帕金森病患者元音声学空间
摘 要： 本文的目的在于通过与正常人对比来分析帕金森病患者元音发音的声学空间。通过提取6名帕金森病人（3男3女）和7名正常人（4男3女）的三个顶点元音/a/、/i/、/u/的F1、F2、F3、基频均值（F0_Mean）、基频标准差（F0_Sd），计算每个被试的元音的发音空间和元音发音指数，并对这些参数进行组内性别差异分析及组间差异分析。经过统计发现，在正常组内，女发音人的VAI显著高于男发音人，而通过组间比较发现，正常组和帕金森组的女发音人在tVSA和VAI上具有显著差异，而正常组和帕金森组的男发音人只在VAI上具有显著差异。
关键词： 帕金森病 语音障碍 元音 声学空间
一、概述
帕金森病（Parkinson’s Disease，PD） 是一个渐进的神经性疾病，由多巴胺产出细胞的损毁造成。它是人类常见的神经退行性疾病之一，其发病率在65岁以上人群的患病率为1.7%，仅次于阿尔茨海默病。
帕金森病患者的临床表现主要包括静止性震颤、运动迟缓、肌强直、姿势步态障碍和构音障碍等症状。其中，构音困难是一个多层面的障碍，影响语音的许多不同方面，如呼吸，嗓音，调音和韵律节奏等。帕金森病患者的发音困难通常会导致语音清晰度的降低。运动学和声学的测量结果表明，帕金森患者由于发音姿势的不到位，会导致语音的不精确发音。此外，一些研究提供了帕金森病人嘴唇、舌头和下巴（所谓的“发音器官”）运动的幅度和速度降低的动力学证据，这可以表征运动功能减退和发音器官僵硬。
从声学研究中得到的证据也支持这一结论，即帕金森患者的发音运动范围缩小导致元音发音受损，突出表现是共振峰受损以及区别性变小。元音的形成主要由舌头、嘴巴和下巴的运动来形成口腔共鸣腔，放大语音频谱的特定的频率带。这些谐波就叫做共振峰。共振峰是由单元音的发音能量的典型特征决定的。这些发音器官的位置决定了发音器官的三维特征也影响着共振峰频率，特别是第一共振峰和第二共振峰（Dromey，Jang，& Hollis，2013；Weismer，Yunusova，& Westbury，2003）。所以，帕金森病患者的发音器官运动受限，导致了元音形成不完整，通常表现为共振峰的高频会变低，而低频会升高。与正常人相比，帕金森患者的元音发音空间应该会变小。
元音空间面积（Vowel Space Area，VSA）是一个被广泛运用于量化元音发音功能的声学参数（e.g.Kraus，& Hayes，2003； Ferguson & Kewley-Port，2007）。传统的VSA是一个二维的F1-F2空音，由顶点元音的第一共振峰和第二共振峰组成。同时，元音描述还可以使用另一个测量方法——元音发音指数（Vowel Articulation Index，VAI），可以被用来作为元音发音变化描述的另一个参数。正常的VAI应该接近于1.0，因为分母中的共振峰频率之和应该近似于分子中共振峰频率之和。因此，VAI可以考虑作为不同发音人元音规范化的重要参数。
本文通过比较正常人和帕金森患者的/a/、/i/、/u/三个元音，考察帕金森患者发音困难的程度。
二、实验方法
1.实验对象
为了抑制性别因素对元音发音的影响，我们分别挑选了三男三女共六名帕金森病被试和四男三女共七名正常组被试。6位帕金森病患者的平均年龄为63.17岁（SD= 5.46），录音时间选在早上服药1小时后，以保证处于开期。同时，正常组被试的年龄在22～28岁之间（mean=24.143，median=24，SD=2.416）。
2.实验材料
本次实验的材料短文《北风与太阳》，该材料被国内外学者广泛应用于语音调查。
3.实验设备
本次实验使用Zoom H4n便携式数码录音机录音，采样率为44100 Hz，采用精度为16 bit，双声道，帕金森病人的录音地点为南京脑科医院安静的病房，正常组被试的录音地点为安静的宿舍。
录音前，先让发音人熟悉录音文本，排除疑难字的读音，并练习几次。录音时，发音人按照文本材料，以正常语速读出。
对获取的语音文件，使用专业语音分析软件Praat进行处理，对数据分析使用SPSS 22.0.
