言语刺激强度对健听者听配能的影响——瞳孔测量研究.pdf

听配能走进临床Chinese Scientific Journal of Hearing and Speech Rehabilitationdoi:10.3969/j.issn.1672-4933.2024.02.003中国听力语言康复科学杂志2024年（第22卷）第2期言语刺激强度对健听者听配能的影响瞳孔测量研究The Impact of the Speech Presentation Level on Listening Effort in Normal Hearing Population-A Pupillometry Study张敏 鲁秀玲 王娇锋 陈洁 韩朝 保志军ZHANG Min，LU Xiu-ling，WANG Jiao-feng，CHEN Jie，HAN Zhao，BAO Zhi-jun【摘要】目的 探究言语刺激强度对健听者听配能的影响。方法 选取38例健听成人，采用语速x刺激强度的言语理解测试范式，将瞳孔扩张听配能测量和听觉任务完成准确度及反应速度相结合，观察阈上范围内20 dB SPL的强度变化对听配能和任务表现的影响。结果 语速对平均瞳孔扩张有显著影响（P0.001，2p=0.618），但刺激强度对平均瞳孔扩张无显著影响（P=0.213，2p=0.040）。增加言语刺激强度能够显著提升任务反应速度（P=0.043，2p=0.099），在正常语速下，还能够显著提升言语理解准确度（P0.001，2p=0.374）。结论 健听人群听觉舒适阈范围内将言语声刺激强度增加20 dB SPL能够提高聆听效率，但该效应可能并不是通过改变可听度或唤醒度，从而影响听配能结果，可能是改变听觉处理速度。【关键词】可听度；言语刺激强度；听配能；唤醒度【中图分类号】R764.5 【文献标识码】A 【文章编号】1672-4933（2024）02-0120-06【Abstract】Objective Exploring the impact of speech presentation level on listening effort in a group of normal hearing listeners.Methods 38 adults with normal hearing were recruited,and the speech comprehension test paradigm was used with manipulations of speech rate and presentation level.The pupil dilation as the index of listening effort,speech comprehension accuracy and reaction time were measured to observe the effect of 20 dB SPL increase in presentation level on task performance outcomes.Results The speech rate has a significant impact on average pupil dilation(P0.001,2p=0.618).However,the sound intensity has no significant effect on the average pupil dilation(P=0.213,2p=0.040).Increasing the volume of speech can significantly shorten the task response time(P=0.043,2p=0.099),and under normal speech speed,it can significantly improve the accuracy of speech comprehension(P0.001,2p=0.374).Conclusion Increasing the intensity of speech presentation by 20 dB SPL within the range of auditory comfort threshold in normal hearing individuals can increase listening efficiency,however,this effect may not be due to listening effort change by altering audibility or arousal,but rather a result of altering auditory processing speed.【Key words】Audibility;Speech presentation level;Listening effort;Arousal1 背景在研究听觉任务诱发的听配能时，单纯言语刺激强度因素对听配能的潜在影响仅有少量研究。