基于ISTS言語信號的助聽器質控方法研究

郝燁，王利，李澍，李佳戈

1.中國食品藥品檢定研究院 醫療器械檢定所，北京 100050；2.霍丁格必凱（蘇州）電子測量技術有限公司，北京 100040

引言

助聽器是一種用來放大聲音、補償聽力損失的有源類醫療器械。通過把原本聽不到的聲音信號加以放大，再利用聽障者的殘余聽力，使聲音能送到大腦聽覺中樞，從而使聽障者感覺到聲音[1]，主要由傳聲器、放大器、耳機、電源和音量調節裝置五部分組成。助聽器作為重要的聽力輔助醫療器械，對聽力受損患者的意義重大，直接關系到患者的身心健康[2-3]。近年來我國老齡人口規模呈上升趨勢，為了提升老年人生活質量，解決聽力受損問題，唯一的解決途徑就是助聽器[4]。因此對于助聽器性能的測試評價，是確保助聽器行業健康發展的關鍵因素。

助聽器行業發展迅速，目前主流的助聽器產品多為非線性壓縮數字式助聽器，具有言語增強、降噪等附加功能[5-7]。但是，國內現行標準對于助聽器的言語識別能力等附加功能的質量控制評價十分有限，助聽器產品上市前質控局限于產品的基本聲學性能，如最大輸出聲壓級、等效輸入噪聲級等[8-10]。助聽器的言語識別效果主要通過患者佩戴后的主觀評價獲得[11-14]。主觀評價雖然能直接反饋患者的佩戴效果，但是僅僅應用主觀評價不僅周期長、成本高，而且評價指標不穩定、難以重復，很難在實驗室評價階段實現。因此，對于助聽器言語識別的客觀評價研究迫在眉睫，本文通過搭建基于言語信號的助聽器測試平臺，研究助聽器言語識別的客觀評價方法，以期解決目前助聽器質控領域無法實現言語刺激下助聽器性能客觀評價的問題，提升助聽器實驗室測試評價的全面性和準確性。

1 基于國際語音測試信號的測試方法

歐洲聽力設備制造商聯合會設計建立了一種國際語音測試信號（International Speech Test Signal，ISTS）[15]。ISTS基于自然語音錄音，自然語音來源于講述六國語言的21位女性。然后將語音分割成片段又重新組合而成。

在使用ISTS進行助聽器特性測試時，主要測試的評價指標分別是長期平均語音頻譜增益（Long Time Averaged Speech Spectrum Gain，LTASS Gain）和百分比聲壓級增益（Percentile Sound Pressure Level Gain，后文簡稱Percentile Gain）[16]。其中LTASS Gain指的是以長時間平均的三分之一倍頻程結果計算的增益，而Percentile Gain指的是基于短時間的百分比聲壓級統計結果的增益。

LTASS Gain反映助聽器產品對言語信號的整體增益情況。考慮正常交談環境下的言語聲音強度，65 dB聲壓級下的助聽器LTASS Gain作為評價助聽器言語識別性能的最重要參數。在80 dB下的LTASS Gain可以代表比較響的語音，如大聲喧嘩；而55 dB下的LTASS Gain代表比較弱的語音，如低聲說話。

Percentile Gain能夠反映言語信號內部結構的放大倍數。語音中的有些成分包含較弱的聲音，譬如語音間隔或呼吸聲。這些安靜成分可用30%聲壓級來表示，65%聲壓級則接近于語音中的中等大小的成分，而最大或接近峰值的成分用99%聲壓級來表示。考慮到言語交談的現實場景，采用65%聲壓級來代表語音中的中等大小能量的成分。

2 基于ISTS言語信號的助聽器測試系統

基于上述分析，搭建了基于ISTS言語信號的助聽器測試系統，系統原理如圖1所示。

圖1 測試系統原理圖

要計算前文提到的兩個關鍵參數，需要分別測量輸入信號和輸出信號，輸入和輸出信號分別來自參考麥克風和助聽器通過耦合腔輸出至測試麥克風的輸出信號。

2.1 測試系統的搭建

該測試系統包括聲學分析儀、功率放大器、仿真嘴、麥克風以及耦合腔，測試系統組成圖，見圖2。其中,聲學分析儀是聲信號的處理和控制單元，主要負責信號接收、信號調制、校準等信號處理和輸出信號的控制等工作；功率放大器用于對聲源信號的功率放大，配合仿真嘴共同搭建了言語聲的發聲裝置；參考麥克風主要用于監控采集測試點的聲源輸入信號；測試麥克風用于采集連接耦合腔的被測助聽器接收的聲信號。

圖2 測試系統組成

2.2 聲源信號的前期處理

原始的ISTS信號包含了復雜的頻率成分，在實際作為聲源輸出時易受到聲源發生裝置及測試環境的影響。因此，在作為測試聲源通過人工嘴揚聲器播放之前需要先在200～8000 Hz范圍內進行聲場均衡，以消除聲場和發聲裝置帶來的影響，改善頻率響應和時域響應[17-18]。然后還需要根據實際測試需要進行聲音信號的幅值校準后再通過揚聲器進行輸出。

