CSL在异常语音分析中的临床应用与评价
作者：王国民 潘悟云 陈阳 邱蔚六 袁文化
单位：王国民(上海第二医科大学附属第九人民医院唇腭裂中心 200011)；陈阳(上海第二医科大学附属第九人民医院唇腭裂中心 200011)；邱蔚六(上海第二医科大学附属第九人民医院唇腭裂中心 200011)；袁文化(上海第二医科大学附属第九人民医院唇腭裂中心 200011)；潘悟云(上海师范大学应用语言研究所)
关键词：计算机语音工作站；异常语音；评价
口腔颌面外科杂志000301 摘 要：目的 为探索客观有效的异常语音评价方法，应用计算机语音分析系统(CSL)分析各种类型患者的异常语音。方法 8例筛选患者，咽喉摩擦音、先天性腭咽闭合功能不全、腭化构音和正常构音各2例，其中男性4例，女性4例，平均年龄18岁。被检敏感音为/z/、/c/、/s/，直接输入计算机语音工作站，存盘后对音声图像进行定量分析和比较。结果 各种类型语音的音声图像各有其特征，其频谱、辅音起声时间和共振峰各不相同。结论 CSL综合了语图仪和计算机技术，可图像化和定量分析声音，在目前是一种较好的研究手段。
, 百拇医药
中图分类号：R782.2 文献标识码：A 文章编号：1005-4979(2000)03-0189-03
CLINICAL APPLICATION AND EVALUATION IN ANALYSIS
OF ARTICULATION DISORDERS WTH CSL
WANG Guo-min，PAN Wu-yun，CHEN Yang，QIU Wei-liu，YUAN Wen-hua
(Craniofacial Center Shanghai Ninth People's Hospital，Shanghai Second Medical University)
Abstract：Objective The purpose of this study was to explore a more effective and objective evaluation method of articulation disorders by analyzing of abnormal utterance of different types of patients with CSL(Computer Speech Lab).Method 8 patients (4 male，4 female，mean age 18 years) were selected for this study. Of the 8 patients，2 with Chinese pharyngeal fricatives，2 with congenital velopharyngeal insufficiency，2 with Chinese palatalized misarticulation，and 2 with normal articulation. The sensitive utterance studied was /z/，/c/，/s/，which was input into CSL by microphone and saved on disk. The quantitative and comparative analysis of phonetic image was performed.Results The results of this study showed that there was significant difference in phonetic image of every group patients，especialy in spectrum，voice onset time and formants. The phonetic image of Chinese pharyngeal fricative reveals consonants disappear partly and like “horizontal bomb”; the phonetic image of congenital velopharyngeal insufficiency reveals consonants disappear thoroughly and like “horizontal top”; the phonetic image of Chinese palatalized misarticulation reveals consonants and like “spindle”; the phonetic image of normal articulation reveals consonants and voice onset time clearly.Conclusion CSL combined sonograph with computer technology，which can analyze sound quantitatively and visually，was a better instrument of research by now.
, 百拇医药
Key words： CSL; Articulation disorders; Evaluation