尽管刺激强度与可听度（即个体听觉对不同频率和强度声音刺激的感受性）直接相关，对听障人群有更直观的重要性，但在既往文献中可以看到，当采用放大技术（如助听器、人工耳蜗等）对听障人群进行干预时，听配能的变化并不稳定一致。有些研究观察到听配能增加1，2，有些观察到听配能在助听后减少3，有些则报道听配能没有变化4。除了各实验间采用的听觉任务类型、听配能量化方式、声音放大方式等差异之外，导致观察结果不一致的因素还可能与听配能理论基础有关。根据原有和拓展的单一资源理基金项目：上海市临床重点专科建设项目（shslczdzk02801）作者单位：复旦大学附属华东医院上海市老年医学临床重点实验室 上海 200040作者简介：张敏 博士 助理研究员；研究方向：听配能在听觉认知功能康复中的应用和听配能心理生理测量方法的临床转化通讯作者：保志军，E-mail：Z【编者按】听配能（listening effort）这一概念在2015年由张敏博士首次引入中国，以其高度跨领域的特点连接起生理学、神经认知科学、脑科学、听力学等学科。其研究已在很大程度上推进了我国听力学事业的广度和深度。为此，本刊邀请张敏等相关领域专家学者以“听配能走进临床”为主题，介绍听配能在中国的发展和临床应用，以期对听力语言康复行业专业人员提供借鉴。120Chinese Scientific Journal of Hearing and Speech Rehabilitation听配能走进临床中国听力语言康复科学杂志总第123期论模型57、补偿控制模型8，9、言语理解易度模型10，11和聆听参与模型12，听配能的激发和分配受任务认知负荷和情绪动机的双重影响。在听障人群中，增加声音的强度，一方面可提高言语可听度，使声音更清晰易懂，任务难度降低，从而减少听配能；另一方面，较高的声音强度能提高唤醒度（即某个情绪的强烈程度）13，14，从而增加任务参与度15，导致听配能增加。在试验研究中观察到的助听效应是这两方面的综合结果，在不同实验中，两方面效应的权重差异可能导致听配能变化的不同结果，从而难以得到关于助听干预对听配能影响的统一结论16。在健听人群中观察言语刺激强度对听配能的变化，能够分离上述两方面效应。由于阈上刺激强度的变化对健听人群而言并不改变言语可听度，因此，可以单独观察增加刺激强度对唤醒度的变化，进而了解其对听配能中情绪部分结果的影响。本文采用瞳孔追踪技术，通过观察听觉理解任务中刺激强度的变化对听配能、言语理解准确度和反应时间的影响，探究单纯音量增加是否对听觉任务表现产生影响。2 方法2.1 实验对象根据统计学原理，本实验假定效应量 Cohen s f=0.25（或2=0.059），重复测量值之间的关联度为=0.5，达到0.90把握度所需的病例数是30人，考虑到在预处理瞳孔数据时不可避免要清除受眨眼干扰的数据，面向社会招收41例受试者以确保在清理数据后仍然有足够的样本量。受试者纳入标准：年龄1860岁；纯音平均听阈（500，1000，2000，4000 Hz）25 dB HL；电耳镜检查确认耳道通畅受；教育程度小学以上，能够听懂普通话，日常言语交流无障碍；眼动仪拍摄瞳孔图像可读率在80%以上。在数据清理后共纳入健听受试者38例（男16例，女22例），年龄2352岁，平均年龄32.429.06岁。2.2 实验方法2.2.1 瞳孔追踪 瞳孔追踪采用Biopac EyeTech眼动仪，采样频率120 Hz，测量精度0.01毫米。隔声室灯光柔和，光照度为300 lm。为了排除计算机屏幕亮度对瞳孔变化造成的影响，将计算机屏幕的亮度从黑色调整为白色，依次调整其灰度，以得到光反射引起的瞳孔大小范围。计算得出瞳孔大小中位值（最小和最大测量大小之间的中间值）所需的亮度，并将相应的灰色阴影用作正式数据收集的屏幕背景色。此校准过程与既往文献一致17，18。受试者坐于电脑显示器（显示器大小为21英寸，分辨率为1024*768）前，头部由额托固定，眼睛与眼动仪距离保持60 cm左右。显示器显示实验指示和视觉定位图像（用于测量瞳孔扩张）。瞳孔追踪持续实验全程，听觉事件标记通过 Cedrus StimTracker 从刺激呈现系统SuperLab 6.0中发出。2.2.2 实验步骤 实验在 2.02.7 m 的双层隔声室进行，室内最大允许背景噪声等级符合ANSI-2003规范。言语刺激声通过刺激呈现软件 SuperLab 控制（Cedrus，Phoenix，Arizona）。言语信号通过实验电脑的 Sound Blaster声卡给出，随后传输到听力计（Madsen Astera）上。实验过程中的给声方式为听力计的ER-3A插入式耳机。校准音采用言语噪声，由Praat程序生成。该言语噪声频谱与实验中的录制男声言语信号的长时言语频谱（long term average speech spectrum，LTASS）相符。正式实验前，所有受试者进行练习，确保能够熟练使用应答键盘、熟悉言语信号、理解测试任务和习惯眼动记录仪。所有练习及听觉任务指令通过语音播报和屏幕显示两种方式呈现。