骨導(dǎo)麥克風(fēng)在咀嚼運(yùn)動研究中的探索

夏樾，肖丹娜，王璐，高輝

（1.天津醫(yī)科大學(xué)研究生院，天津300070；2.天津市口腔醫(yī)院正畸科，天津300040）

論著

骨導(dǎo)麥克風(fēng)在咀嚼運(yùn)動研究中的探索

夏樾1，肖丹娜2，王璐2，高輝2

（1.天津醫(yī)科大學(xué)研究生院，天津300070；2.天津市口腔醫(yī)院正畸科，天津300040）

目的：應(yīng)用骨導(dǎo)麥克風(fēng)收集正常成人咀嚼運(yùn)動產(chǎn)生的咀嚼音,并對咀嚼音特點(diǎn)進(jìn)行初步探索。方法：隨機(jī)選取均角骨面型的個別正常在校大學(xué)生30名，其中男性13名[平均年齡（26.8±2.1）歲]，女性17名[平均年齡（26.3±1.8）歲]。每人咀嚼4粒熟花生米，每粒花生米重量為（2.24±0.16）g。使用骨導(dǎo)麥克風(fēng)記錄咀嚼音，praat5.4.04軟件收錄錄音樣本wav文件，分析男女兩組音強(qiáng)（MI）、最大音高（MP）差異及MP、MI與咀嚼循環(huán)次數(shù)(MC)和咀嚼時間(MT)之間的相關(guān)性。結(jié)果：男女兩組咀嚼MI、MP，MC和MT差異都不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。咀嚼MC與MT相關(guān)系數(shù)為0.804（P＜0.01），MI和MC、MT相關(guān)系數(shù)分別0.992（P＜0.01）、0.844（P＜0.01），均呈高度正相關(guān)。而MP與MC、MT無相關(guān)性。結(jié)論：咀嚼音強(qiáng)可做為咀嚼運(yùn)動中耗能的參考指標(biāo)；正常成人男女咀嚼音強(qiáng)、最大咀嚼音高無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

骨導(dǎo)麥克風(fēng)；音強(qiáng)；音高；咀嚼運(yùn)動；咀嚼音

口腔的主要功能之一是咀嚼[1]。在對咀嚼運(yùn)動發(fā)聲的研究中，Ingle[2]在1957年最早提出可以用聲音來評價咬合狀態(tài)，隨后Brenman和Hatller[3]以及Watt[4-5]最早使用聲音傳感器收錄受試者咬合運(yùn)動發(fā)出的聲音，主要使用后牙咬合過程聲音振動頻率及振幅變化的換算進(jìn)行評價，并將其做為評測咬合狀況的正式工具。受限于硬件組件、收音設(shè)備和聲學(xué)解析軟件，無法剔除雜散信號獲得完整的聲音信息等，使咬合運(yùn)動的聲學(xué)研究一直有所爭議[8]。骨導(dǎo)麥克風(fēng)最初研制用于助聽及軍事，通過固體直接傳聲，很好地避免了環(huán)境中其他雜音的影響。本研究使用骨導(dǎo)麥克風(fēng)收集成人自然咀嚼過程咀嚼音，使用pratt軟件計(jì)算咀嚼音音強(qiáng)（MI）及音高(MP）。比較音強(qiáng)、音高性別之間的差異，并將其和定量食物自然咀嚼過程中咀嚼循環(huán)次數(shù)（MC）和咀嚼時間（MT）做相關(guān)性研究。初步探索咀嚼運(yùn)動中咀嚼音的變化特點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器 骨導(dǎo)麥克風(fēng)：BONEVIBRATION HEADGEAR（Model：HG17 series）改裝為3.5 mm音頻線接口；音語收集裝置：ZOOM H4N錄音裝置，利用硬件節(jié)點(diǎn)錄制，采樣頻率為8 000 Hz，采樣精度為16 bit，單聲道；咀嚼物：熟花生米，每粒體積大致相似，重量為（2.24±0.16）g；分析軟件:praat5.4.04，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)人文學(xué)院語音科學(xué)研究所。

