骨傳導(dǎo)技術(shù)及其應(yīng)用

呂磊 綜述 王福源 樊永良 審校

骨傳導(dǎo)技術(shù)及其應(yīng)用

呂磊1綜述 王福源1樊永良2審校

骨傳導(dǎo)是聲音通過(guò)人體骨骼傳導(dǎo)的現(xiàn)象，能夠有效防止環(huán)境噪聲的干擾；能夠和空氣傳導(dǎo)結(jié)合形成獨(dú)特的聽(tīng)覺(jué)環(huán)境；可以利用其聽(tīng)障人士助聽(tīng)等。目前國(guó)外已有骨傳導(dǎo)耳機(jī)，也已將骨傳導(dǎo)應(yīng)用于手機(jī)接聽(tīng)，以方便在有環(huán)境噪聲干擾的場(chǎng)合下使用。但是國(guó)內(nèi)這方面的研究起步較晚，相關(guān)的報(bào)道較少，本文通過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外骨傳導(dǎo)技術(shù)的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用等進(jìn)行綜述，旨在促進(jìn)此技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)初，人們認(rèn)為人耳可聽(tīng)到的最高聲音頻率為24 k Hz。1950年，Pumphrey［1］首次報(bào)道了人通過(guò)骨傳導(dǎo)可以感知到頻率高達(dá)120 k Hz的超聲，骨傳導(dǎo)因此也被稱(chēng)為“超聲骨傳導(dǎo)”（bone－conducted ultrasound，簡(jiǎn)稱(chēng)BCU）。目前關(guān)于BCU原理的了解尚不是很深入，但是多年的研究已經(jīng)獲得若干確定的結(jié)論：①人們通過(guò)骨傳導(dǎo)感知到的聲音音調(diào)和實(shí)際的頻率沒(méi)有直接關(guān)系，其感覺(jué)就好像在聽(tīng)8～16 k Hz的空氣傳導(dǎo)聲一樣［2］；②BCU屏蔽10～14 k Hz的空氣傳導(dǎo)聲音［3］；③BCU的動(dòng)態(tài)范圍小于氣傳導(dǎo)聲［4］；④由于骨傳導(dǎo)不占用耳道，所以聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)可以同時(shí)感受到骨傳導(dǎo)和氣傳導(dǎo)獲得的聲音［5］。

國(guó)內(nèi)早就有關(guān)于骨傳導(dǎo)研究的報(bào)道。如2002年錢(qián)宇虹等［6］對(duì)空氣和骨傳導(dǎo)聽(tīng)性腦干反應(yīng)（auditory brainstem response，ABR）測(cè)試做了研究，指出其對(duì)新生兒感音神經(jīng)性聾的檢出及小耳畸形患者聽(tīng)力水平的測(cè)定有較大臨床意義，還能為傳導(dǎo)性或混合性聽(tīng)力損失的鑒別診斷及蝸后病變的定位診斷提供依據(jù)。張帆等［7］采用聽(tīng)性穩(wěn)態(tài)反應(yīng)（auditory steadystate response，ASSR）測(cè)試比較了骨振器在不同位置的骨導(dǎo)反應(yīng)閾，旨在找到便于臨床操作的骨振器放置位置。

早期的研究主要集中在利用骨傳導(dǎo)做聽(tīng)力有關(guān)的臨床診斷，骨傳導(dǎo)技術(shù)常常應(yīng)用于鑒別神經(jīng)性聾和傳導(dǎo)性聾。另外，Martin等［8］利用骨傳導(dǎo)超聲實(shí)現(xiàn)了對(duì)耳鳴進(jìn)行掩蔽治療。1998年Hosoi等［9］將ASSR應(yīng)用于骨傳導(dǎo)的傳導(dǎo)機(jī)制研究，他以聽(tīng)力正常人為研究對(duì)象，用頻率為1 k Hz和2 k Hz的空氣傳導(dǎo)純音以及由1 k Hz和2 k Hz的純音做了幅度調(diào)制后的超聲作激勵(lì)，分別觀(guān)察兩者誘發(fā)磁場(chǎng)波峰的等效電流偶極子（electric current dipole，ECD），結(jié)果表明兩者的ECD都位于聽(tīng)覺(jué)皮層，而且位置十分靠近。他們對(duì)嚴(yán)重的耳聾患者做了同樣的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)53名患者中有28名可以感知到超聲激勵(lì)，其中11名還可以識(shí)別不同的語(yǔ)音調(diào)制超聲。這些結(jié)果均表明，聽(tīng)力正常的人和部分有聽(tīng)障的人都可以感知到語(yǔ)音調(diào)制后的超聲。此外，Hosoi等的研究還證明了骨傳導(dǎo)超聲激勵(lì)于人腦的聽(tīng)覺(jué)皮層，為將骨傳導(dǎo)超聲應(yīng)用于助聽(tīng)領(lǐng)域提供了依據(jù)［9］。

