電焊噪聲雨滴掩蔽作用的腦響應(yīng)研究

劉佳航，蔡 俊，張仲偉，郁倪帥，傅 萌，汪 陽(yáng)

(1.上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院 附屬瑞金醫(yī)院 放射科，上海200025)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)的工業(yè)企業(yè)和工程數(shù)量呈現(xiàn)了極為迅猛的上升。隨之而來(lái)的工業(yè)噪聲污染成為在崗工人職業(yè)病傷害的直接誘因，因此工業(yè)噪聲的防范治理得到了國(guó)家和企業(yè)的一致重視。工業(yè)噪聲污染對(duì)人體有著多方面的影響，不僅可導(dǎo)致聽覺器官受損，還會(huì)造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)失衡，誘發(fā)心血管疾病，造成消化系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)功能失調(diào)等一系列后果。通常，對(duì)于工業(yè)噪聲的治理主要是在分析噪聲源特性，背景噪聲和噪聲敏感點(diǎn)特性的基礎(chǔ)上，采用以隔聲、吸聲和消聲相結(jié)合的降噪措施，對(duì)工業(yè)噪聲進(jìn)行針對(duì)性治理。但是，對(duì)于電焊噪聲這種工位獨(dú)立、直接作用的工業(yè)噪聲，其污染廣度和危害程度不容忽視，而且傳統(tǒng)的降噪措施難以取得效果。經(jīng)調(diào)查，長(zhǎng)期暴露在電焊噪聲環(huán)境下的工人，65 %聽力下降，68 %出現(xiàn)失眠，健忘等癥狀[1]。為此，針對(duì)無(wú)法直接治理的電焊噪聲采用聲掩蔽的方法來(lái)提高工人主觀感受成為必然。

目前，國(guó)內(nèi)外已有研究應(yīng)用聲掩蔽技術(shù)來(lái)改善主觀感受。L.Brocolini[2]等開展了聲源對(duì)任務(wù)績(jī)效和認(rèn)知負(fù)荷影響的研究，證明了可理解的語(yǔ)音與其他聲音源如無(wú)法理解的語(yǔ)音、電話鈴聲和打印機(jī)相比，對(duì)在連續(xù)記憶任務(wù)期間的被試表現(xiàn)有著顯著影響。在改善噪聲污染的聲學(xué)環(huán)境的方法研究中，R?dsten-Ekman等[3]通過(guò)研究添加水聲音對(duì)道路交通噪聲的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)缆方煌ㄔ肼曉黾恿肆钊擞淇斓乃晻r(shí)，整體愉悅度增加。T.M.Leung[4]等的研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)在高水平的道路交通噪聲中增加水聲，可以改善聲學(xué)環(huán)境的質(zhì)量，且流體聲音能夠緩和噪音煩惱的能力比噴泉聲音略強(qiáng)。用餐空間中的背景噪聲由4 種類型的聲源組成，包括一般背景音樂，語(yǔ)音，活動(dòng)聲音和機(jī)械噪聲。其中，背景音樂，其他食客的言語(yǔ)聲音和餐具的影響聲音對(duì)食客的聲學(xué)舒適度評(píng)價(jià)具有主導(dǎo)作用。Xi Chen[5]等分析了各種獨(dú)立聲源影響食客在背景噪音中的聲學(xué)舒適度評(píng)估，結(jié)果表明，聲學(xué)舒適度評(píng)價(jià)對(duì)食客對(duì)整體環(huán)境的舒適度評(píng)價(jià)有影響，相關(guān)系數(shù)為0.509(P＜0.01)；背景噪聲是影響食客舒適度評(píng)估的重要因素，相關(guān)系數(shù)為0.587(P＜0.01)。Yusuke Hioka[6]用時(shí)間反轉(zhuǎn)語(yǔ)音對(duì)聲音進(jìn)行掩蔽，研究其對(duì)煩惱度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將人造混響添加到類似言語(yǔ)的掩蔽聲音對(duì)于降低煩人度同時(shí)保持原始掩蔽聲音的掩蔽效果具有顯著效果；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，添加人造混響可以降低由掩蔽聲音引起的注意力分散程度。綜上可見，聲掩蔽作為一種新型的噪聲控制技術(shù)在工業(yè)降噪中具有巨大的應(yīng)用前景。但是，聲掩蔽作用的主觀感受改善是如何實(shí)現(xiàn)的，這方面未見報(bào)道。為此，本研究的目的是通過(guò)功能性磁共振（fMRI）技術(shù)對(duì)正常聽力受試對(duì)象在接收掩蔽前后噪聲信號(hào)的刺激下腦部激活響應(yīng)區(qū)域的變化進(jìn)行分析，從客觀生理上探究聲掩蔽作用降低主觀煩惱度的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 研究對(duì)象