本实验听觉任务言语材料采用结构完全一致但内容各异的语句刺激声18。言语材料由专业播音员以 230 字/分钟的正常语速朗读，快语速（345 字/分钟）和慢语速（172字/分钟）在Adobe Audition 3.0中对正常语速音频进行时间压缩并保留声调不变。语句围绕3个固定物体两两之间空间位置问题（如篮球在电话的前面，电话在书包的前面，请问书包在哪边？），3个物体名称取自于 普通话言语测听双音节词表19。受试者前方桌面上放置5个按键（前、中、后、左、右）反应键盘，听完测试言语后，受试者以按键形式回答，然后电脑系统自动进入下一句。笔者从语料库中随机抽取6个不同句子用于实验前练习，受试者答对50%以上方能进入正式测试（随机猜对的概率为30%）。正式实验共60个句子（3语速2听觉任务条件10句），每种语速/听觉条件包含不重复的10个语句，句型结构变体分布相同。2个听觉任务条件分别为基准条件和放大条件。基准条件是刺激强度45 dB HL，放大条件是刺激强度65 dB HL。为避免学习效应，两个任务条件顺序随机且每个任务条件下的30个语速不同的句子随机播放。图1为完成单个测试项的完整过程。2.3 数据处理和统计方法瞳孔数据按照Siegle等20描述的程序进行清理。数据清理过程包括眨眼识别和插值、平滑和伪影试去除。眨眼被认为是瞳孔扩张的显著变化，其发生速度过快，无法表示实际与任务有关的的扩张或收缩。瞳孔直径符合以下任何条件被标记为眨眼：小于1 mm；低于受试者波形中的最小直径+0.1 mm；低于中值直径减去4 mm；低于第 25 百分位以下四分位间距的两倍（即Tukey极值异常值铰链）。根据Granholm等21提出的标121听配能走进临床Chinese Scientific Journal of Hearing and Speech Rehabilitation中国听力语言康复科学杂志2024年（第22卷）第2期准，如需要对试验中50%或更多数据进行插值处理，则应将该样本数据从统计分析中删除。在整个数据集中，笔者用眨眼前的4个样本开始到眨眼后的9个样本结束的线性插值替换眨眼。这种技术防止了由于部分眼睑闭合导致的眨眼前后瞳孔估计较差的插值。然后，应用3点移动平均滤波器2次，以平滑波形并去除高频伪影。最后，用瞳孔直径减测试言语声开始前1秒内的平均瞳孔直径（即基线瞳孔值），以生成瞳孔扩张值波形。本研究重点分析聆听过程中的听配能投入，因此采用言语刺激声时间窗口的平均瞳孔扩张值作为听配能的量化指标。与瞳孔扩张峰值相比，平均瞳孔扩张值能够提供更强的可靠性、稳定性和更好的认知资源分配指数22，23。分析中保留了合理反应时间内受试者回答错误时的瞳孔数据，因为此时受试者仍然在遵循指示参与任务，在投入听配能，因此这些瞳孔扩张数据是有效的。经瞳孔数据清理后，平均每位受试者瞳孔数据的保留比例为95%，即平均每人移除3条瞳孔波形数据（每人共60条波形数据）。有3名受试者因瞳孔数据移除率超过30%未计入统计。瞳孔数据清理在Matlab 2021中完成。使用SPSS 25软件，采取两因素重复测量方差分析（two-way repeated measures ANOVA）对平均瞳孔扩张值、言语理解准确度和反应时间进行统计分析。P0.05为差异具有统计学意义。3 结果3.1 瞳孔扩张图2显示了不同语速和声音强度条件下的瞳孔扩张波形。统计分析结果显示，语速对平均瞳孔扩张的影响在基准条件和放大条件之间无显著差别（图3），F（2，76）=0.142，P=0.868，2p=0.004。语速对平均瞳孔扩张有显著影响 F（2，76）=61.382，P0.001，2p=0.618，其中，慢语速下平均瞳孔扩张（0.3120.027 mm）明显大于正常语速下平均 瞳 孔 扩 张（0.2640.020 mm）F（1，38）=10.138，P=0.003，2p=0.211，且大于快语速下平均瞳孔扩张 （0.1460.015 mm），F（1，38）=78.097，P0.001，2p=0.673，而正常语速下平均瞳孔扩张也显著大于快语速下平均瞳孔扩张F（1，38）=102.456，P0.001，2p=0.729。整体上基准条件下的平均瞳孔扩张（0.2300.018 mm）与放大条件下的平均瞳孔扩张（0.2500.023）无显著差异，F（1，38）=1.603，P=0.213，2p=0.040。图2基准（左）和放大（右）条件下不同语速平均瞳孔扩张波形图1听觉任务和瞳孔记录过程122Chinese Scientific Journal of Hearing and Speech Rehabilitation听配能走进临床中国听力语言康复科学杂志总第123期3.2 言语理解度可听度对言语理解准确度的影响在不同语速条件下有显著区别（图4）F（2，76）=7.566，P=0.001，2p=0.159。