電焊噪聲雨滴掩蔽作用的腦響應研究

劉佳航，蔡 俊，張仲偉，郁倪帥，傅 萌，汪 陽

(1.上海交通大學 環境科學與工程學院，上海200240；2.上海交通大學醫學院 附屬瑞金醫院 放射科，上海200025)

隨著經濟的迅速發展，我國的工業企業和工程數量呈現了極為迅猛的上升。隨之而來的工業噪聲污染成為在崗工人職業病傷害的直接誘因，因此工業噪聲的防范治理得到了國家和企業的一致重視。工業噪聲污染對人體有著多方面的影響，不僅可導致聽覺器官受損，還會造成中樞神經系統失衡，誘發心血管疾病，造成消化系統、內分泌系統功能失調等一系列后果。通常，對于工業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特性的基礎上，采用以隔聲、吸聲和消聲相結合的降噪措施，對工業噪聲進行針對性治理。但是，對于電焊噪聲這種工位獨立、直接作用的工業噪聲，其污染廣度和危害程度不容忽視，而且傳統的降噪措施難以取得效果。經調查，長期暴露在電焊噪聲環境下的工人，65 %聽力下降，68 %出現失眠，健忘等癥狀[1]。為此，針對無法直接治理的電焊噪聲采用聲掩蔽的方法來提高工人主觀感受成為必然。

目前，國內外已有研究應用聲掩蔽技術來改善主觀感受。L.Brocolini[2]等開展了聲源對任務績效和認知負荷影響的研究，證明了可理解的語音與其他聲音源如無法理解的語音、電話鈴聲和打印機相比，對在連續記憶任務期間的被試表現有著顯著影響。在改善噪聲污染的聲學環境的方法研究中，R?dsten-Ekman等[3]通過研究添加水聲音對道路交通噪聲的影響發現，當道路交通噪聲增加了令人愉快的水聲時，整體愉悅度增加。T.M.Leung[4]等的研究發現通過在高水平的道路交通噪聲中增加水聲，可以改善聲學環境的質量，且流體聲音能夠緩和噪音煩惱的能力比噴泉聲音略強。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，語音，活動聲音和機械噪聲。其中，背景音樂，其他食客的言語聲音和餐具的影響聲音對食客的聲學舒適度評價具有主導作用。Xi Chen[5]等分析了各種獨立聲源影響食客在背景噪音中的聲學舒適度評估，結果表明，聲學舒適度評價對食客對整體環境的舒適度評價有影響，相關系數為0.509(P＜0.01)；背景噪聲是影響食客舒適度評估的重要因素，相關系數為0.587(P＜0.01)。Yusuke Hioka[6]用時間反轉語音對聲音進行掩蔽，研究其對煩惱度的影響，實驗結果表明，將人造混響添加到類似言語的掩蔽聲音對于降低煩人度同時保持原始掩蔽聲音的掩蔽效果具有顯著效果；同時發現，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在工業降噪中具有巨大的應用前景。但是，聲掩蔽作用的主觀感受改善是如何實現的，這方面未見報道。為此，本研究的目的是通過功能性磁共振（fMRI）技術對正常聽力受試對象在接收掩蔽前后噪聲信號的刺激下腦部激活響應區域的變化進行分析，從客觀生理上探究聲掩蔽作用降低主觀煩惱度的作用機理。

1 實驗材料及方法

1.1 研究對象

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，均為上海交通大學在校大學生，身體健康，右利手，無幽閉恐懼癥，沒有神經心理疾病史，語言功能正常。

首先，采用Oscilla SM910-B 聽力篩選儀對受試者進行標準純音聽閾測試，測試地點為隔音測聽室，刺激范圍為125 Hz～8 000 Hz，聽閾上限為20 dB。經測試，參與本研究的所有受試者均具有正常聽力。

1.2 實驗流程

本研究所采用的電焊噪聲信號是從工地實測得到，掩蔽噪聲信號是對從音頻網站下載的雨滴聲和電焊噪聲分別截取聲音均衡穩定的片段，通過MATLAB 軟件合成得到的wav 格式的音頻文件[7]。實驗中使用組塊設計(block design)方法[8]，每個組塊包括聲音刺激和空白對照兩部分，各30 秒，反復循環3 次。在正式聲音開始前，有9 秒空白掃描，掃描時間共持續189秒。每個志愿者在電焊噪聲信號和電焊噪聲雨滴掩蔽信號序列刺激下的腦響應數據被采集。