正常年輕志愿者19例，其中男10例，女9例，年齡17 歲－32 歲，平均年齡(24.5±7.5)歲，均為上海交通大學(xué)在校大學(xué)生，身體健康，右利手，無(wú)幽閉恐懼癥，沒有神經(jīng)心理疾病史，語(yǔ)言功能正常。

首先，采用Oscilla SM910-B 聽力篩選儀對(duì)受試者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)純音聽閾測(cè)試，測(cè)試地點(diǎn)為隔音測(cè)聽室，刺激范圍為125 Hz～8 000 Hz，聽閾上限為20 dB。經(jīng)測(cè)試，參與本研究的所有受試者均具有正常聽力。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

本研究所采用的電焊噪聲信號(hào)是從工地實(shí)測(cè)得到，掩蔽噪聲信號(hào)是對(duì)從音頻網(wǎng)站下載的雨滴聲和電焊噪聲分別截取聲音均衡穩(wěn)定的片段，通過(guò)MATLAB 軟件合成得到的wav 格式的音頻文件[7]。實(shí)驗(yàn)中使用組塊設(shè)計(jì)(block design)方法[8]，每個(gè)組塊包括聲音刺激和空白對(duì)照兩部分，各30 秒，反復(fù)循環(huán)3 次。在正式聲音開始前，有9 秒空白掃描，掃描時(shí)間共持續(xù)189秒。每個(gè)志愿者在電焊噪聲信號(hào)和電焊噪聲雨滴掩蔽信號(hào)序列刺激下的腦響應(yīng)數(shù)據(jù)被采集。

在進(jìn)行磁共振掃描前，所有受試者均在聽取實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法介紹后簽署知情同意書。受試者佩戴可以有效減少磁共振掃描噪聲的磁共振專用耳機(jī)(Sensimetrics-14)和隔聲耳罩[9-10]后仰臥，頭部用軟海綿墊固定于頭部線圈內(nèi)以減少受試者在掃描中的頭部運(yùn)動(dòng)。在掃描期間，要求受試者始終聽取耳機(jī)中的聲音，保持身體靜止不動(dòng)，閉上眼睛，并且保持清醒。為了避免信號(hào)強(qiáng)弱對(duì)掩蔽效果的影響，磁共振實(shí)驗(yàn)聲信號(hào)耳內(nèi)播放的等效連續(xù)A 聲級(jí)均為80 dB(A)。

1.3 磁共振掃描

磁共振掃描采用飛利浦3T 超導(dǎo)MR 系統(tǒng)進(jìn)行。對(duì)每個(gè)受試者進(jìn)行T1加權(quán)三維梯度回波序列(GRE)序列及BOLD 技術(shù)進(jìn)行功能成像，47 層連續(xù)掃描以覆蓋全腦。

實(shí)驗(yàn)的刺激信號(hào)的播放和腦響應(yīng)的fMRI 掃描被設(shè)置為同時(shí)開始，以利于后續(xù)數(shù)據(jù)分析的進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究通過(guò)SPM8 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析。數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟包括：

