骨傳導技術及其應用

呂磊 綜述 王福源 樊永良 審校

骨傳導技術及其應用

呂磊1綜述 王福源1樊永良2審校

骨傳導是聲音通過人體骨骼傳導的現象，能夠有效防止環境噪聲的干擾；能夠和空氣傳導結合形成獨特的聽覺環境；可以利用其聽障人士助聽等。目前國外已有骨傳導耳機，也已將骨傳導應用于手機接聽，以方便在有環境噪聲干擾的場合下使用。但是國內這方面的研究起步較晚，相關的報道較少，本文通過對目前國內外骨傳導技術的研究現狀、應用等進行綜述，旨在促進此技術的發展及應用。

1 國內外研究現狀

20世紀初，人們認為人耳可聽到的最高聲音頻率為24 k Hz。1950年，Pumphrey［1］首次報道了人通過骨傳導可以感知到頻率高達120 k Hz的超聲，骨傳導因此也被稱為“超聲骨傳導”（bone－conducted ultrasound，簡稱BCU）。目前關于BCU原理的了解尚不是很深入，但是多年的研究已經獲得若干確定的結論：①人們通過骨傳導感知到的聲音音調和實際的頻率沒有直接關系，其感覺就好像在聽8～16 k Hz的空氣傳導聲一樣［2］；②BCU屏蔽10～14 k Hz的空氣傳導聲音［3］；③BCU的動態范圍小于氣傳導聲［4］；④由于骨傳導不占用耳道，所以聽覺系統可以同時感受到骨傳導和氣傳導獲得的聲音［5］。

國內早就有關于骨傳導研究的報道。如2002年錢宇虹等［6］對空氣和骨傳導聽性腦干反應（auditory brainstem response，ABR）測試做了研究，指出其對新生兒感音神經性聾的檢出及小耳畸形患者聽力水平的測定有較大臨床意義，還能為傳導性或混合性聽力損失的鑒別診斷及蝸后病變的定位診斷提供依據。張帆等［7］采用聽性穩態反應（auditory steadystate response，ASSR）測試比較了骨振器在不同位置的骨導反應閾，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做聽力有關的臨床診斷，骨傳導技術常常應用于鑒別神經性聾和傳導性聾。另外，Martin等［8］利用骨傳導超聲實現了對耳鳴進行掩蔽治療。1998年Hosoi等［9］將ASSR應用于骨傳導的傳導機制研究，他以聽力正常人為研究對象，用頻率為1 k Hz和2 k Hz的空氣傳導純音以及由1 k Hz和2 k Hz的純音做了幅度調制后的超聲作激勵，分別觀察兩者誘發磁場波峰的等效電流偶極子（electric current dipole，ECD），結果表明兩者的ECD都位于聽覺皮層，而且位置十分靠近。他們對嚴重的耳聾患者做了同樣的測試，發現53名患者中有28名可以感知到超聲激勵，其中11名還可以識別不同的語音調制超聲。這些結果均表明，聽力正常的人和部分有聽障的人都可以感知到語音調制后的超聲。此外，Hosoi等的研究還證明了骨傳導超聲激勵于人腦的聽覺皮層，為將骨傳導超聲應用于助聽領域提供了依據［9］。

雖然在原理方面還沒有獲得突破性的進展，但是已經有人做了大量實驗，用以比較骨導和氣導的效果。Gripper等［10］在有多人談話噪聲的環境下，在信噪比分別為6、9和12 d B的情況下，由12個聽者通過實驗比較骨導和氣導的效果。結果表明，氣導的效果比骨導好；在不同的信噪比下，聽者的數字和字母識別率呈現非常大的差異，在6 d B信噪比下為最好。

賈天竺等［11］對顴骨傳導信號接收做了實驗，給出了環境噪聲為62 dB下，各個年齡段和不同性別的受試者的聽閾實驗圖。通過實驗得知，骨傳導聽覺的最敏感區在800～2 500 Hz。董慧艷等［12］記錄了22名聽力正常青年人骨導腦干電反應，觀察骨振蕩器不同位置放置的影響，結果顯示，高強度刺激時，每一受試者均可記錄到清晰、穩定的波；骨振蕩器放置在耳后鼓竇區時，反應振幅高、閾值低、分化好，同、對側記錄波振幅及潛伏期差異極小。

2 骨導技術的優缺點

與氣導相比，骨導有以下優點：①可以避免攙雜在空氣中的噪聲，在戰爭和很多需要有較強抗噪能力的場合有重要的應用價值；②骨導和氣導是兩個獨立的路徑，因此可以營造獨特的聽覺環境，使人的聽覺系統可以同時感受到兩個不同聲源的聲音；③骨傳導的頻率范圍很寬，可以利用這一特點改善高頻段的聲音品質，使聲音的頻域得以拓寬；④有些嚴重的耳聾患者依然具有感知骨傳導聲音的能力，因此，有可能通過骨導給予助聽［13］。

雖然骨傳導有上述優勢，但是由于目前對其原理尚不夠了解，所以也存在諸多的問題。主要有：①目前所研究的傳導路徑基本上都是將聲源置放于人體的顱骨，對很多應用并不方便；②接聽骨導聲源的方便程度遠不能和氣導相比［13］；③從已有的研究看，骨傳導傳遞聲音的能力（包括靈敏度和質量）尚不能和空氣傳導比擬；④人體本身在骨傳導過程中對語音頻率成分的影響尚不十分清楚；⑤骨傳導可以通過直接傳遞超聲或者通過數字信號處理中的“頻率搬移”方法，將氣導的聲音搬移到超聲的范圍內作傳遞［14］，目前對于頻率搬移的研究尚不夠充分。