慢语速时，基准条件下的准确度（72.195%3.671%）与放大条件下的准确度（73.415%3.361%）无显著差异 F（1，38）=0.138，P=0.712，2p=0.003；正常语速时，基准条件下的准确度（66.829%4.546%）明显低于放大条件下的准确度 （82.927%3.700%），F（1，38）=23.908，P0.001，2p=0.374；快 语 速 时，基 准 条 件 下 的 准 确 度（70.000%3.123%）与放大条件下的准确度（68.537%3.323%）无显著差异 F（1，38）=0.149，P=0.701，2p=0.004。整体来看，放大条件下的准确度明显高于基准条件下的准确度F（1，38）=6.825，P=0.013，2p=0.146，而语速对平均准确度的影响不显著 F（2，76）=1.998，P=0.142，2p=0.048。3.3 反应时间可听度对任务反应时间的影响在不同语速条件下无显著区别（图5）F（2，76）=1.302，P=0.278，2p=0.032。整体上，基准条件下的任务反应时间（2.6510.468秒）显著长于放大条件下的反应时间 （1.8680.439秒），F（1，38）=4.381，P=0.043，2p=0.099。反应时间在不同语速时也具有明显差别 F（2，76）=11.424，P0.001，2p=0.222，具体表现在，对慢语速言语的反应时间（1.8930.364秒）显著短于对正常语速言语的反应时间（2.2260.446秒）F（1，38）=4.598，P=0.039，2p=0.111，以及对快语速言语的反应时间（2.6590.454秒）F（1，38）=18.896，P0.001，2p=0.338。对正常语速言语的反应时间明显短于快语速言语的反应时间 F（1，38）=10.926，P=0.002，2p=0.228。4 讨论增加声音强度（音量）能诱发杏仁核伴随顶内沟、颞上沟和颞平面的神经活动，促进对听觉目标的自主定向反射和短暂警觉性24，提高唤醒度。增加声音强度可通过募集注意力和生理资源引发适应性反应25。本研究言语刺激声刺激强度从45 dB HL（基准条件）增加到65 dB HL（放大条件）时，笔者推测由于唤醒度的提高，更多注意力和生理资源被分配到当下的听觉任务，因此指代听配能的瞳孔扩张值增加，言语理解准确度和任务反应时间更佳。实验结果显示，与基准条件相比，放大条件下听配能仅有小幅增加，未达到统计学显著标准。图3可见到，基准条件和放大条件下，听配能均随语速的增加而减少，该结果一方面说明平均瞳孔扩张对听觉任务难度敏感，这与既往瞳孔研究结果相符18，26，27，另一方面提示实验中的听觉理解任务难度水平可能接近受试者认知能力范围上限。根据听配能理论6，12，听配能随任务难度的变化遵循倒U形规律，即当任务较容易时，听配能处于较低水平，因不需要投入很多听配能就能完成任务；当任务难度增加时，听配能随之上升，在个体的临界点时达到峰值，峰值过后随任务难度进一步增加，个体可能因为任务太难或逐渐丧失兴趣导致听配能逐渐下降。本实验言语理解任务本身虽语句简单但难度较高，不但语句长度比普通言语测试所用的短句更长，而且既要求受试者听清言语，图3不同语速下瞳孔平均扩张值在基准条件和放大条件间比较图4不同语速下言语理解准确度在基准条件和放大条件间比较图5不同语速任务反应时间在基准条件和放大条件间比较123听配能走进临床Chinese Scientific Journal of Hearing and Speech Rehabilitation中国听力语言康复科学杂志2024年（第22卷）第2期还要求其将听到的言语信息储存在记忆中并快速处理信息找到答案（工作记忆）。此外，在上述基础上改变语速意味着加入对听觉信号处理速度能力的考量，且拉开了任务难度梯度放慢语速能够降低难度，加快语速则增加难度。因此，本实验中的听觉任务涵盖了言语理解易度模型11中影响听配能的所有认知因素（语音映像、存取速度、工作记忆容量、推理消歧执行能力），比常用的言语识别任务（即重复听到的短句）能够募集更多认知资源。相对于正常语速，慢语速下听配能增加提示受试者可能认为更有把握回答正确，因而注意力更集中，参与度更高；快语速下听配能减少则可能提示受试者记忆的存取速度赶不上语速，无法及时调用足够的认知资源；也可能提示快语速引发负面情绪（如压力、不愉快等28），导致听配能投入减少，但还没有完全放弃任务。将瞳孔数据结合行为学数据结果来看，虽然听配能随任务难度增加而降低，但言语理解正确率在基准条件下没有显著变化，平均得分保持在70%以上的较高水平。任务反应时间随任务难度增加明显延长，说明受试者在任务难度提高的情况下增加了应答思考时间。当言语刺激强度增加20 dB SPL时，反应时间普遍明显缩短，且正常语速下的言语理解正确率显著提高。从听配能的投入效率来看，增加言语声强度在正常语速下获得了较理想的效益，即当言语音量增加时，受试者保持适中的听配能，并用更短的时间达到更高的言语理解准确度。在另外两种语速下，提高20 dB HL的音量使达到同等言语理解准确度花费更少时间，而且保持听配能投入不变，同样也是效率提升的一种表现。根据本研究的结果，笔者观察到聆听（即集中精力认真听）效率的提升可能并不是源于听配能投入的变化，而可能与刺激强度影响听觉处理速度有关。