帕金森病患者元音聲學空間

丁馨

摘 要： 本文的目的在于通過與正常人對比來分析帕金森病患者元音發音的聲學空間。通過提取6名帕金森病人（3男3女）和7名正常人（4男3女）的三個頂點元音/a/、/i/、/u/的F1、F2、F3、基頻均值（F0_Mean）、基頻標準差（F0_Sd），計算每個被試的元音的發音空間和元音發音指數，并對這些參數進行組內性別差異分析及組間差異分析。經過統計發現，在正常組內，女發音人的VAI顯著高于男發音人，而通過組間比較發現，正常組和帕金森組的女發音人在tVSA和VAI上具有顯著差異，而正常組和帕金森組的男發音人只在VAI上具有顯著差異。

關鍵詞： 帕金森病 語音障礙 元音 聲學空間

一、概述

帕金森病（Parkinsons Disease，PD） 是一個漸進的神經性疾病，由多巴胺產出細胞的損毀造成。它是人類常見的神經退行性疾病之一，其發病率在65歲以上人群的患病率為1.7%，僅次于阿爾茨海默病。

帕金森病患者的臨床表現主要包括靜止性震顫、運動遲緩、肌強直、姿勢步態障礙和構音障礙等癥狀。其中，構音困難是一個多層面的障礙，影響語音的許多不同方面，如呼吸，嗓音，調音和韻律節奏等。帕金森病患者的發音困難通常會導致語音清晰度的降低。運動學和聲學的測量結果表明，帕金森患者由于發音姿勢的不到位，會導致語音的不精確發音。此外，一些研究提供了帕金森病人嘴唇、舌頭和下巴（所謂的“發音器官”）運動的幅度和速度降低的動力學證據，這可以表征運動功能減退和發音器官僵硬。

從聲學研究中得到的證據也支持這一結論，即帕金森患者的發音運動范圍縮小導致元音發音受損，突出表現是共振峰受損以及區別性變小。元音的形成主要由舌頭、嘴巴和下巴的運動來形成口腔共鳴腔，放大語音頻譜的特定的頻率帶。這些諧波就叫做共振峰。共振峰是由單元音的發音能量的典型特征決定的。這些發音器官的位置決定了發音器官的三維特征也影響著共振峰頻率，特別是第一共振峰和第二共振峰（Dromey，Jang，& Hollis，2013；Weismer，Yunusova，& Westbury，2003）。所以，帕金森病患者的發音器官運動受限，導致了元音形成不完整，通常表現為共振峰的高頻會變低，而低頻會升高。與正常人相比，帕金森患者的元音發音空間應該會變小。

元音空間面積（Vowel Space Area，VSA）是一個被廣泛運用于量化元音發音功能的聲學參數（e.g.Kraus，& Hayes，2003； Ferguson & Kewley-Port，2007）。傳統的VSA是一個二維的F1-F2空音，由頂點元音的第一共振峰和第二共振峰組成。同時，元音描述還可以使用另一個測量方法——元音發音指數（Vowel Articulation Index，VAI），可以被用來作為元音發音變化描述的另一個參數。正常的VAI應該接近于1.0，因為分母中的共振峰頻率之和應該近似于分子中共振峰頻率之和。因此，VAI可以考慮作為不同發音人元音規范化的重要參數。

本文通過比較正常人和帕金森患者的/a/、/i/、/u/三個元音，考察帕金森患者發音困難的程度。

二、實驗方法

1.實驗對象

為了抑制性別因素對元音發音的影響，我們分別挑選了三男三女共六名帕金森病被試和四男三女共七名正常組被試。6位帕金森病患者的平均年齡為63.17歲（SD= 5.46），錄音時間選在早上服藥1小時后，以保證處于開期。同時，正常組被試的年齡在22～28歲之間（mean=24.143，median=24，SD=2.416）。

2.實驗材料

本次實驗的材料短文《北風與太陽》，該材料被國內外學者廣泛應用于語音調查。

3.實驗設備

本次實驗使用Zoom H4n便攜式數碼錄音機錄音，采樣率為44100 Hz，采用精度為16 bit，雙聲道，帕金森病人的錄音地點為南京腦科醫院安靜的病房，正常組被試的錄音地點為安靜的宿舍。

錄音前，先讓發音人熟悉錄音文本，排除疑難字的讀音，并練習幾次。錄音時，發音人按照文本材料，以正常語速讀出。

對獲取的語音文件，使用專業語音分析軟件Praat進行處理，對數據分析使用SPSS 22.0.