4.实验处理
1）参数提取
本次实验使用基频均值（F0_Mean）、基频标准差（F0_Sd）、元音第一、二共振峰（F1，F2）、元音声学空间面积（tVSA）、元音发音指数（VAI）等参数。参数定义及提取方法如下文所示：
提取录音文件中的单元音/a/、/i/、/u/，共计27个（其中/a/有15个，/i/有8个、/u/有4个）。每一个元音提取F1、F2、F3、F0_Mean以及F0_Sd五个参数，获得每位发音人的/a/、/i/、/u/的平均值后，F1、F2用于计算tVSA和VAI，F■用于元音规整。
声学参数提取具体操作如下：
（1）利用Praat软件，对语音文件进行标注，标注出所有的单元音，并保存成TextGrid文件。同时生成每个WAV文件的Pitch文件。
（2）對Pitch文件进行手动修正。同时观察TextGrid文件和Pitch文件，确认是否有基频点游离于基频曲线正常范围之外，通过增加、删除或移动等方法，修正奇异基频点，以保证数据的准确性。提基频数据时，提取了每个单元音段的基频平均值（F0_Mean），以及各个单元音的基频标准差（F0_Sd）。
（3）基于WAV文件，生成Formant文件，并根据此文件提取共振峰数据。为了避免前后音节对共振峰的影响，只提取每个单元音音节中间60%的共振峰的平均值，由此得到F1、F2、F3。
2）数据处理
用文本合并器将Praat生成词语的数据文件合并，然后导入Excel文件中进行处理。在Excel文件中将各个被试三个元音数据分开，然后对不同发音的不同元音数据进行分别处理。
（1）音高数据的转化
提取到的基频值是以Hz为单位，但这种线性刻度不利于比较不同发音人的数据，难以得出规律性的结论，并且不符合人耳对音高的听感。近年来，大都采用半音值（Semi tone，st）进行归整，可以比较不同发音人音高方面的差异。因此，我们需要把基频值转换为半音值。基频值转化为半音值的公式是：
F（st）=12*log2（F0/Fref）
其中F（st）代表的是半音值，F0代表的是以Hz为单位的基频值，我们将Fref设为50Hz。
（2）tVSA与VAI的计算
tVSA的计算：
a=■
b=■
c=■
p= （a+b+c）/2
tVSA=■
VAI的计算：
VAI=（F■/i/+F■/a/）/（F■/i/+F■/u/+F■/u/+F■/a/）.
（3）元音的规整
从发音角度来看，男女声道长度的差异会影响男女元音发音。为了去除性别的差异，Nordstrom & Lindblom （1975）对总体声道长度差异造成的共振峰差异进行了规整。
发音人声道的长度很难直接测量。NL规整利用该语言中所有第一共振峰大于 600Hz 的元音的第三共振峰值，来间接推算男女发音人的声道长度比率 k。公式如下：
K=F3 mav/F3 fav
其中 F3 mav和 F3 fav分别是男女第三共振峰的均值。然后以k来规整女发音人所有共振峰数据，公式如下：
Fn fsc=k*Fn f
其中n代表第n个共振峰。
三、数据分析
我们根据F1、F2数据，绘制出正常组和帕金森组被试的元音声学图，如图1、2所示。根据该图所示，我们可以发现，帕金森组被试/a/，/i/，/u/构成的元音空间，比正常组被试的元音空间更小，元音之间的区分度更小，这说明了帕金森病会导致患者舌头灵活度下降，从而使元音空间变小。
进行T检验之前，先对数据进行独立检验和正态性检验，分析结果显示，tVSA，VAI，F0_Mean（st）和F0_Sd等因素在组别（帕金森组/正常人组）和性别上都是相互独立的，且基本满足正态分布要求，符合T检验的要求。帕金森被试和正常组被试各元音空间参数的统计均值如表1所示：
随后，我们利用SPSS，对数据进行独立样本的T检验，分别考察性别和组别对元音声学空间的影响。
图1 帕金森组元音声学空间（红色为男性，绿色为女性）
图2 正常组元音声学空间（红色为女性，绿色为男性）
表1 正常组与帕金森组的元音空间参数统计结果
1.性别差异分析
在正常组内，性别在基频均值、基频标准差上均具有显著性差异（t=13.382，P<0.001；t=5.582，P<0.001）。其中女发音人的基频均值和标准差（25.128 st、11.816 st）均显著高于男发音人（17.614 st、6.3783 st）。
在帕金森组内，性别在基频均值、基频标准差上也具有显著性差异（t=20.497，P<0.001；t=3.167，P=0.002）。其中女发音人的基频均值和标准差（23.974 st、8.369 st）也均显著高于男发音人（15.884 st、5.490 st）。