既往听觉诱发电位的研究显示，听觉处理速度受声音频率29和强度30影响。低频声诱发的脑干中长期反应波的潜伏期显著长于高频声诱发的反应，并与行为学的听觉任务反应时间结果一致，与此类似，随着声音强度的增加，中长期反应波的潜伏期明显减少，尤其是在舒适阈范围内的强度变化。当言语声刺激强度以20 dB SPL步幅从30 dB SPL增加到70 dB SPL时，20 dB SPL的改变能将脑干中长期反应波的潜伏期缩短约1260 ms30。听觉处理速度加快的另一个可能性是对声音信号的无意注意力的增加。在20 dB SL感觉级水平对声刺激注意力的增强也能够显著缩短中长期反应波的潜伏期和任务反应时间，增加听觉处理速度31。本研究中虽然给声音量都在舒适的可听范围内，但音量较高的声音可能吸引额外少量的无意（或被动）注意力，增加的注意力没有体现在瞳孔扩张的显著变化中，但体现在了任务反应时间的明显缩短。目前尚不明了听觉舒适范围内声音强度的变化对听觉处理速度影响的机制。本研究未观察到不同刺激强度间听配能（瞳孔扩张）的显著变化，可能是因为将刺激强度控制在正常听力的最舒适阈范围32，低于既往研究报道的高音量与高唤醒度关系采用的6085 dB SPL音量范围24，28，33，34。虽然65 dB HL相对于45 dB HL明显强度增加，但不属于大声的警告信号，因此，不足以激发能量唤醒度（唤醒-疲劳）或紧张唤醒（紧张-放松）的显著变化。当前实验结果并不能排除该声音强度增加可能提高受试者对言语情绪效价（愉悦度）的评价，从而缩短反应时间提高任务完成效率，然而该假说需要得到进一步验证。年龄因素对声刺激强度变化效应、语速变化效应、工作记忆效应和瞳孔听配能测量的潜在影响。既往事件相关电位研究表明，年长健听者相比年轻健听者对声音强度的变化更加敏感值得注意35。实验室合成的快语速言语对年长者的言语识别影响较大，但自然交谈的快语速对言语识别的影响无年龄差异36。在空间工作记忆任务中，年长者的大脑神经活动度不一定比年轻人弱，而取决于任务完成的准确度37。随着年龄增长，瞳孔扩张等心理生理测量会出现更多的混杂因素38。因此，当研究对象有较大年龄跨度时，需要考虑对不同年龄组进行细化分析。本研究中样本涵盖青年和中年，35岁以上10人，最大年龄52岁。笔者将年龄作为协变量，对数据重新进行统计学分析后得到类似结果，没有改变结论，可能由于样本中大龄受试者占比不多，亦或大龄受试者属于同龄人中各方面趋于年轻的群体。后期研究中可扩大样本量，对不同年龄段人群进行对比分析。本研究对于后续采用同样实验范式在听障人群中研究听配能有重要的参考意义。由于在听阈上舒适阈范围内的20 dB SPL音量变化对健听者而言既没有显著改变任务难度，也没有显著改变唤醒度，因此如果在听障人群中观察到听配能向任意一个方向（增加和减少）的显著变化，将有助于分析可听度和唤醒度影响的平衡机制，并深入探讨提高听配能效率的有效方案。参考文献1Fabie JE,Shannon CM,Schvartz-Leyzac K,et al.Discrepancies Between Expected and Actual Cochlear Implant-Related Functional Outcomes J.Otol Neurotol,2023,44(10):997-1003.2Patel TR,Moberly AC,Tamati TN.Development of a Sentence Verification Task to Measure Speech Comprehension and Listening Effort in Cochlear Implant Users J.J Speech Lang Hear Res,2023,66(10):4150-4159.124Chinese Scientific Journal of Hearing and Speech Rehabilitation听配能走进临床中国听力语言康复科学杂志总第123期3Picou EM,Ricketts TA,Hornsby BWY.How hearing aids,background noise,and visual cues influence objective listening effort J.Ear and hearing,2013,34(5):e52-e64.4Brennan MA,Lewis D,McCreery R,et al.Listening Effort and Speech Recognition with Frequency Compression Amplification for Children and Adults with Hearing Loss J.J Am Acad Audiol,2017,28(9):823-837.5Kahneman D.Attention and effort M.Englewood 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