骨传导技术及其应用

吕磊 综述 王福源 樊永良 审校

骨传导技术及其应用

吕磊1综述 王福源1樊永良2审校

骨传导是声音通过人体骨骼传导的现象，能够有效防止环境噪声的干扰；能够和空气传导结合形成独特的听觉环境；可以利用其听障人士助听等。目前国外已有骨传导耳机，也已将骨传导应用于手机接听，以方便在有环境噪声干扰的场合下使用。但是国内这方面的研究起步较晚，相关的报道较少，本文通过对目前国内外骨传导技术的研究现状、应用等进行综述，旨在促进此技术的发展及应用。

1 国内外研究现状

20世纪初，人们认为人耳可听到的最高声音频率为24 k Hz。1950年，Pumphrey［1］首次报道了人通过骨传导可以感知到频率高达120 k Hz的超声，骨传导因此也被称为“超声骨传导”（bone－conducted ultrasound，简称BCU）。目前关于BCU原理的了解尚不是很深入，但是多年的研究已经获得若干确定的结论：①人们通过骨传导感知到的声音音调和实际的频率没有直接关系，其感觉就好像在听8～16 k Hz的空气传导声一样［2］；②BCU屏蔽10～14 k Hz的空气传导声音［3］；③BCU的动态范围小于气传导声［4］；④由于骨传导不占用耳道，所以听觉系统可以同时感受到骨传导和气传导获得的声音［5］。

国内早就有关于骨传导研究的报道。如2002年钱宇虹等［6］对空气和骨传导听性脑干反应（auditory brainstem response，ABR）测试做了研究，指出其对新生儿感音神经性聋的检出及小耳畸形患者听力水平的测定有较大临床意义，还能为传导性或混合性听力损失的鉴别诊断及蜗后病变的定位诊断提供依据。张帆等［7］采用听性稳态反应（auditory steadystate response，ASSR）测试比较了骨振器在不同位置的骨导反应阈，旨在找到便于临床操作的骨振器放置位置。

早期的研究主要集中在利用骨传导做听力有关的临床诊断，骨传导技术常常应用于鉴别神经性聋和传导性聋。另外，Martin等［8］利用骨传导超声实现了对耳鸣进行掩蔽治疗。1998年Hosoi等［9］将ASSR应用于骨传导的传导机制研究，他以听力正常人为研究对象，用频率为1 k Hz和2 k Hz的空气传导纯音以及由1 k Hz和2 k Hz的纯音做了幅度调制后的超声作激励，分别观察两者诱发磁场波峰的等效电流偶极子（electric current dipole，ECD），结果表明两者的ECD都位于听觉皮层，而且位置十分靠近。他们对严重的耳聋患者做了同样的测试，发现53名患者中有28名可以感知到超声激励，其中11名还可以识别不同的语音调制超声。这些结果均表明，听力正常的人和部分有听障的人都可以感知到语音调制后的超声。此外，Hosoi等的研究还证明了骨传导超声激励于人脑的听觉皮层，为将骨传导超声应用于助听领域提供了依据［9］。

虽然在原理方面还没有获得突破性的进展，但是已经有人做了大量实验，用以比较骨导和气导的效果。Gripper等［10］在有多人谈话噪声的环境下，在信噪比分别为6、9和12 d B的情况下，由12个听者通过实验比较骨导和气导的效果。结果表明，气导的效果比骨导好；在不同的信噪比下，听者的数字和字母识别率呈现非常大的差异，在6 d B信噪比下为最好。

贾天竺等［11］对颧骨传导信号接收做了实验，给出了环境噪声为62 dB下，各个年龄段和不同性别的受试者的听阈实验图。通过实验得知，骨传导听觉的最敏感区在800～2 500 Hz。董慧艳等［12］记录了22名听力正常青年人骨导脑干电反应，观察骨振荡器不同位置放置的影响，结果显示，高强度刺激时，每一受试者均可记录到清晰、稳定的波；骨振荡器放置在耳后鼓窦区时，反应振幅高、阈值低、分化好，同、对侧记录波振幅及潜伏期差异极小。

2 骨导技术的优缺点

与气导相比，骨导有以下优点：①可以避免搀杂在空气中的噪声，在战争和很多需要有较强抗噪能力的场合有重要的应用价值；②骨导和气导是两个独立的路径，因此可以营造独特的听觉环境，使人的听觉系统可以同时感受到两个不同声源的声音；③骨传导的频率范围很宽，可以利用这一特点改善高频段的声音品质，使声音的频域得以拓宽；④有些严重的耳聋患者依然具有感知骨传导声音的能力，因此，有可能通过骨导给予助听［13］。