3 骨導在助聽方面的應用

在應用性產品得以開發之前，一個重要的工作是利用實驗平臺做必要的測試和傳導實驗，以得到關于傳輸性能、頻率特性、語聲處理方法等方面的重要依據。通常的做法是把常規的聲音頻率利用計算機數字信號處理的方法“搬移”到超聲范圍，然后傳輸到聽者的聽覺系統。利用實驗平臺可以對各種頻率變換、調制方式等做出必要的數據比較。由于實驗平臺的重要性，因此平臺的開發和平臺實驗的研究也是骨導研究的一個重要方面，很多實驗平臺應用了電子技術和計算機技術的最新成果。

羅怡珊等［14］研究了骨導的助聽機制和頻率的轉換算法，作者分別計算了單耳骨導超聲激勵和單耳骨導音頻激勵在頭內形成的聲場，結果表明：骨導超聲可同時激勵雙耳耳蝸，且傳導能力優于骨導音頻激勵。以此得出結論認為，骨導超聲助聽效果比骨導音頻助聽效果好。盡管在骨導助聽方面已經有了比較多的研究工作，但是實際上能夠付諸應用的產品并不多見。據報道，日本產業綜合研究所研制的骨導超聲助聽器可以使40%以上的嚴重耳聾患者感知到聲音，17%的嚴重耳聾患者識別語音［15］。目前植入式骨導助聽器有美國產Audiant和瑞典產的BAHA，優點是可消除聲反饋，聲音傳遞效率高，外耳道無堵塞感，適用于老年和兒童先天性或后天性傳導性聾與感音神經聾而又不能經耳顯微外科手術矯治者［16］。日本TEAC（第一音響）公司2007年發布了HP－F100 Filltune耳機，該耳機將聲音的振動施加于人體的皮膚和骨頭，將其直接傳達到內耳（耳蝸）而使其直接感受到聲音。由于不使用鼓膜感應聲音，有輕度聽障者或者是因為年齡增加而對高音有聽覺障礙的老人也可以享受較高的音質［17］。

4 骨導在其他方面的應用

骨導能夠有效抵御環境噪聲的特點不但可以應用在助聽設備，還可以在戰爭環境、日常通信等方面得到應用。目前已經有多款骨導手機面世，例如東芝A5529T、泛泰A1407PT、三洋電機的TS41等，這種免手持的手機除了可以防止環境噪聲的干擾，同時對駕車通話的安全性很有幫助。利用骨導頻域較寬的特點，可以開發出高音質的耳機。如TEAC公司的HP－F200耳機提高了高頻段的重放性能，最大輸出功率可達2.8W×2。

5 結語

作為醫學和電子學的交叉學科，骨導已經顯示出了獨特的應用優勢。已經有不少利用骨導原理的產品問世，并且在不斷探索新的應用領域，如煤礦的通信［18］、對講耳機、多聲源同時聽取的研究等。由于其原理和性能尚須進一步探索，所以目前的應用開發尚不夠成熟。隨著電子和醫學兩方面的理論和技術的進步，骨導的應用會越來越廣泛和成熟。

1 Pumphrey R.Upper limit of frequency for human hearing［J］.Nature，1950，166：571.

2 Yamashita A，Nishimura T，Nakagawa S.Assessment of ability to discriminate frequency of bone－conducted ultrasound by mismatch fields［J］.Neuroscience Letters，2008，438：260.

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

4 Nishimura T，Nakagawa S，Sakaguchi T.Effect of stimulus duration for bone－conducted ultrasound on N1m in man［J］.Neuroscience Letters，2002，327：119.

5 朱曉峰.骨導電話傳輸性能研究［J］.現代電信科技，2008，37：48.

6 錢宇虹，梁力，江剛.正常青年人氣骨導聽性腦干反應的比較研究［J］.聽力學及言語疾病雜志，2002，10：4.

7 張帆，莫玲燕.正常聽力成人骨導聽性穩態反應的研究［J］.聽力學及言語疾病雜志，2009，17：215.

8 Martin L，Lenhardt AD.Ultrasonic hearing in humans：Applications for tinnitus treatment［J］.International Tinnitus Journal，2003，9：69.

9 Hosoi H，Imaizumi S，Sakaguchi T，et a1.The activation of auditory cortex by ultrasound［J］.The Lancet，1998，351：496.

10 Gripper M，McBride M，Osafo－Yeboah B，et al.The callsign acquisition test（CAT）to compare the speech intelligibility of air versus bone conduction［J］.International Journal of Industrial Ergonomics，2007，37：631.

11 賈天竺，蘭楓.顴骨傳導信號接收特性初探［J］.電聲技術，2003，26：48.

12 董慧艷，李敏，殷善開，等.聽力正常青年人骨傳導腦干電反應測試及骨振蕩器不同位置放置對其影響［J］.耳鼻咽喉頭頸外科，1995，1：15.

13 朱曉峰.骨導技術及在信息通信中的應用［J］.電信技術，2008，54：18.

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

15 羅怡珊，汪源源，王威琪.骨傳導超聲助聽技術的研究［J］.國際生物醫學工程雜志，2006，28：361.

16 湯建國，王輝萼.助聽器的進展［J］.國外醫學.耳鼻咽喉科學分冊，2000，36：343.

17 時風.用頭骨傳音的Hi－Fi耳機HP＿F100［J］.實用影音技術，2007，23：23.

18 氏家英明，滑川正朗，杉本直樹，等.櫪洞礦的骨傳導通信系統［J］.國外金屬礦，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 鄭州大學信息工程學院（鄭州 450052）； 2 鄭州大學西亞斯國際學院