语音障碍的患者在临床上近来有日益增多的趋势，尤其是唇腭裂术后的患者几乎都渴望自己能与正常人那样，能说一口吐字清晰的语言。随着现代医学的发展和唇腭裂序列治疗工作的开展和普及，昔日只注重手术为主的传统治疗方法有了很大的改变。在恢复唇腭裂局部解剖畸形的同时也注重尽力改善腭咽闭合功能，国内外同行在临床上就如何评价异常语音方面进行了一些行之有效的探索[1～3]。众所周知，传统的医学检测方法难以客观地认识和评价异常语音的音声特征。因此，国内外此学术领域的研究人员都在积极寻找一种对异常语音检测比较有效的方法，从而真正解决异常语音“只能听，不能看”的难题。本文对腭咽闭合功能不全型和非腭咽闭合功能不全型以及正常语音用计算机语音分析系统(计算机语音工作站，简称CSL)进行了音声分析和评价。
1 材料与方法
, http://www.100md.com
1.1 研究对象
本研究对象是从1999年1月至2000年3月在本中心行语音治疗的患者中筛选而成，以典型的咽喉摩擦音、先天性腭咽闭合功能不全、腭化构音和正常构音各2名，共8名。其中男性4例，女性4例；平均年龄18岁。
1.2 被检音的选择
异常语音的敏感音很多，并受年龄和方言的影响，为了避免这些因素影响本研究的结果，经反复筛选和论证，选择汉语拼音的/z/、/c/、/s/为本研究的被检音。笔者在以往的研究中也发现，无论是腭咽闭合功能不全型还是非腭咽闭合功能不全型，几乎90%以上的异常语音患者存在着/z/、/c/、/s/音声的异常[2]。
1.3 研究方法
按本中心语音专科门诊常规检查后，排除有影响语音分析结果(如感冒，听力障碍等疾患)，嘱患者呈自然状态，经反复练习被检测音后，按以下流程进行被检测音的采样；并用美国KAY公司制(CSL-4300B)和专业配套麦克风进行采样和分析。
, 百拇医药
患者发被检音→麦克风→CSL→保存音声样本→被检测音图像化→检测与定量→评价
2 结果
本组患者异常语音检测结果见附表。
在临床上习惯称之“腭裂语音”(也称腭咽闭合功能不全型异常语音)，但它因所致原因和构音方式不同，其音色特点也完全不一样。本研究结果根据各音声特征，其结果如下：
咽喉摩擦音的辅音部分脱落或以代偿的咽喉摩擦音，元音部分伴鼻音，其异常音声图呈“横炮弹头型”。
先天性腭咽闭合功能不全患者的异常语音辅音完全脱落。异常音声“横陀螺型”之部分伴鼻音。
腭化构音的辅音部分存在，异常语音音声图像似横放的“纺缍锭型”。
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附表 正常构音，不同异常语音的音声物理量 病例
VOT
/Z/
/C/
/S/
F1
F2
F3
F1
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无
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无
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不明显
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有
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无
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C1
无
466
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无
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无
C2
无
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2506
无
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无
N1
有
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N2
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有
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1674
2637
338
1609
2740
349
1563
2689
f:咽喉摩擦音 P：腭化构音 C：先天性腭咽闭合不全 N：正常构音；VOT：辅音起声时间
正常语音的辅音部分清晰可见，辅音起声时间清晰可见，各共振峰的物理量清晰易测，而异常语音的第三共振峰常常可缺失或难以辨认。
, http://www.100md.com
综上所述，CSL能使一闪而过和变化多端的异常语音图像化，从而弥补了传统检测方法难以捕捉到的辅音部分。
3 讨论