4.實驗處理

1）參數提取

本次實驗使用基頻均值（F0_Mean）、基頻標準差（F0_Sd）、元音第一、二共振峰（F1，F2）、元音聲學空間面積（tVSA）、元音發音指數（VAI）等參數。參數定義及提取方法如下文所示：

提取錄音文件中的單元音/a/、/i/、/u/，共計27個（其中/a/有15個，/i/有8個、/u/有4個）。每一個元音提取F1、F2、F3、F0_Mean以及F0_Sd五個參數，獲得每位發音人的/a/、/i/、/u/的平均值后，F1、F2用于計算tVSA和VAI，F■用于元音規整。

聲學參數提取具體操作如下：

（1）利用Praat軟件，對語音文件進行標注，標注出所有的單元音，并保存成TextGrid文件。同時生成每個WAV文件的Pitch文件。

（2）對Pitch文件進行手動修正。同時觀察TextGrid文件和Pitch文件，確認是否有基頻點游離于基頻曲線正常范圍之外，通過增加、刪除或移動等方法，修正奇異基頻點，以保證數據的準確性。提基頻數據時，提取了每個單元音段的基頻平均值（F0_Mean），以及各個單元音的基頻標準差（F0_Sd）。

（3）基于WAV文件，生成Formant文件，并根據此文件提取共振峰數據。為了避免前后音節對共振峰的影響，只提取每個單元音音節中間60%的共振峰的平均值，由此得到F1、F2、F3。

2）數據處理

用文本合并器將Praat生成詞語的數據文件合并，然后導入Excel文件中進行處理。在Excel文件中將各個被試三個元音數據分開，然后對不同發音的不同元音數據進行分別處理。

（1）音高數據的轉化

提取到的基頻值是以Hz為單位，但這種線性刻度不利于比較不同發音人的數據，難以得出規律性的結論，并且不符合人耳對音高的聽感。近年來，大都采用半音值（Semi tone，st）進行歸整，可以比較不同發音人音高方面的差異。因此，我們需要把基頻值轉換為半音值。基頻值轉化為半音值的公式是：

F（st）=12*log2（F0/Fref）

其中F（st）代表的是半音值，F0代表的是以Hz為單位的基頻值，我們將Fref設為50Hz。

（2）tVSA與VAI的計算

tVSA的計算：

a=■

b=■

c=■

p= （a+b+c）/2

tVSA=■

VAI的計算：

VAI=（F■/i/+F■/a/）/（F■/i/+F■/u/+F■/u/+F■/a/）.

（3）元音的規整

從發音角度來看，男女聲道長度的差異會影響男女元音發音。為了去除性別的差異，Nordstrom & Lindblom （1975）對總體聲道長度差異造成的共振峰差異進行了規整。

發音人聲道的長度很難直接測量。NL規整利用該語言中所有第一共振峰大于 600Hz 的元音的第三共振峰值，來間接推算男女發音人的聲道長度比率 k。公式如下：

K=F3 mav/F3 fav

其中 F3 mav和 F3 fav分別是男女第三共振峰的均值。然后以k來規整女發音人所有共振峰數據，公式如下：

Fn fsc=k*Fn f

其中n代表第n個共振峰。

三、數據分析

我們根據F1、F2數據，繪制出正常組和帕金森組被試的元音聲學圖，如圖1、2所示。根據該圖所示，我們可以發現，帕金森組被試/a/，/i/，/u/構成的元音空間，比正常組被試的元音空間更小，元音之間的區分度更小，這說明了帕金森病會導致患者舌頭靈活度下降，從而使元音空間變小。

