析［J］.聽力學及言語疾病雜志，2007，15：318.

18 陳佳媚，杜建群，楊寶琦.青春期后持續(xù)性假聲發(fā)聲矯治前后的電聲門圖變化［J］.中國中西醫(yī)結(jié)合耳鼻咽喉科雜志，2010，18：226.

19 魏春生，王薇，陳小玲.聲帶囊腫顯微喉鏡手術(shù)前后的電聲門圖評估［J］.中國臨床醫(yī)學，2004，11：95.

20 徐潔潔，陸美萍，陳曦，等.肌緊張性發(fā)聲障礙的臨床特征及嗓音聲學評估［J］.聽力學及言語疾病雜志，2008，16：462.

21 王修信，徐國鈺，梁冬冬，等.藝術(shù)嗓音歌聲客觀評價初探［J］.聽力學及言語疾病雜志，2007，15：372.

22 王建群，高下，劉曉宙，等.藝術(shù)嗓音中不同唱法的元音共振峰研究［J］.臨床耳鼻咽喉頭頸外科雜志，2008，22：679.