长期以来在临床上评价异常语音结果最多的方法是“优、良、中、差”。近来随着科学技术的发展和人民保健意识的提高，这种方法已经远远不能满足临床要求。临床上对语音研究的方法往往集中在对解剖形态的研究，这些研究对阐明异常语音的发生机理能提供一些理论依据，但要阐明异常语音的发生机理尚有困难[4]。国内外众多的学者常用头颅定位片、鼻咽纤维内镜以及软腭造影和气流气压测定仪等方法来检查或评价异常语音。这些方法仅能记录或观察腭咽闭合或舌的动态。然而，值得一提的是：语音病理学的研究范畴很广，而且，异常语音的发生机理或临床表现完全不一。如：脑溢血后遗症的“失语症”和“腭裂语音”完全不同，前者因运动神经障碍，故无论元音和辅音都有问题，有的甚至于连发声都有困难；而后者的异常语音主要表现在辅音。这是由于这些患者因腭咽闭合功能不全(velopharyogeal insufficiency,VPI)或不良构音习惯而产生的异常语音。语音是一个动态的表现，用静态的检测方法几乎不能客观地评价异常语音的特征和表现，它需要有一段时间的记录和比较。本研究的被检音/z/、/c/、/s/无论用鼻咽纤维内窥镜还是软腭造影方法来检测都十分困难。因为：操作仪器者要听到发音后，再按下按钮，然后还需仪器爆光的时间。而辅音的特点是一闪而过，用上述仪器检查的结果往往不是异常的辅音部分。然而这些敏感音又确是临床上最需了解其真象部分的内容，也是急需认识部分。进入80年代，计算机应用技术的引入，弥补了上述检测方法难以实现的内容，并能使“只能听，不能看”的异常语音“图象化，定量化”，为人类能真正了解和认识自己的语音真相起了积极的作用，提供了高科技水准的研究方法和重要的理论依据。
, 百拇医药
CSL在语图仪的基础上，引入计算机技术的优势，它是一种动态音频频谱分析仪，它能把各种声音信号转化为可见图像，使研究者可以从音声图谱来观察声音信号的频率、幅度和时间等物理参量以及它们间的动态关系，从而了解被检测声音信号的声学本质和音声特征。CSL能够直接分析的音声信号可以超出音频范围，并且还具备其他检测功能。CSL由于设计独特和操作方便，所以用途非常广泛。在语音病理方面，CSL可使语音图像化，并可以记录，供分析和定量，有助于对异常语音音声的认识和诊断。由此可见，CSL为国内刚开展的汉语语音病理学的研究和教学提供了其它方法难以替代的高科技手段，使研究汉语语音病理学的水平与国外发达、先进国相接近。
本研究结果示：咽喉摩擦音、腭化构音的音声等图像完全不同，这是因为两者在病因上也完全各异，治疗方法上也就不同的观点也就不难理解，前者需要首先改善腭咽闭合功能后才能进行语音训练，后者可直接进行语音训练。综上所述，两者的语音清晰度不同，在CSL检查结果也不同，这些检查结果用传统的方法几乎难以进行，而在经CSL检测后，使其异常语音的音声特征有了客观的评价结果，无论对频谱，辅音起声时间(voice onset time,VOT)和共振峰都有不同的表现。尤其关于滤波器分辨能力的研究结果示：宽带滤波器的时间分辨能力较高，一般能够分辨持续时间为带音周期数量改变的瞬间幅度变化，所以宽带三维图谱应由一条条垂直于时间轴的、宽度都相当于滤波器时间窗孔的条纹组成。实际上，我们在宽带语图上看到的，带部分的显示还是一条条垂直的声门脉冲，而一般辅音的显示是脉冲直条或乱纹或两者兼有。就灰度来说，这些垂直条纹，在不同的频段有深自浅，构成特定的模式，不同声音显示出不同的模式。对辅音而言，灰度大的频段称之强频区，对元音而言，灰度大的位置形成宽横杠，称为共振峰。这些表现正是分析异常语音所需要的部分和内容，也为客观评价不同异常语音的音声特征提供了重要的理论依据。
, 百拇医药
本研究结果提示现代医学对传统临床医学有了新的要求，和更高的目标。研究语音障碍离不开语音病理学，然而，语音病理学要发展也离不开实验语音学的支持，所谓语音病理学是现代医学中一门新兴的边缘学科。它之所以能成为一门独立的学科，在我国还有待各方努力，但这是趋势，因为随着现代医学的发展，对疾病的诊治也将发生改变，对疾病的治愈标准势必发生变化。它之所以也被称为边缘学科，是因为它主要研究的对象是语音或言语，而采用的计算机科学等等学科的理论和技术。尤其象在音声处理中常常涉及的数字滤波器和快速付里叶变控(fast fourier transform,FFT)是现代数字信号技术中的两种主要工具，要较透彻地了解它们，需要专业的数学基础，这已超出本研究的范围。由此可见，研究异常语音工作是一门复杂的科学研究，它既需要临床医学知识，也不能忽略其它相关学科的内容。21世纪的科学研究更强调学科间的相互渗透，医生、语音病理学家、心理学医师以及计算机应用技术等学科人员的相互协作，是本研究学术领域的重要特点。也正是这个特点，为不断提高人类生存质量开辟了无限宽广的前景。
, 百拇医药
基金项目：本文中部分研究工作受国家教委(98-679)，卫生部(98-1-317)和上海市教委(S990203)课题资助
作者简介： 王国民(1956-)，男，浙江人，教授，博士生导师.
参考文献：
[1] 王国民，袁文化，邱蔚六，等.先天性腭咽闭合功能不全治疗方法的探讨[J].上海口腔医学，1993；2：128-133.
[2] 王国民，袁文化，蒋莉萍，等.语图仪在腭裂整复术后异常语音分析中的应用[J].口腔颌面外科杂志，1995；5：189-191.
[3] Sabine Poppelrenter, Wilfried Englke, Thomas Bruns. Quantitative analysis of the velopharyngeal sphincter function during speech[J]. American Cleft Palate-Craniofacial Association Journal， 2000；37:157-167.