在進行磁共振掃描前，所有受試者均在聽取實驗內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(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以減少受試者在掃描中的頭部運動。在掃描期間，要求受試者始終聽取耳機中的聲音，保持身體靜止不動，閉上眼睛，并且保持清醒。為了避免信號強弱對掩蔽效果的影響，磁共振實驗聲信號耳內播放的等效連續A 聲級均為80 dB(A)。

1.3 磁共振掃描

磁共振掃描采用飛利浦3T 超導MR 系統進行。對每個受試者進行T1加權三維梯度回波序列(GRE)序列及BOLD 技術進行功能成像，47 層連續掃描以覆蓋全腦。

實驗的刺激信號的播放和腦響應的fMRI 掃描被設置為同時開始，以利于后續數據分析的進行。

1.4 數據分析

本研究通過SPM8 軟件進行數據的處理分析。數據預處理步驟包括：

①時間層校正。

②頭動校正，不采用三維平移超過1 mm，三維旋轉超過1°的樣本[11]，本實驗無被排除的被試。

③空間標準化到蒙特利爾(Montreal neurological institute，MNI)標準腦模板(分辨率3 mm×3 mm×3 mm)；

④進行高斯平滑，半高寬(FWHM)設置為(6×6×6)mm3以消除高頻噪聲。經過預處理后，對符合要求的數據進行統計學分析。

1.5 統計學分析

采用單樣本t 檢驗，依據整個時間序列，針對每個受試者及每個電焊噪聲及其掩蔽噪聲信號刺激數據進行單樣本t檢驗(one sample t-test)，得到每組受試者平均激活信號(激活范圍閾值設置為15 個體素)，P＜0.01 認為差異有統計學意義[12]。最終得到相對應的全腦圖像所得到具有顯著意義的區域通過標準腦的結構像可獲得電焊噪聲及其掩蔽噪聲信號刺激時腦功能變化的腦激活區圖像。同時，根據AAL 分區(Anatomical Automatic Labeling)得到每個功能激活區的解剖定位。

2 實驗結果與分析

本研究首先對電焊噪聲信號和電焊噪聲雨滴掩蔽信號分別刺激下的大腦響應進行研究，分析其激活腦區的分布情況；然后對電焊噪聲雨滴掩蔽前后的激活腦區進行差異性統計分析，最終得到對電焊噪聲雨滴掩蔽作用顯著性正相關的大腦響應區域。

2.1 電焊噪聲的腦響應分析

電焊噪聲信號刺激下的大腦皮層響應分布見圖1和表1。

從表1中可以看出，受試者在受到電焊噪聲信號刺激時，除了負責聽覺處理和語義分析的顳葉區、負責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，扣帶回被認為與各種抑郁癥和焦慮癥有十分密切的聯系。Bush.G 等研究發現扣帶回是調節錯誤消極性情感和動機的重要腦部區域[13]。

表1 電焊噪聲腦部激活區

當受試者受到電焊噪聲刺激時，煩惱感受提高，扣帶回區域的血液流量上升，物質代謝水平的提高，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刺激下的大腦皮層響應分布見圖2和表2。

表2 雨滴聲掩蔽的電焊噪聲腦部激活區

圖1 電焊噪聲刺激下的大腦皮層響應分布圖(紅色區域表示為激活的區域，圖中數字表示不同的Z坐標數值)

圖2 電焊噪聲雨滴掩蔽信號刺激下的大腦皮層響應分布圖(紅色區域表示為激活的區域，圖中數字表示不同的Z坐標數值)

從表2中可以看出，受試者在接受經過雨滴掩蔽的電焊噪聲刺激時，枕上回和邊緣葉扣帶回也有大量激活。有研究表明，邊緣葉與認知功能和情感處理功能的大量激活有關。Papez等[14]提出的Papez環路中證明了邊緣葉在情緒和情感體驗過程中，以及記憶，感覺等感知活動中重要作用。李玉成等[15]發現邊緣葉的激素分泌和活動對于人的情緒感知，處理和認知過程具有重大影響。