本研究在聲場均衡階段采用粉紅噪聲作為測試聲源，通過參考麥克風記錄聲場測試點的頻率響應函數，根據對應的函數設計分頻帶下的帶通濾波器，并進行各個頻段的增益系數計算，進一步將處理后信號進行重新整合經人工嘴揚聲器重新輸出，為后續試驗提供測試聲源信號。

如前文所述，不同聲壓級下的參數測定反映了不同的助聽器使用環境，因此，聲源的聲壓級也是在后續測試中的關鍵可控參數。在聲場均衡后，本系統還將根據后續測試的目標聲壓級進行聲源的聲壓級校準，并自動將校準后的電壓值記錄下來供后續測試調用。

2.3 聲學測試

在接近自由場的測試環境中，本文采用替代法對某一耳背式助聽器的言語識別能力進行測量。首先使用參考麥克風測量輸入信號，然后在相同條件下使用助聽器連接2 cm3耦合腔測量輸出信號。通過計算輸出信號和輸入信號的比值得到LTASS Gain和Percentile Gain。整個聲學測試在消聲箱內進行，現場測試布置，見圖3。

圖3 現場布置圖

3 結果分析

經過上述測試，得到該助聽器在55、65、80 dB 聲壓級下的LTASS Gain和Percentile Gain，其中Percentile Gain分別取30%、65%和99%。圖4表示被測助聽器在55、65、80 dB 聲壓級下的LTASS Gain頻譜圖；圖5～7分別表示被測助聽器在三種聲壓級情況下的Percentile Gain隨頻率變化的情況。

圖4 不同聲壓級下的LTASS Gain

圖5 65 dB聲壓級下的Percentile Gain

圖6 80 dB聲壓級下的Percentile Gain

圖7 55 dB聲壓級下的Percentile Gain

從圖4中LTASS Gain的結果可見，在80 dB聲壓級刺激聲的情況下，助聽器的增益最小，測量最大值為51.2 dB，55 dB聲壓級情況下助聽器增益最大，測量最大值為66.1 dB。通過查閱出廠資料，該助聽器標稱80 dB輸出時產品增益最大值為52 dB，與本次測試結果基本一致。

從圖4結果可見該設備具有自動隨輸入聲壓級調節增益放大倍率的功能，這種自動增益調節功能既滿足了聽障患者聽清楚的目的也有效控制了較大聲源可能損傷患者永久聽力的風險。

從圖5～7中Percentile Gain的結果來看，不同聲壓級下30%和65%的Percentile Gain基本一致，表明該助聽器對于較弱的語音和中等強度的語音增益情況基本相同，而對于語音中較強的部分增益明顯小一些，尤其是在65和80 dB聲壓級輸入下的結果，這種差異更為明顯。這種增益的變化以及前面不同聲壓級下的LTASS Gain變化情況都表明該助聽器為壓縮型助聽器。

4 結論

目前助聽器領域的質控研究主要集中在兩個方面：客觀評價及主觀測聽。客觀評價方法研究目前主要采用恒壓定頻或者恒壓掃頻的純音聲源實現。這種聲源實現方式具有一定局限性，僅能針對助聽器的增益、頻響范圍及諧波失真等基本參數進行評價，無法評價語音識別等功能；主觀測聽領域的研究，基于佩戴者的真耳分析可以協助評價助聽器言語識別情況，但是需要考慮到佩戴者的個體差異和受試者的認知條件等多種限制，無法在實驗室普及應用。

本文基于ISTS類言語信號進行助聽器測試方法研究，對比上述測試方法有顯著的優點。首先，根據真實使用環境下的言語激勵信號對助聽器的增益情況進行測量和評價，能夠在實現助聽器電聲性能實驗室內客觀評價的同時盡量模擬真實使用環境情況，最大限度反映產品的真實性能狀況，實現實驗室環境下對語音識別能力的評價，也避免了主觀測試中對受試者的依賴。其次，響度補償算法、頻率壓縮技術是數字助聽器最常用的語音處理技術[19-20]，通過對百分比聲壓級增益的分析也能夠直觀展示助聽器頻率壓縮技術的實際效果情況，為產品的全面和精準質控提供技術基礎。

本研究完成了基于言語刺激的助聽器測試系統的搭建，通過對耳背式助聽器產品的LTASS Gain和Percentile Gain進行測量，以及對照產品的標稱增益及測量結果，驗證了該系統的可用性，初步實現了實驗室內對助聽器言語反饋的客觀評價。考慮到市場上助聽器產品的結構多樣，除了常用的耳背式助聽器，還應考慮耳內式、定制式等助聽器，本研究后續將進一步對不同類型助聽器進行對比測試，加入不同類型助聽器的傳聲器位置影響因素修正，對該測試系統進行進一步完善和論證，使測試平臺具有更好的普適性，以期為今后的助聽器質控工作和標準制修訂工作提供支持。