[4] Jack Jiang, Emily Lin, David G. Hanson. Acoustic and airflow spectral analysis of voice tremor[J]. Journal of Speech, Language and Hearing Research, 2000；43:191-205.
本文校对：顾云峰
收稿日期：2000-05-05, 百拇医药
单位：王国民(上海第二医科大学附属第九人民医院唇腭裂中心 200011)；陈阳(上海第二医科大学附属第九人民医院唇腭裂中心 200011)；邱蔚六(上海第二医科大学附属第九人民医院唇腭裂中心 200011)；袁文化(上海第二医科大学附属第九人民医院唇腭裂中心 200011)；潘悟云(上海师范大学应用语言研究所)
关键词：计算机语音工作站；异常语音；评价
口腔颌面外科杂志000301 摘 要：目的 为探索客观有效的异常语音评价方法，应用计算机语音分析系统(CSL)分析各种类型患者的异常语音。方法 8例筛选患者，咽喉摩擦音、先天性腭咽闭合功能不全、腭化构音和正常构音各2例，其中男性4例，女性4例，平均年龄18岁。被检敏感音为/z/、/c/、/s/，直接输入计算机语音工作站，存盘后对音声图像进行定量分析和比较。结果 各种类型语音的音声图像各有其特征，其频谱、辅音起声时间和共振峰各不相同。结论 CSL综合了语图仪和计算机技术，可图像化和定量分析声音，在目前是一种较好的研究手段。
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中图分类号：R782.2 文献标识码：A 文章编号：1005-4979(2000)03-0189-03
CLINICAL APPLICATION AND EVALUATION IN ANALYSIS
OF ARTICULATION DISORDERS WTH CSL
WANG Guo-min，PAN Wu-yun，CHEN Yang，QIU Wei-liu，YUAN Wen-hua
(Craniofacial Center Shanghai Ninth People's Hospital，Shanghai Second Medical University)
Abstract：Objective The purpose of this study was to explore a more effective and objective evaluation method of articulation disorders by analyzing of abnormal utterance of different types of patients with CSL(Computer Speech Lab).Method 8 patients (4 male，4 female，mean age 18 years) were selected for this study. Of the 8 patients，2 with Chinese pharyngeal fricatives，2 with congenital velopharyngeal insufficiency，2 with Chinese palatalized misarticulation，and 2 with normal articulation. The sensitive utterance studied was /z/，/c/，/s/，which was input into CSL by microphone and saved on disk. The quantitative and comparative analysis of phonetic image was performed.Results The results of this study showed that there was significant difference in phonetic image of every group patients，especialy in spectrum，voice onset time and formants. The phonetic image of Chinese pharyngeal fricative reveals consonants disappear partly and like “horizontal bomb”; the phonetic image of congenital velopharyngeal insufficiency reveals consonants disappear thoroughly and like “horizontal top”; the phonetic image of Chinese palatalized misarticulation reveals consonants and like “spindle”; the phonetic image of normal articulation reveals consonants and voice onset time clearly.Conclusion CSL combined sonograph with computer technology，which can analyze sound quantitatively and visually，was a better instrument of research by now.