①時(shí)間層校正。

②頭動(dòng)校正，不采用三維平移超過(guò)1 mm，三維旋轉(zhuǎn)超過(guò)1°的樣本[11]，本實(shí)驗(yàn)無(wú)被排除的被試。

③空間標(biāo)準(zhǔn)化到蒙特利爾(Montreal neurological institute，MNI)標(biāo)準(zhǔn)腦模板(分辨率3 mm×3 mm×3 mm)；

④進(jìn)行高斯平滑，半高寬(FWHM)設(shè)置為(6×6×6)mm3以消除高頻噪聲。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，對(duì)符合要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用單樣本t 檢驗(yàn)，依據(jù)整個(gè)時(shí)間序列，針對(duì)每個(gè)受試者及每個(gè)電焊噪聲及其掩蔽噪聲信號(hào)刺激數(shù)據(jù)進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn)(one sample t-test)，得到每組受試者平均激活信號(hào)(激活范圍閾值設(shè)置為15 個(gè)體素)，P＜0.01 認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[12]。最終得到相對(duì)應(yīng)的全腦圖像所得到具有顯著意義的區(qū)域通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)腦的結(jié)構(gòu)像可獲得電焊噪聲及其掩蔽噪聲信號(hào)刺激時(shí)腦功能變化的腦激活區(qū)圖像。同時(shí)，根據(jù)AAL 分區(qū)(Anatomical Automatic Labeling)得到每個(gè)功能激活區(qū)的解剖定位。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究首先對(duì)電焊噪聲信號(hào)和電焊噪聲雨滴掩蔽信號(hào)分別刺激下的大腦響應(yīng)進(jìn)行研究，分析其激活腦區(qū)的分布情況；然后對(duì)電焊噪聲雨滴掩蔽前后的激活腦區(qū)進(jìn)行差異性統(tǒng)計(jì)分析，最終得到對(duì)電焊噪聲雨滴掩蔽作用顯著性正相關(guān)的大腦響應(yīng)區(qū)域。

2.1 電焊噪聲的腦響應(yīng)分析

電焊噪聲信號(hào)刺激下的大腦皮層響應(yīng)分布見圖1和表1。

從表1中可以看出，受試者在受到電焊噪聲信號(hào)刺激時(shí)，除了負(fù)責(zé)聽覺處理和語(yǔ)義分析的顳葉區(qū)、負(fù)責(zé)軀體感覺的中央后回被大量激活以外，扣帶回和額上回也有大量激活。其中，扣帶回被認(rèn)為與各種抑郁癥和焦慮癥有十分密切的聯(lián)系。Bush.G 等研究發(fā)現(xiàn)扣帶回是調(diào)節(jié)錯(cuò)誤消極性情感和動(dòng)機(jī)的重要腦部區(qū)域[13]。

表1 電焊噪聲腦部激活區(qū)

當(dāng)受試者受到電焊噪聲刺激時(shí)，煩惱感受提高，扣帶回區(qū)域的血液流量上升，物質(zhì)代謝水平的提高，從而被顯著激活。

2.2 雨滴聲掩蔽電焊噪聲的腦部激活研究

電焊噪聲雨滴掩蔽信號(hào)刺激下的大腦皮層響應(yīng)分布見圖2和表2。

表2 雨滴聲掩蔽的電焊噪聲腦部激活區(qū)

圖1 電焊噪聲刺激下的大腦皮層響應(yīng)分布圖(紅色區(qū)域表示為激活的區(qū)域，圖中數(shù)字表示不同的Z坐標(biāo)數(shù)值)

圖2 電焊噪聲雨滴掩蔽信號(hào)刺激下的大腦皮層響應(yīng)分布圖(紅色區(qū)域表示為激活的區(qū)域，圖中數(shù)字表示不同的Z坐標(biāo)數(shù)值)