進行T檢驗之前，先對數據進行獨立檢驗和正態性檢驗，分析結果顯示，tVSA，VAI，F0_Mean（st）和F0_Sd等因素在組別（帕金森組/正常人組）和性別上都是相互獨立的，且基本滿足正態分布要求，符合T檢驗的要求。帕金森被試和正常組被試各元音空間參數的統計均值如表1所示：

隨后，我們利用SPSS，對數據進行獨立樣本的T檢驗，分別考察性別和組別對元音聲學空間的影響。

圖1 帕金森組元音聲學空間（紅色為男性，綠色為女性）

圖2 正常組元音聲學空間（紅色為女性，綠色為男性）

表1 正常組與帕金森組的元音空間參數統計結果

1.性別差異分析

在正常組內，性別在基頻均值、基頻標準差上均具有顯著性差異（t=13.382，P<0.001；t=5.582，P<0.001）。其中女發音人的基頻均值和標準差（25.128 st、11.816 st）均顯著高于男發音人（17.614 st、6.3783 st）。

在帕金森組內，性別在基頻均值、基頻標準差上也具有顯著性差異（t=20.497，P<0.001；t=3.167，P=0.002）。其中女發音人的基頻均值和標準差（23.974 st、8.369 st）也均顯著高于男發音人（15.884 st、5.490 st）。

雖然在正常組內，性別在tVSA上的差異性不顯著（t=3.545，P=0.66）。但是女發音人的發音空間面積（439264.55 Hz2）仍然大于男發音人（144924.94 Hz2）；而性別在VAI上的差異顯著（t=3.578，P=0.016）。女發音人的元音發音指數（0.989）高于男發音人（0.865）。

在帕金森組內，性別在tVSA上同樣沒有顯著性差異（t=2.116，P=0.102）。女發音人的發音空間面積（168905.90Hz2）大于男發音人（85714.84 Hz2）；在VAI上，女發音人的元音發音指數（0.841）高于男發音人（0.768），但也不具有顯著差異（t=1.957，P=0.122）。

以正常組的數據進行分析，可以發現tVSA和VAI有著極高的相關性（R=0.965，P<0.001）。并且，F2與F0_Mean（st）也有著顯著的相關性，但相關性很弱（R=0.194，P=0.008）。

以帕金森組的數據進行分析，可以發現tVSA和VAI有著極高的相關性（R=0.906，P=0.013）。并且，F2與F0_Mean（St）也有著顯著相關性（R=0.354，P<0.001）。

2.組間差異分析

正常組和帕金森組的女發音人在基頻均值、基頻標準差上均具有顯著性差異（t=2.168，P=0.032；t=2.974，P=0.003）。其中，正常組女發音人的基頻均值和標準差（25.128st、11.816st）均顯著高于帕金森組女發音人（23.974st、8.369 st）。

正常組和帕金森組的男發音人在基頻均值上具有顯著差異（t=3.926，P<0.001）。正常組男發音人的基頻均值（17.614 st）要顯著高于帕金森組男發音人（15.884 st）。而男發音人在基頻標準差上沒有顯著差異（t=1.326，P=0.187），但正常組男發音人的基頻標準差（6.378 st）也高于帕金森組男發音人（5.490 st）。

正常組和帕金森組的女發音人在tVSA和VAI上也具有顯著差異（t=3.121，P=0.035；t=3.150，P=0.035）。帕金森組女發音人的tVSA和VAI（168905.90 Hz2；0.841）均顯著低于正常組女發音人（439264.55 Hz2；0.989）。

正常組和帕金森組的男發音人在VAI上具有顯著差異（t=3.889，P=0.012）。帕金森組男發音人的VAI（0.768）顯著低于正常組男發音人（0.865）。而男發音人在tVSA上并沒有顯著差異（t=2.110，P=0.089），但帕金森組男發音人的tVSA（85714.84 Hz2）還是低于正常組男發音人（144924.95 Hz2）。