雖然在原理方面還沒(méi)有獲得突破性的進(jìn)展，但是已經(jīng)有人做了大量實(shí)驗(yàn)，用以比較骨導(dǎo)和氣導(dǎo)的效果。Gripper等［10］在有多人談話(huà)噪聲的環(huán)境下，在信噪比分別為6、9和12 d B的情況下，由12個(gè)聽(tīng)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較骨導(dǎo)和氣導(dǎo)的效果。結(jié)果表明，氣導(dǎo)的效果比骨導(dǎo)好；在不同的信噪比下，聽(tīng)者的數(shù)字和字母識(shí)別率呈現(xiàn)非常大的差異，在6 d B信噪比下為最好。

賈天竺等［11］對(duì)顴骨傳導(dǎo)信號(hào)接收做了實(shí)驗(yàn)，給出了環(huán)境噪聲為62 dB下，各個(gè)年齡段和不同性別的受試者的聽(tīng)閾實(shí)驗(yàn)圖。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，骨傳導(dǎo)聽(tīng)覺(jué)的最敏感區(qū)在800～2 500 Hz。董慧艷等［12］記錄了22名聽(tīng)力正常青年人骨導(dǎo)腦干電反應(yīng)，觀(guān)察骨振蕩器不同位置放置的影響，結(jié)果顯示，高強(qiáng)度刺激時(shí)，每一受試者均可記錄到清晰、穩(wěn)定的波；骨振蕩器放置在耳后鼓竇區(qū)時(shí)，反應(yīng)振幅高、閾值低、分化好，同、對(duì)側(cè)記錄波振幅及潛伏期差異極小。

2 骨導(dǎo)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

與氣導(dǎo)相比，骨導(dǎo)有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以避免攙雜在空氣中的噪聲，在戰(zhàn)爭(zhēng)和很多需要有較強(qiáng)抗噪能力的場(chǎng)合有重要的應(yīng)用價(jià)值；②骨導(dǎo)和氣導(dǎo)是兩個(gè)獨(dú)立的路徑，因此可以營(yíng)造獨(dú)特的聽(tīng)覺(jué)環(huán)境，使人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)可以同時(shí)感受到兩個(gè)不同聲源的聲音；③骨傳導(dǎo)的頻率范圍很寬，可以利用這一特點(diǎn)改善高頻段的聲音品質(zhì)，使聲音的頻域得以拓寬；④有些嚴(yán)重的耳聾患者依然具有感知骨傳導(dǎo)聲音的能力，因此，有可能通過(guò)骨導(dǎo)給予助聽(tīng)［13］。

雖然骨傳導(dǎo)有上述優(yōu)勢(shì)，但是由于目前對(duì)其原理尚不夠了解，所以也存在諸多的問(wèn)題。主要有：①目前所研究的傳導(dǎo)路徑基本上都是將聲源置放于人體的顱骨，對(duì)很多應(yīng)用并不方便；②接聽(tīng)骨導(dǎo)聲源的方便程度遠(yuǎn)不能和氣導(dǎo)相比［13］；③從已有的研究看，骨傳導(dǎo)傳遞聲音的能力（包括靈敏度和質(zhì)量）尚不能和空氣傳導(dǎo)比擬；④人體本身在骨傳導(dǎo)過(guò)程中對(duì)語(yǔ)音頻率成分的影響尚不十分清楚；⑤骨傳導(dǎo)可以通過(guò)直接傳遞超聲或者通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理中的“頻率搬移”方法，將氣導(dǎo)的聲音搬移到超聲的范圍內(nèi)作傳遞［14］，目前對(duì)于頻率搬移的研究尚不夠充分。

3 骨導(dǎo)在助聽(tīng)方面的應(yīng)用

在應(yīng)用性產(chǎn)品得以開(kāi)發(fā)之前，一個(gè)重要的工作是利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)做必要的測(cè)試和傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，以得到關(guān)于傳輸性能、頻率特性、語(yǔ)聲處理方法等方面的重要依據(jù)。通常的做法是把常規(guī)的聲音頻率利用計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)處理的方法“搬移”到超聲范圍，然后傳輸?shù)铰?tīng)者的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)。利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以對(duì)各種頻率變換、調(diào)制方式等做出必要的數(shù)據(jù)比較。由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的重要性，因此平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和平臺(tái)實(shí)驗(yàn)的研究也是骨導(dǎo)研究的一個(gè)重要方面，很多實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用了電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成果。