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Key words： CSL; Articulation disorders; Evaluation
语音障碍的患者在临床上近来有日益增多的趋势，尤其是唇腭裂术后的患者几乎都渴望自己能与正常人那样，能说一口吐字清晰的语言。随着现代医学的发展和唇腭裂序列治疗工作的开展和普及，昔日只注重手术为主的传统治疗方法有了很大的改变。在恢复唇腭裂局部解剖畸形的同时也注重尽力改善腭咽闭合功能，国内外同行在临床上就如何评价异常语音方面进行了一些行之有效的探索[1～3]。众所周知，传统的医学检测方法难以客观地认识和评价异常语音的音声特征。因此，国内外此学术领域的研究人员都在积极寻找一种对异常语音检测比较有效的方法，从而真正解决异常语音“只能听，不能看”的难题。本文对腭咽闭合功能不全型和非腭咽闭合功能不全型以及正常语音用计算机语音分析系统(计算机语音工作站，简称CSL)进行了音声分析和评价。
1 材料与方法
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1.1 研究对象
本研究对象是从1999年1月至2000年3月在本中心行语音治疗的患者中筛选而成，以典型的咽喉摩擦音、先天性腭咽闭合功能不全、腭化构音和正常构音各2名，共8名。其中男性4例，女性4例；平均年龄18岁。
1.2 被检音的选择
异常语音的敏感音很多，并受年龄和方言的影响，为了避免这些因素影响本研究的结果，经反复筛选和论证，选择汉语拼音的/z/、/c/、/s/为本研究的被检音。笔者在以往的研究中也发现，无论是腭咽闭合功能不全型还是非腭咽闭合功能不全型，几乎90%以上的异常语音患者存在着/z/、/c/、/s/音声的异常[2]。
1.3 研究方法
按本中心语音专科门诊常规检查后，排除有影响语音分析结果(如感冒，听力障碍等疾患)，嘱患者呈自然状态，经反复练习被检测音后，按以下流程进行被检测音的采样；并用美国KAY公司制(CSL-4300B)和专业配套麦克风进行采样和分析。
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患者发被检音→麦克风→CSL→保存音声样本→被检测音图像化→检测与定量→评价
2 结果
本组患者异常语音检测结果见附表。
在临床上习惯称之“腭裂语音”(也称腭咽闭合功能不全型异常语音)，但它因所致原因和构音方式不同，其音色特点也完全不一样。本研究结果根据各音声特征，其结果如下：
咽喉摩擦音的辅音部分脱落或以代偿的咽喉摩擦音，元音部分伴鼻音，其异常音声图呈“横炮弹头型”。
先天性腭咽闭合功能不全患者的异常语音辅音完全脱落。异常音声“横陀螺型”之部分伴鼻音。
腭化构音的辅音部分存在，异常语音音声图像似横放的“纺缍锭型”。
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附表 正常构音，不同异常语音的音声物理量 病例
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有
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2689
f:咽喉摩擦音 P：腭化构音 C：先天性腭咽闭合不全 N：正常构音；VOT：辅音起声时间
正常语音的辅音部分清晰可见，辅音起声时间清晰可见，各共振峰的物理量清晰易测，而异常语音的第三共振峰常常可缺失或难以辨认。
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综上所述，CSL能使一闪而过和变化多端的异常语音图像化，从而弥补了传统检测方法难以捕捉到的辅音部分。
3 讨论
长期以来在临床上评价异常语音结果最多的方法是“优、良、中、差”。近来随着科学技术的发展和人民保健意识的提高，这种方法已经远远不能满足临床要求。临床上对语音研究的方法往往集中在对解剖形态的研究，这些研究对阐明异常语音的发生机理能提供一些理论依据，但要阐明异常语音的发生机理尚有困难[4]。国内外众多的学者常用头颅定位片、鼻咽纤维内镜以及软腭造影和气流气压测定仪等方法来检查或评价异常语音。这些方法仅能记录或观察腭咽闭合或舌的动态。然而，值得一提的是：语音病理学的研究范畴很广，而且，异常语音的发生机理或临床表现完全不一。如：脑溢血后遗症的“失语症”和“腭裂语音”完全不同，前者因运动神经障碍，故无论元音和辅音都有问题，有的甚至于连发声都有困难；而后者的异常语音主要表现在辅音。这是由于这些患者因腭咽闭合功能不全(velopharyogeal insufficiency,VPI)或不良构音习惯而产生的异常语音。语音是一个动态的表现，用静态的检测方法几乎不能客观地评价异常语音的特征和表现，它需要有一段时间的记录和比较。本研究的被检音/z/、/c/、/s/无论用鼻咽纤维内窥镜还是软腭造影方法来检测都十分困难。因为：操作仪器者要听到发音后，再按下按钮，然后还需仪器爆光的时间。而辅音的特点是一闪而过，用上述仪器检查的结果往往不是异常的辅音部分。然而这些敏感音又确是临床上最需了解其真象部分的内容，也是急需认识部分。进入80年代，计算机应用技术的引入，弥补了上述检测方法难以实现的内容，并能使“只能听，不能看”的异常语音“图象化，定量化”，为人类能真正了解和认识自己的语音真相起了积极的作用，提供了高科技水准的研究方法和重要的理论依据。