從表2中可以看出，受試者在接受經(jīng)過(guò)雨滴掩蔽的電焊噪聲刺激時(shí)，枕上回和邊緣葉扣帶回也有大量激活。有研究表明，邊緣葉與認(rèn)知功能和情感處理功能的大量激活有關(guān)。Papez等[14]提出的Papez環(huán)路中證明了邊緣葉在情緒和情感體驗(yàn)過(guò)程中，以及記憶，感覺等感知活動(dòng)中重要作用。李玉成等[15]發(fā)現(xiàn)邊緣葉的激素分泌和活動(dòng)對(duì)于人的情緒感知，處理和認(rèn)知過(guò)程具有重大影響。

此外，距狀裂周圍皮層的激活被認(rèn)為與視覺刺激及長(zhǎng)期記憶有關(guān)[16]。但由于實(shí)驗(yàn)采用眼罩避免了視覺刺激的影響，因此作者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中音頻的循環(huán)刺激喚起了受試者對(duì)雨滴自然聲的記憶，從而激活了該腦區(qū)的活動(dòng)。

由表1、表2可知，掩蔽前后的均激活的腦區(qū)為扣帶回，其是調(diào)節(jié)錯(cuò)誤消極性情感和動(dòng)機(jī)的重要腦區(qū)[13]，說(shuō)明在兩個(gè)聲刺激下大腦均有消極情緒及處理相應(yīng)情緒的腦活動(dòng)產(chǎn)生，而掩蔽后扣帶回激活體素（16）約為掩蔽前激活體素一半（31），說(shuō)明掩蔽聲與扣帶回的激活強(qiáng)度的下降相關(guān)，由此可得掩蔽聲可以降低噪聲刺激產(chǎn)生的消極情緒。此外，從腦區(qū)功能來(lái)看，掩蔽前激活腦區(qū)主要負(fù)責(zé)聽覺處理、語(yǔ)義分析和軀體感覺，掩蔽后激活腦區(qū)則主要負(fù)責(zé)記憶出力、認(rèn)知調(diào)整及情緒調(diào)整，可見相比于在噪聲原聲刺激，掩蔽噪聲更多地激發(fā)了具有相應(yīng)調(diào)整功能的腦區(qū)，間接證明了聲掩蔽作用的主觀降噪效果。

由于受試者在接受雨滴掩蔽電焊噪聲刺激時(shí)，雨滴掩蔽聲一定程度上降低了被試者的煩惱度，涉及到了認(rèn)知功能和情感處理功能腦區(qū)的響應(yīng)，此外，循環(huán)刺激的音頻構(gòu)成設(shè)計(jì)加強(qiáng)了這一腦區(qū)激活程度，從而使得邊緣葉出現(xiàn)了較大的激活程度。

2.3 掩蔽前后的比較研究

從上述影像學(xué)圖像上可以看出，雨滴掩蔽電焊噪聲前后所激活的大腦功能區(qū)具有明顯的差異性。為此，采用SPM 和REST 軟件進(jìn)行了電焊噪聲雨滴掩蔽前后大腦功能區(qū)響應(yīng)的差異性分析，依次導(dǎo)入掩蔽前、后數(shù)據(jù)組進(jìn)行組間差異分析，由此得到掩蔽后與掩蔽前腦區(qū)激活差異數(shù)據(jù)。雨滴聲掩蔽電焊噪聲前后的大腦激活差異腦區(qū)的激活大小、體素大小及MNI坐標(biāo)如表3所示。

表3 電焊噪聲雨滴掩蔽前后引起顯著差異的腦區(qū)

若T值為正數(shù)，則代表差值為正，即前一組數(shù)據(jù)激活強(qiáng)度大于后一組，反之亦然，論文中T值均為正值，即掩蔽后激活強(qiáng)度均強(qiáng)于掩蔽前。大腦皮層對(duì)電焊噪聲雨滴聲掩蔽前后的腦功能激活圖的差異對(duì)比見圖3。