1.2 研究對象 隨機(jī)選取天津醫(yī)科大學(xué)在校大學(xué)生30名，其中男性13名，平均年齡（26.8±2.1）歲，女性17名，平均年齡（26.3±1.8）歲。受試者為均角骨面型，完整恒牙列，磨牙區(qū)為安氏Ⅰ類咬合。受試者無系統(tǒng)性疾病；頜面部無正頜、外傷治療史；無嚴(yán)重牙列擁擠；口內(nèi)無修復(fù)體；無顳頜關(guān)節(jié)疾病。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 測定環(huán)境選擇 選擇安靜室內(nèi)環(huán)境，將骨導(dǎo)麥克風(fēng)靜置錄音1 min，將錄音wav文件導(dǎo)入praat軟件觀察聲波波形，無明顯波動則選定為試驗(yàn)環(huán)境。1.3.2 數(shù)據(jù)收集方法 受試者端坐，自然頭位，受試前蒸餾水充分含漱，保持錄音時周圍環(huán)境安靜。將骨導(dǎo)麥克風(fēng)固定在受試者頰部顳頜關(guān)節(jié)區(qū)皮膚。受試者閉唇單側(cè)咀嚼熟花生4粒，自咀嚼開始錄音至自然吞咽完成結(jié)束錄音。將錄音wav文件導(dǎo)入praat，通過軟件計(jì)算咀嚼MI、MP，統(tǒng)計(jì)MC與MT。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 用Spss17.0軟件進(jìn)行分析，設(shè)定檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.01。使用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)測試MI、MP、MC、MT 4組數(shù)據(jù)正態(tài)性。使用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較男女兩組的MI、MP差異，使用Pearson分析評測MI、MP、MC、MT之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果

骨導(dǎo)麥克風(fēng)收錄咀嚼音生成wav文件，通過計(jì)算機(jī)導(dǎo)入praat軟件，即可顯示每個聲音樣本的波形圖，如圖1。選取每位受試對象的完整咀嚼過程波形圖，播放音頻并隨時控制暫停，統(tǒng)計(jì)出MC及MT。通過軟件計(jì)算出每個受試對象咀嚼過程中咀嚼音MI和MP。經(jīng)單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)MP、MI、MC、MT 4組數(shù)據(jù)都呈正態(tài)分布。

圖1 wav文件在pratt軟件中生成波形圖Fig 1 The waveform from the wav in pratt

2.1 不同性別間MI、MP、MC和MT差異 不同性別咀嚼音統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1。對男女兩組MI、MP、MC和MT進(jìn)行兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，不同性別間MI、MP、MT、MC的P值大于0.05，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 30例正常成人男女咀嚼音數(shù)據(jù)（s）Tab 1 Chewing sound data of 30 adults（s）

表1 30例正常成人男女咀嚼音數(shù)據(jù)（s）Tab 1 Chewing sound data of 30 adults（s）

女 25.12±7.67 16.22±4.66 1030.44±271.23 1374.14±174.32

2.2 分別比較MI、MP、MC、MT相關(guān)性 由圖2、圖3和圖4的統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖顯示在MI與MT、MI與MC、MT與MC的散點(diǎn)分布分別呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢。使用Pearson分析在P＜0.01水平上對MI、MP、MC、MT進(jìn)行一元線性相關(guān)分析，得出MT與MC相關(guān)系數(shù)r=0.804；MI與MT相關(guān)系數(shù)r=0.992；MI與MC相關(guān)系數(shù)r=0.844，MI與MC、MT之間呈高度正相關(guān)。而MP與MI、MC、MT之間的相關(guān)系數(shù)r分別為0.201、0.194、0.193，無相關(guān)性。