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CSL在语图仪的基础上，引入计算机技术的优势，它是一种动态音频频谱分析仪，它能把各种声音信号转化为可见图像，使研究者可以从音声图谱来观察声音信号的频率、幅度和时间等物理参量以及它们间的动态关系，从而了解被检测声音信号的声学本质和音声特征。CSL能够直接分析的音声信号可以超出音频范围，并且还具备其他检测功能。CSL由于设计独特和操作方便，所以用途非常广泛。在语音病理方面，CSL可使语音图像化，并可以记录，供分析和定量，有助于对异常语音音声的认识和诊断。由此可见，CSL为国内刚开展的汉语语音病理学的研究和教学提供了其它方法难以替代的高科技手段，使研究汉语语音病理学的水平与国外发达、先进国相接近。
本研究结果示：咽喉摩擦音、腭化构音的音声等图像完全不同，这是因为两者在病因上也完全各异，治疗方法上也就不同的观点也就不难理解，前者需要首先改善腭咽闭合功能后才能进行语音训练，后者可直接进行语音训练。综上所述，两者的语音清晰度不同，在CSL检查结果也不同，这些检查结果用传统的方法几乎难以进行，而在经CSL检测后，使其异常语音的音声特征有了客观的评价结果，无论对频谱，辅音起声时间(voice onset time,VOT)和共振峰都有不同的表现。尤其关于滤波器分辨能力的研究结果示：宽带滤波器的时间分辨能力较高，一般能够分辨持续时间为带音周期数量改变的瞬间幅度变化，所以宽带三维图谱应由一条条垂直于时间轴的、宽度都相当于滤波器时间窗孔的条纹组成。实际上，我们在宽带语图上看到的，带部分的显示还是一条条垂直的声门脉冲，而一般辅音的显示是脉冲直条或乱纹或两者兼有。就灰度来说，这些垂直条纹，在不同的频段有深自浅，构成特定的模式，不同声音显示出不同的模式。对辅音而言，灰度大的频段称之强频区，对元音而言，灰度大的位置形成宽横杠，称为共振峰。这些表现正是分析异常语音所需要的部分和内容，也为客观评价不同异常语音的音声特征提供了重要的理论依据。
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本研究结果提示现代医学对传统临床医学有了新的要求，和更高的目标。研究语音障碍离不开语音病理学，然而，语音病理学要发展也离不开实验语音学的支持，所谓语音病理学是现代医学中一门新兴的边缘学科。它之所以能成为一门独立的学科，在我国还有待各方努力，但这是趋势，因为随着现代医学的发展，对疾病的诊治也将发生改变，对疾病的治愈标准势必发生变化。它之所以也被称为边缘学科，是因为它主要研究的对象是语音或言语，而采用的计算机科学等等学科的理论和技术。尤其象在音声处理中常常涉及的数字滤波器和快速付里叶变控(fast fourier transform,FFT)是现代数字信号技术中的两种主要工具，要较透彻地了解它们，需要专业的数学基础，这已超出本研究的范围。由此可见，研究异常语音工作是一门复杂的科学研究，它既需要临床医学知识，也不能忽略其它相关学科的内容。21世纪的科学研究更强调学科间的相互渗透，医生、语音病理学家、心理学医师以及计算机应用技术等学科人员的相互协作，是本研究学术领域的重要特点。也正是这个特点，为不断提高人类生存质量开辟了无限宽广的前景。
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基金项目：本文中部分研究工作受国家教委(98-679)，卫生部(98-1-317)和上海市教委(S990203)课题资助
作者简介： 王国民(1956-)，男，浙江人，教授，博士生导师.
参考文献：
[1] 王国民，袁文化，邱蔚六，等.先天性腭咽闭合功能不全治疗方法的探讨[J].上海口腔医学，1993；2：128-133.
[2] 王国民，袁文化，蒋莉萍，等.语图仪在腭裂整复术后异常语音分析中的应用[J].口腔颌面外科杂志，1995；5：189-191.
[3] Sabine Poppelrenter, Wilfried Englke, Thomas Bruns. Quantitative analysis of the velopharyngeal sphincter function during speech[J]. American Cleft Palate-Craniofacial Association Journal， 2000；37:157-167.
[4] Jack Jiang, Emily Lin, David G. Hanson. Acoustic and airflow spectral analysis of voice tremor[J]. Journal of Speech, Language and Hearing Research, 2000；43:191-205.
本文校对：顾云峰
收稿日期：2000-05-05, 百拇医药