圖3 電焊噪聲雨滴掩蔽前后顯著差異的腦響應(yīng)區(qū)域

從表3中可知，相比于電焊噪聲刺激，受試者在接受經(jīng)過(guò)雨滴掩蔽后的電焊噪聲信號(hào)刺激時(shí)，執(zhí)行認(rèn)知功能、思維和知覺方式、信息的記憶和回憶、解決問(wèn)題以及情緒的大腦前額葉皮層被顯著激活，這與掩蔽效應(yīng)提高了受試者的主觀感受有直接聯(lián)系。經(jīng)調(diào)查，前額葉皮層在信息和情緒控制方面具有重要作用。Reiman等的研究表明，前額葉區(qū)可能參與處理愉快與不愉快的情感場(chǎng)景[17]。項(xiàng)愛齋等在對(duì)受試者進(jìn)行音樂刺激時(shí)的fMRI研究發(fā)現(xiàn)，前額葉皮層在情緒加工中具有重要作用[18]。另外，小腦在電焊噪聲掩蔽后的刺激下也有部分區(qū)域被激活。

上述電焊噪聲雨滴掩蔽前后的腦區(qū)響應(yīng)差異性分析可知，雨滴聲對(duì)電焊噪聲的掩蔽作用使得電焊噪聲的刺激得到了直接的緩和，主觀煩惱情緒被聽到自然聲的愉悅和放松修飾、中和。一方面，這些主觀感受的改善要通過(guò)情緒調(diào)節(jié)的相關(guān)腦區(qū)活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；另一方面，進(jìn)行情緒調(diào)節(jié)的相關(guān)腦區(qū)活動(dòng)也間接證明了聲掩蔽作用的主觀降噪效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用功能性磁共振（fMRI）技術(shù)開展了雨滴聲掩蔽電焊噪聲的腦響應(yīng)研究，通過(guò)對(duì)電焊噪聲及其雨滴掩蔽信號(hào)的腦區(qū)激活數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在電焊噪聲刺激下激活的腦區(qū)主要位于兩側(cè)顳葉、中央后回、扣帶回和額上回，在電焊噪聲雨滴掩蔽信號(hào)刺激下則明顯激活了邊緣葉和枕上回。研究還對(duì)電焊噪聲雨滴掩蔽前后激活腦區(qū)進(jìn)行了差異性分析，結(jié)果表明掩蔽作用可能使與情緒、認(rèn)知、情節(jié)記憶等相關(guān)的前額葉區(qū)顯著激活。由此可見，聲掩蔽作用通過(guò)直接影響情緒處理相關(guān)腦區(qū)的激活程度，改變了人腦響應(yīng)，從而間接映射了心理感受的改變。

聲掩蔽作用不以降低噪聲物理能量為目的，因此具有成本低、設(shè)計(jì)靈活，見效直接等優(yōu)點(diǎn)，為噪聲污染治理提出了一種嶄新且有效的實(shí)際手段。但由于噪聲信號(hào)的復(fù)雜性，以及聲感受的不客觀性，聲掩蔽技術(shù)的研究存在一定的局限性。隨著腦科學(xué)成像技術(shù)的不斷發(fā)展，視覺、聽覺、味覺、感覺、語(yǔ)言以及記憶等方面在人類大腦皮層中如何感知與表達(dá)，已經(jīng)成為了科學(xué)家一直在探索的腦科學(xué)問(wèn)題。因此，交叉研究成為當(dāng)今腦科學(xué)研究的熱點(diǎn)。本研究初步探索了雨滴聲掩蔽電焊噪聲的大腦皮層響應(yīng)狀態(tài)，為探索人類大腦皮層對(duì)聲掩蔽作用的響應(yīng)變化規(guī)律提供了一定依據(jù)，但有關(guān)的機(jī)制有待進(jìn)一步深入研究。