圖2 咀嚼次數(shù)與咀嚼音強(qiáng)散點(diǎn)圖Fig 2 Scatter diagram of MC and MI

圖3 咀嚼時間與咀嚼音強(qiáng)散點(diǎn)圖Fig 3 Scatter diagram of MT and MI

圖4 30例成人咀嚼時間與咀嚼次數(shù)散點(diǎn)圖Fig 4 Scatter diagram of MT and MC

3 討論

學(xué)者們在咀嚼音的前期研究中，常常關(guān)注極短時間或單次咀嚼聲音，以考察力及咬合狀態(tài)的變化[2-5]。1992年 Bagnall等[6]發(fā)現(xiàn)由于收音裝置及數(shù)據(jù)傳輸硬件、聲學(xué)處理軟件、試驗(yàn)條件的限制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的單一等，不認(rèn)為咀嚼中聲音的信號能作為對咬合的研究指標(biāo)。1998年Tyson等[7]對咀嚼中聲音信號的可靠性進(jìn)行研究，認(rèn)為聲音信號可以做為咬合的研究指標(biāo)。由于咀嚼音的研究處于爭議，之后相關(guān)研究較少。2000年P(guān)rinz等[8]在生物工程學(xué)上將咀嚼音做為相關(guān)參考指標(biāo)研究，2008年姜若萍，Tyson等[9]使用咬合音對穩(wěn)定咬合的時間做出研究，此后并無相關(guān)報道。

本研究著力于解決聲音信號的完整及處理爭議，使用骨導(dǎo)麥克風(fēng)及現(xiàn)代聲學(xué)軟件進(jìn)行研究。Pumphrey[10-12]首次提出“超聲骨傳導(dǎo)”的概念，相對于空氣傳導(dǎo)，骨導(dǎo)利用獨(dú)立的傳導(dǎo)路徑和更寬的頻率范圍避免在空氣中的噪聲。在助聽、電子通信以及軍事中已成熟運(yùn)用。咀嚼音是牙體硬組織與固體食物之間的運(yùn)動產(chǎn)生固體聲。固體聲在固體傳播中幾乎沒有衰減且具有純音性[13]，本研究中骨導(dǎo)麥克風(fēng)收集的咀嚼時頜面部軟硬組織傳導(dǎo)的固體音，數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確且收集過程簡單，聯(lián)合現(xiàn)代聲學(xué)研究軟件解決了數(shù)據(jù)處理問題。主要對定量硬質(zhì)食物咀嚼中的能耗變化進(jìn)行了初步研究。

早期由于聲音數(shù)據(jù)軟件的限制，學(xué)者們使用傅立葉轉(zhuǎn)換功率譜計(jì)算音的頻譜變化，用于評測咬合運(yùn)動過程中的穩(wěn)定性、力及錯頜畸形的診斷[14-16]。而對咀嚼運(yùn)動中口頜系統(tǒng)的咀嚼音并無報道。本研究不僅關(guān)注自然咀嚼過程中產(chǎn)生咀嚼音的音高，而且對音強(qiáng)這個基本屬性也做了初步探索。音高反映聲音調(diào)的高低，音強(qiáng)是一種計(jì)量聲音大小的量，描述聲音響度，兩者反映聲波攜帶能量之大小[17]，在固體聲中也同時反映兩固體物質(zhì)撞擊產(chǎn)生的能量大小。所以本研究選擇自然咀嚼過程中的總體音強(qiáng)為咀嚼運(yùn)動中能耗的參考指標(biāo)。音高是固體中分辨聲調(diào)高低的指標(biāo)，固體聲中為單音，所以音高代表固體聲聲頻高低。以往對音主要是對其頻譜變化及衰減的研究，認(rèn)為音高能夠反映力大小[18]，所以本研究選擇最大音高為咀嚼運(yùn)動中力的參考指標(biāo)。Nicolas等[19]使用錄像及圖像分析技術(shù)，研究完整的自然咀嚼過程，發(fā)現(xiàn)MT，MC與肌電高度相關(guān)且可重復(fù)性高。本試驗(yàn)研究了定量食物咀嚼過程中MT、MC的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為0.804，呈高度正相關(guān)，這反映出在定量食物的咀嚼中，咀嚼時間、咀嚼循環(huán)次數(shù)協(xié)同反映食物的咀嚼程度。MT與MC值越大則咀嚼中耗能越大，肌力越強(qiáng)，食物被咀嚼程度越高。MI體現(xiàn)了咀嚼過程中咀嚼音的能耗，在其相關(guān)性檢驗(yàn)中，MT、MC、MI之間相關(guān)性很高，提示咀嚼音的強(qiáng)度指標(biāo)變化與咀嚼運(yùn)動的肌力和耗能緊密相關(guān)。在MI與MT、MC的相關(guān)性研究中，相關(guān)系數(shù)分別為0.992、0.844，呈高度正相關(guān)。這進(jìn)一步提示在咀嚼運(yùn)動過程中，所耗的能量越多，食物被咀嚼的越精細(xì)。MP則代表咀嚼過程中最大力，在其與MI、MC、MT的相關(guān)性研究中，相關(guān)系數(shù)分別為0.201、0.194、0.193，并無相關(guān)性，提示最大力與咀嚼中耗能和食物咀嚼程度并無關(guān)聯(lián)。