此外，距狀裂周圍皮層的激活被認為與視覺刺激及長期記憶有關[16]。但由于實驗采用眼罩避免了視覺刺激的影響，因此作者認為實驗過程中音頻的循環刺激喚起了受試者對雨滴自然聲的記憶，從而激活了該腦區的活動。

由表1、表2可知，掩蔽前后的均激活的腦區為扣帶回，其是調節錯誤消極性情感和動機的重要腦區[13]，說明在兩個聲刺激下大腦均有消極情緒及處理相應情緒的腦活動產生，而掩蔽后扣帶回激活體素（16）約為掩蔽前激活體素一半（31），說明掩蔽聲與扣帶回的激活強度的下降相關，由此可得掩蔽聲可以降低噪聲刺激產生的消極情緒。此外，從腦區功能來看，掩蔽前激活腦區主要負責聽覺處理、語義分析和軀體感覺，掩蔽后激活腦區則主要負責記憶出力、認知調整及情緒調整，可見相比于在噪聲原聲刺激，掩蔽噪聲更多地激發了具有相應調整功能的腦區，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，雨滴掩蔽聲一定程度上降低了被試者的煩惱度，涉及到了認知功能和情感處理功能腦區的響應，此外，循環刺激的音頻構成設計加強了這一腦區激活程度，從而使得邊緣葉出現了較大的激活程度。

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具有明顯的差異性。為此，采用SPM 和REST 軟件進行了電焊噪聲雨滴掩蔽前后大腦功能區響應的差異性分析，依次導入掩蔽前、后數據組進行組間差異分析，由此得到掩蔽后與掩蔽前腦區激活差異數據。雨滴聲掩蔽電焊噪聲前后的大腦激活差異腦區的激活大小、體素大小及MNI坐標如表3所示。

表3 電焊噪聲雨滴掩蔽前后引起顯著差異的腦區

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

圖3 電焊噪聲雨滴掩蔽前后顯著差異的腦響應區域

從表3中可知，相比于電焊噪聲刺激，受試者在接受經過雨滴掩蔽后的電焊噪聲信號刺激時，執行認知功能、思維和知覺方式、信息的記憶和回憶、解決問題以及情緒的大腦前額葉皮層被顯著激活，這與掩蔽效應提高了受試者的主觀感受有直接聯系。經調查，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，前額葉區可能參與處理愉快與不愉快的情感場景[17]。項愛齋等在對受試者進行音樂刺激時的fMRI研究發現，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域被激活。

上述電焊噪聲雨滴掩蔽前后的腦區響應差異性分析可知，雨滴聲對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情緒調節的相關腦區活動來實現；另一方面，進行情緒調節的相關腦區活動也間接證明了聲掩蔽作用的主觀降噪效果。

3 結語

本文利用功能性磁共振（fMRI）技術開展了雨滴聲掩蔽電焊噪聲的腦響應研究，通過對電焊噪聲及其雨滴掩蔽信號的腦區激活數據分別進行分析，發現在電焊噪聲刺激下激活的腦區主要位于兩側顳葉、中央后回、扣帶回和額上回，在電焊噪聲雨滴掩蔽信號刺激下則明顯激活了邊緣葉和枕上回。研究還對電焊噪聲雨滴掩蔽前后激活腦區進行了差異性分析，結果表明掩蔽作用可能使與情緒、認知、情節記憶等相關的前額葉區顯著激活。由此可見，聲掩蔽作用通過直接影響情緒處理相關腦區的激活程度，改變了人腦響應，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、設計靈活，見效直接等優點，為噪聲污染治理提出了一種嶄新且有效的實際手段。但由于噪聲信號的復雜性，以及聲感受的不客觀性，聲掩蔽技術的研究存在一定的局限性。隨著腦科學成像技術的不斷發展，視覺、聽覺、味覺、感覺、語言以及記憶等方面在人類大腦皮層中如何感知與表達，已經成為了科學家一直在探索的腦科學問題。因此，交叉研究成為當今腦科學研究的熱點。本研究初步探索了雨滴聲掩蔽電焊噪聲的大腦皮層響應狀態，為探索人類大腦皮層對聲掩蔽作用的響應變化規律提供了一定依據，但有關的機制有待進一步深入研究。