虽然骨传导有上述优势，但是由于目前对其原理尚不够了解，所以也存在诸多的问题。主要有：①目前所研究的传导路径基本上都是将声源置放于人体的颅骨，对很多应用并不方便；②接听骨导声源的方便程度远不能和气导相比［13］；③从已有的研究看，骨传导传递声音的能力（包括灵敏度和质量）尚不能和空气传导比拟；④人体本身在骨传导过程中对语音频率成分的影响尚不十分清楚；⑤骨传导可以通过直接传递超声或者通过数字信号处理中的“频率搬移”方法，将气导的声音搬移到超声的范围内作传递［14］，目前对于频率搬移的研究尚不够充分。

3 骨导在助听方面的应用

在应用性产品得以开发之前，一个重要的工作是利用实验平台做必要的测试和传导实验，以得到关于传输性能、频率特性、语声处理方法等方面的重要依据。通常的做法是把常规的声音频率利用计算机数字信号处理的方法“搬移”到超声范围，然后传输到听者的听觉系统。利用实验平台可以对各种频率变换、调制方式等做出必要的数据比较。由于实验平台的重要性，因此平台的开发和平台实验的研究也是骨导研究的一个重要方面，很多实验平台应用了电子技术和计算机技术的最新成果。

罗怡珊等［14］研究了骨导的助听机制和频率的转换算法，作者分别计算了单耳骨导超声激励和单耳骨导音频激励在头内形成的声场，结果表明：骨导超声可同时激励双耳耳蜗，且传导能力优于骨导音频激励。以此得出结论认为，骨导超声助听效果比骨导音频助听效果好。尽管在骨导助听方面已经有了比较多的研究工作，但是实际上能够付诸应用的产品并不多见。据报道，日本产业综合研究所研制的骨导超声助听器可以使40%以上的严重耳聋患者感知到声音，17%的严重耳聋患者识别语音［15］。目前植入式骨导助听器有美国产Audiant和瑞典产的BAHA，优点是可消除声反馈，声音传递效率高，外耳道无堵塞感，适用于老年和儿童先天性或后天性传导性聋与感音神经聋而又不能经耳显微外科手术矫治者［16］。日本TEAC（第一音响）公司2007年发布了HP－F100 Filltune耳机，该耳机将声音的振动施加于人体的皮肤和骨头，将其直接传达到内耳（耳蜗）而使其直接感受到声音。由于不使用鼓膜感应声音，有轻度听障者或者是因为年龄增加而对高音有听觉障碍的老人也可以享受较高的音质［17］。

4 骨导在其他方面的应用

骨导能够有效抵御环境噪声的特点不但可以应用在助听设备，还可以在战争环境、日常通信等方面得到应用。目前已经有多款骨导手机面世，例如东芝A5529T、泛泰A1407PT、三洋电机的TS41等，这种免手持的手机除了可以防止环境噪声的干扰，同时对驾车通话的安全性很有帮助。利用骨导频域较宽的特点，可以开发出高音质的耳机。如TEAC公司的HP－F200耳机提高了高频段的重放性能，最大输出功率可达2.8W×2。

5 结语

作为医学和电子学的交叉学科，骨导已经显示出了独特的应用优势。已经有不少利用骨导原理的产品问世，并且在不断探索新的应用领域，如煤矿的通信［18］、对讲耳机、多声源同时听取的研究等。由于其原理和性能尚须进一步探索，所以目前的应用开发尚不够成熟。随着电子和医学两方面的理论和技术的进步，骨导的应用会越来越广泛和成熟。

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 朱晓峰.骨导电话传输性能研究［J］.现代电信科技，2008，37：48.

6 钱宇虹，梁力，江刚.正常青年人气骨导听性脑干反应的比较研究［J］.听力学及言语疾病杂志，2002，10：4.

7 张帆，莫玲燕.正常听力成人骨导听性稳态反应的研究［J］.听力学及言语疾病杂志，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 贾天竺，兰枫.颧骨传导信号接收特性初探［J］.电声技术，2003，26：48.

12 董慧艳，李敏，殷善开，等.听力正常青年人骨传导脑干电反应测试及骨振荡器不同位置放置对其影响［J］.耳鼻咽喉头颈外科，1995，1：15.

13 朱晓峰.骨导技术及在信息通信中的应用［J］.电信技术，2008，54：18.

14 罗怡珊，汪源源，徐峰，等.骨传导超声与骨传导音频的特性比较［J］.生命科学仪器，2007，05：51.

15 罗怡珊，汪源源，王威琪.骨传导超声助听技术的研究［J］.国际生物医学工程杂志，2006，28：361.

16 汤建国，王辉萼.助听器的进展［J］.国外医学.耳鼻咽喉科学分册，2000，36：343.

17 时风.用头骨传音的Hi－Fi耳机HP＿F100［J］.实用影音技术，2007，23：23.

18 氏家英明，滑川正朗，杉本直树，等.枥洞矿的骨传导通信系统［J］.国外金属矿，1995，05：22.

（2010－06－01收稿）

（本文编辑 周涛）

10.3969／j.issn.1006－7299.2011.01.028

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A

1006－7299（2011）01－0085－02

1 郑州大学信息工程学院（郑州 450052）； 2 郑州大学西亚斯国际学院