對不同性別的MT、MC、MI、MP的差異研究中發(fā)現(xiàn)，男女兩組指標(biāo)差異并無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。可能受測對象都屬于身體狀況正常的青年，且咬合功能良好，因此在自然咀嚼狀態(tài)下對硬質(zhì)食物咀嚼力及耗能并無顯著差異。這一結(jié)論與鄧飛龍等[20]和de Abreu等[21]測量青年人自然咀嚼過程咀嚼能力相同。

本研究在整個試驗(yàn)過程中，使用骨導(dǎo)麥克風(fēng)收集固體音，對咀嚼聲音信號收集完整無損失。收集方法及步驟簡單，可用于臨床環(huán)境。利用現(xiàn)代聲學(xué)軟件，使對聲音信號的處理和數(shù)據(jù)收集變得簡單易操作。在本研究中除了驗(yàn)證傳統(tǒng)的音高指標(biāo)外，同時發(fā)掘了音強(qiáng)指標(biāo)亦可做為研究咀嚼運(yùn)動中能耗的參考指標(biāo)。對于聲學(xué)在咀嚼運(yùn)動中的深入研究，如錯畸形、咀嚼效能的聲學(xué)研究有待我們進(jìn)一步的探尋。

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（2015-10-26收稿）

Study of chewing movement by the bone-conducted microphone

XIA Yue1，XIAO Dan-na2,WANG Lu2，GAO Hui2
（1.Graduate School,Tianjin Medical University,Tianjin 300070,China;2.Department of Orthodontic,Tianjin Stomatolgical Hospital, Tianjin 300040,China）

O bjective：To study the characteristics of the sound of normal hu man masticating recorded by the bone-conducted microphone.Methods：A total of 30 subjects were chosen randomly in the college，13 male and 17 female.The average age of male was (26.8±2.1)years old,and female(26.3±1.8)years old.Four similar volume peanuts masticated by every subject were weighted(2.24±0.16)g. The sound of the subject masticting by the bone-conducted microphone of BONE VIBRATION HEADGEAR was recorded.The masticatory time(MT)and the number of masticatory cycles(MC)were branded by the praat 5.4.04 and the intensity of masticatory sound(MI)and the pitch of masticatory sound(MP)were calculated.The statistic difference and correlation between the male and female and the correlation among MI,MP，MC and MT were analysed.Results：The differences in male and female were not statistical significant(P＜0.05).The correlation coefficient between MI and MT was 0.992(P＜0.01)，between MI and MC 0.844(P＜0.01)，between MT and MC 0.804(P＜0.01).The correlations among MT,MC and MI were significant positive.And there was no correlation between MP and MC,MT.Conclusion：The energy consumption of normal humam masticatory could be reflected by the intensity of masticatory sound.There is no statistic difference between MP and MI in male and female.

bone-conducted microphone；intense of sound；pitch of sound；masticate；chewing sounds

R78

A

1006-8147（2016）02-0144-03

國家臨床重點(diǎn)專科建設(shè)項(xiàng)目（口腔正畸專業(yè)）（國衛(wèi)醫(yī)辦函【2013】544號）

夏樾（1989-），男，碩士在讀，研究方向：口腔正畸學(xué)；通信作者：肖丹娜，E-mail：drxiaodanna@gmail.com。