四、討論與總結

帕金森病人的發音問題在此之前已有不少學者進行過研究，例如不恰當的塞音發音和語速。從元音發音上來說，帕金森病發音人的元音共振峰范圍和元音發音空間均明顯減小，這大概是因為發音器官的運動功能減退。元音的發音空間可以由三個頂點元音/a/、/i/、/u/的第一共振峰和第二共振峰的關系來測算tVSA來得到。但是，這個測量標準似乎對輕度的構音障礙并不那么敏感，有一點的隨機變化性。本實驗的目的之一也在于比較tVSA和VAI，因為它們都與三個頂點元音/a/、/i/、/u/有關，可以測試只有輕微構音障礙的帕金森病人元音發音的亞臨床變化和保留言語清晰度的能力。

一些運用傳統的tVSA測量方法的研究沒能發現正常人組和運動性言語障礙的患者之間的顯著差異（McRae et al.，2002； Skodda et al.，2011； Turner & Tjaden，2000； Weismer et al.，2001）。例如，Weismer et al.（2001）發現正常人組與帕金森組的tVSA并沒有顯著的統計學差異，盡管他們的言語可懂度評分有顯著差異。這也說明，傳統的tVSA可能不太適合用于捕捉一些輕微的差異。

在這個實驗中，與正常對照組相比，帕金森病女發音人的tVSA有著顯著的減小，而這一變化在男發音人身上并沒有十分顯著。反之，VAI似乎更適用于測量帕金森病人和正常人之間的差異。受損的元音發音是帕金森病人言語清晰度受限的一個重要的決定性因素，但是，即使是那些只有輕微構音障礙的帕金森病人，也可以發現VAI變小。

有研究表明，發音器官的僵硬和運動功能減退，可以通過構音障礙等一系列可觀察的異常情況表現出來，例如言語韻律障礙和言語呼吸功能障礙的各個方面。

這個實驗也存在許多的不足之處。tVSA和VAI并不能完全代表帕金森病人元音發音的特殊的異常情況。也沒有對病人的元音發音進行深入的感知分析去發現它的亞臨床變化。同時，作為對照組的發音人也不是與帕金森病人年齡相應的老人，所以結論可能有所出入。但是，通過實驗我們發現VAI比tVSA更適合于探測元音發音的輕微變化，因此可能更適用于早期帕金森病人受損元音發音的客觀測量。

參考文獻：

[1]Neel A T.Vowel space characteristics and vowel identification accuracy [J].Journal of Speech Language & Hearing Research，2008，51（3）：574-585.

[2]Forrest K，Weismer G，Turner G S.Kinematic，acoustic，and perceptual analyses of connected speech produced by Parkinsonian and normal geriatric adults[J].Journal of the Acoustical Society of America，1989，85（6）：2608-22.

[3]Canter G J.Speech characteristics of patients with parkinsons disease： articulation，diadochokinesis，and over-all speech adequacy [J].Journal of Speech & Hearing Disorders，1963，28（28）：221-9.

[4]Skodda S，Visser W，Schlegel U.Gender-Related Patterns of Dysprosody in Parkinson Disease and Correlation Between Speech Variables and Motor Symptoms [J].Journal of Voice Official Journal of the Voice Foundation，2011，25（1）：76-82.

[5]S Sapir，L Ramig，J Spielman，C Fox.Acoustic metrics of vowel articulation in Parkinsons disease： Vowel space area （VSA） vs.Vowel articulation index （VAI）[C].Models and analysis of vocal emissions for biomedical applications： 7th international workshop，2011.

[6]Skodda S， Gr？觟nheit W， Schlegel U.Impairment of Vowel Articulation as a Possible Marker of Disease Progression in Parkinsons Disease[J]. Plos One， 2012，7（2）：32132.

[7]Skodda S，Visser W，Schlegel U.Vowel Articulation in Parkinsons Disease [J]. Journal of Voice Official Journal of the Voice Foundation，2011，25（4）：348-369.