羅怡珊等［14］研究了骨導(dǎo)的助聽(tīng)機(jī)制和頻率的轉(zhuǎn)換算法，作者分別計(jì)算了單耳骨導(dǎo)超聲激勵(lì)和單耳骨導(dǎo)音頻激勵(lì)在頭內(nèi)形成的聲場(chǎng)，結(jié)果表明：骨導(dǎo)超聲可同時(shí)激勵(lì)雙耳耳蝸，且傳導(dǎo)能力優(yōu)于骨導(dǎo)音頻激勵(lì)。以此得出結(jié)論認(rèn)為，骨導(dǎo)超聲助聽(tīng)效果比骨導(dǎo)音頻助聽(tīng)效果好。盡管在骨導(dǎo)助聽(tīng)方面已經(jīng)有了比較多的研究工作，但是實(shí)際上能夠付諸應(yīng)用的產(chǎn)品并不多見(jiàn)。據(jù)報(bào)道，日本產(chǎn)業(yè)綜合研究所研制的骨導(dǎo)超聲助聽(tīng)器可以使40%以上的嚴(yán)重耳聾患者感知到聲音，17%的嚴(yán)重耳聾患者識(shí)別語(yǔ)音［15］。目前植入式骨導(dǎo)助聽(tīng)器有美國(guó)產(chǎn)Audiant和瑞典產(chǎn)的BAHA，優(yōu)點(diǎn)是可消除聲反饋，聲音傳遞效率高，外耳道無(wú)堵塞感，適用于老年和兒童先天性或后天性傳導(dǎo)性聾與感音神經(jīng)聾而又不能經(jīng)耳顯微外科手術(shù)矯治者［16］。日本TEAC（第一音響）公司2007年發(fā)布了HP－F100 Filltune耳機(jī)，該耳機(jī)將聲音的振動(dòng)施加于人體的皮膚和骨頭，將其直接傳達(dá)到內(nèi)耳（耳蝸）而使其直接感受到聲音。由于不使用鼓膜感應(yīng)聲音，有輕度聽(tīng)障者或者是因?yàn)槟挲g增加而對(duì)高音有聽(tīng)覺(jué)障礙的老人也可以享受較高的音質(zhì)［17］。

4 骨導(dǎo)在其他方面的應(yīng)用

骨導(dǎo)能夠有效抵御環(huán)境噪聲的特點(diǎn)不但可以應(yīng)用在助聽(tīng)設(shè)備，還可以在戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境、日常通信等方面得到應(yīng)用。目前已經(jīng)有多款骨導(dǎo)手機(jī)面世，例如東芝A5529T、泛泰A1407PT、三洋電機(jī)的TS41等，這種免手持的手機(jī)除了可以防止環(huán)境噪聲的干擾，同時(shí)對(duì)駕車(chē)通話(huà)的安全性很有幫助。利用骨導(dǎo)頻域較寬的特點(diǎn)，可以開(kāi)發(fā)出高音質(zhì)的耳機(jī)。如TEAC公司的HP－F200耳機(jī)提高了高頻段的重放性能，最大輸出功率可達(dá)2.8W×2。

5 結(jié)語(yǔ)

作為醫(yī)學(xué)和電子學(xué)的交叉學(xué)科，骨導(dǎo)已經(jīng)顯示出了獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。已經(jīng)有不少利用骨導(dǎo)原理的產(chǎn)品問(wèn)世，并且在不斷探索新的應(yīng)用領(lǐng)域，如煤礦的通信［18］、對(duì)講耳機(jī)、多聲源同時(shí)聽(tīng)取的研究等。由于其原理和性能尚須進(jìn)一步探索，所以目前的應(yīng)用開(kāi)發(fā)尚不夠成熟。隨著電子和醫(yī)學(xué)兩方面的理論和技術(shù)的進(jìn)步，骨導(dǎo)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛和成熟。

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3 Nishimura T，Nakagawa S，Sakaguchi T，et al.Ultrasonic masker clarifiese ultrasonic perception in man［J］.Hear Research，2003，175：171.

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12 董慧艷，李敏，殷善開(kāi)，等.聽(tīng)力正常青年人骨傳導(dǎo)腦干電反應(yīng)測(cè)試及骨振蕩器不同位置放置對(duì)其影響［J］.耳鼻咽喉頭頸外科，1995，1：15.

13 朱曉峰.骨導(dǎo)技術(shù)及在信息通信中的應(yīng)用［J］.電信技術(shù)，2008，54：18.

14 羅怡珊，汪源源，徐峰，等.骨傳導(dǎo)超聲與骨傳導(dǎo)音頻的特性比較［J］.生命科學(xué)儀器，2007，05：51.

15 羅怡珊，汪源源，王威琪.骨傳導(dǎo)超聲助聽(tīng)技術(shù)的研究［J］.國(guó)際生物醫(yī)學(xué)工程雜志，2006，28：361.

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18 氏家英明，滑川正朗，杉本直樹(shù)，等.櫪洞礦的骨傳導(dǎo)通信系統(tǒng)［J］.國(guó)外金屬礦，1995，05：22.

（2010－06－01收稿）

（本文編輯 周濤）

10.3969／j.issn.1006－7299.2011.01.028

R764

A

1006－7299（2011）01－0085－02

1 鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院（鄭州 450052）； 2 鄭州大學(xué)西亞斯國(guó)際學(xué)院