虽然在正常组内，性别在tVSA上的差异性不显著（t=3.545，P=0.66）。但是女发音人的发音空间面积（439264.55 Hz2）仍然大于男发音人（144924.94 Hz2）；而性别在VAI上的差异显著（t=3.578，P=0.016）。女发音人的元音发音指数（0.989）高于男发音人（0.865）。
在帕金森组内，性别在tVSA上同样没有显著性差异（t=2.116，P=0.102）。女发音人的发音空间面积（168905.90Hz2）大于男发音人（85714.84 Hz2）；在VAI上，女发音人的元音发音指数（0.841）高于男发音人（0.768），但也不具有显著差异（t=1.957，P=0.122）。
以正常组的数据进行分析，可以发现tVSA和VAI有着极高的相关性（R=0.965，P<0.001）。并且，F2与F0_Mean（st）也有着显著的相关性，但相关性很弱（R=0.194，P=0.008）。
以帕金森组的数据进行分析，可以发现tVSA和VAI有着极高的相关性（R=0.906，P=0.013）。并且，F2与F0_Mean（St）也有着显著相关性（R=0.354，P<0.001）。
2.组间差异分析
正常组和帕金森组的女发音人在基频均值、基频标准差上均具有显著性差异（t=2.168，P=0.032；t=2.974，P=0.003）。其中，正常组女发音人的基频均值和标准差（25.128st、11.816st）均显著高于帕金森组女发音人（23.974st、8.369 st）。
正常组和帕金森组的男发音人在基频均值上具有显著差異（t=3.926，P<0.001）。正常组男发音人的基频均值（17.614 st）要显著高于帕金森组男发音人（15.884 st）。而男发音人在基频标准差上没有显著差异（t=1.326，P=0.187），但正常组男发音人的基频标准差（6.378 st）也高于帕金森组男发音人（5.490 st）。
正常组和帕金森组的女发音人在tVSA和VAI上也具有显著差异（t=3.121，P=0.035；t=3.150，P=0.035）。帕金森组女发音人的tVSA和VAI（168905.90 Hz2；0.841）均显著低于正常组女发音人（439264.55 Hz2；0.989）。
正常组和帕金森组的男发音人在VAI上具有显著差异（t=3.889，P=0.012）。帕金森组男发音人的VAI（0.768）显著低于正常组男发音人（0.865）。而男发音人在tVSA上并没有显著差异（t=2.110，P=0.089），但帕金森组男发音人的tVSA（85714.84 Hz2）还是低于正常组男发音人（144924.95 Hz2）。
四、讨论与总结
帕金森病人的发音问题在此之前已有不少学者进行过研究，例如不恰当的塞音发音和语速。从元音发音上来说，帕金森病发音人的元音共振峰范围和元音发音空间均明显减小，这大概是因为发音器官的运动功能减退。元音的发音空间可以由三个顶点元音/a/、/i/、/u/的第一共振峰和第二共振峰的关系来测算tVSA来得到。但是，这个测量标准似乎对轻度的构音障碍并不那么敏感，有一点的随机变化性。本实验的目的之一也在于比较tVSA和VAI，因为它们都与三个顶点元音/a/、/i/、/u/有关，可以测试只有轻微构音障碍的帕金森病人元音发音的亚临床变化和保留言语清晰度的能力。
一些运用传统的tVSA测量方法的研究没能发现正常人组和运动性言语障碍的患者之间的显著差异（McRae et al.，2002； Skodda et al.，2011； Turner & Tjaden，2000； Weismer et al.，2001）。例如，Weismer et al.（2001）发现正常人组与帕金森组的tVSA并没有显著的统计学差异，尽管他们的言语可懂度评分有显著差异。这也说明，传统的tVSA可能不太适合用于捕捉一些轻微的差异。
在这个实验中，与正常对照组相比，帕金森病女发音人的tVSA有着显著的减小，而这一变化在男发音人身上并没有十分显著。反之，VAI似乎更适用于测量帕金森病人和正常人之间的差异。受损的元音发音是帕金森病人言语清晰度受限的一个重要的决定性因素，但是，即使是那些只有轻微构音障碍的帕金森病人，也可以发现VAI变小。
有研究表明，发音器官的僵硬和运动功能减退，可以通过构音障礙等一系列可观察的异常情况表现出来，例如言语韵律障碍和言语呼吸功能障碍的各个方面。
这个实验也存在许多的不足之处。tVSA和VAI并不能完全代表帕金森病人元音发音的特殊的异常情况。也没有对病人的元音发音进行深入的感知分析去发现它的亚临床变化。同时，作为对照组的发音人也不是与帕金森病人年龄相应的老人，所以结论可能有所出入。但是，通过实验我们发现VAI比tVSA更适合于探测元音发音的轻微变化，因此可能更适用于早期帕金森病人受损元音发音的客观测量。
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