骨导麦克风在咀嚼运动研究中的探索

夏樾，肖丹娜，王璐，高辉

（1.天津医科大学研究生院，天津300070；2.天津市口腔医院正畸科，天津300040）

论著

骨导麦克风在咀嚼运动研究中的探索

夏樾1，肖丹娜2，王璐2，高辉2

（1.天津医科大学研究生院，天津300070；2.天津市口腔医院正畸科，天津300040）

目的：应用骨导麦克风收集正常成人咀嚼运动产生的咀嚼音,并对咀嚼音特点进行初步探索。方法：随机选取均角骨面型的个别正常在校大学生30名，其中男性13名[平均年龄（26.8±2.1）岁]，女性17名[平均年龄（26.3±1.8）岁]。每人咀嚼4粒熟花生米，每粒花生米重量为（2.24±0.16）g。使用骨导麦克风记录咀嚼音，praat5.4.04软件收录录音样本wav文件，分析男女两组音强（MI）、最大音高（MP）差异及MP、MI与咀嚼循环次数(MC)和咀嚼时间(MT)之间的相关性。结果：男女两组咀嚼MI、MP，MC和MT差异都不具有统计学意义。咀嚼MC与MT相关系数为0.804（P＜0.01），MI和MC、MT相关系数分别0.992（P＜0.01）、0.844（P＜0.01），均呈高度正相关。而MP与MC、MT无相关性。结论：咀嚼音强可做为咀嚼运动中耗能的参考指标；正常成人男女咀嚼音强、最大咀嚼音高无统计学差异。

骨导麦克风；音强；音高；咀嚼运动；咀嚼音

口腔的主要功能之一是咀嚼[1]。在对咀嚼运动发声的研究中，Ingle[2]在1957年最早提出可以用声音来评价咬合状态，随后Brenman和Hatller[3]以及Watt[4-5]最早使用声音传感器收录受试者咬合运动发出的声音，主要使用后牙咬合过程声音振动频率及振幅变化的换算进行评价，并将其做为评测咬合状况的正式工具。受限于硬件组件、收音设备和声学解析软件，无法剔除杂散信号获得完整的声音信息等，使咬合运动的声学研究一直有所争议[8]。骨导麦克风最初研制用于助听及军事，通过固体直接传声，很好地避免了环境中其他杂音的影响。本研究使用骨导麦克风收集成人自然咀嚼过程咀嚼音，使用pratt软件计算咀嚼音音强（MI）及音高(MP）。比较音强、音高性别之间的差异，并将其和定量食物自然咀嚼过程中咀嚼循环次数（MC）和咀嚼时间（MT）做相关性研究。初步探索咀嚼运动中咀嚼音的变化特点。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器 骨导麦克风：BONEVIBRATION HEADGEAR（Model：HG17 series）改装为3.5 mm音频线接口；音语收集装置：ZOOM H4N录音装置，利用硬件节点录制，采样频率为8 000 Hz，采样精度为16 bit，单声道；咀嚼物：熟花生米，每粒体积大致相似，重量为（2.24±0.16）g；分析软件:praat5.4.04，荷兰阿姆斯特丹大学人文学院语音科学研究所。

1.2 研究对象 随机选取天津医科大学在校大学生30名，其中男性13名，平均年龄（26.8±2.1）岁，女性17名，平均年龄（26.3±1.8）岁。受试者为均角骨面型，完整恒牙列，磨牙区为安氏Ⅰ类咬合。受试者无系统性疾病；颌面部无正颌、外伤治疗史；无严重牙列拥挤；口内无修复体；无颞颌关节疾病。

1.3 试验方法

1.3.1 测定环境选择 选择安静室内环境，将骨导麦克风静置录音1 min，将录音wav文件导入praat软件观察声波波形，无明显波动则选定为试验环境。1.3.2 数据收集方法 受试者端坐，自然头位，受试前蒸馏水充分含漱，保持录音时周围环境安静。将骨导麦克风固定在受试者颊部颞颌关节区皮肤。受试者闭唇单侧咀嚼熟花生4粒，自咀嚼开始录音至自然吞咽完成结束录音。将录音wav文件导入praat，通过软件计算咀嚼MI、MP，统计MC与MT。

1.4 统计学处理 用Spss17.0软件进行分析，设定检验水准α=0.01。使用Kolmogorov-Smirnov检验测试MI、MP、MC、MT 4组数据正态性。使用两独立样本t检验比较男女两组的MI、MP差异，使用Pearson分析评测MI、MP、MC、MT之间的相关性。

2 结果

骨导麦克风收录咀嚼音生成wav文件，通过计算机导入praat软件，即可显示每个声音样本的波形图，如图1。选取每位受试对象的完整咀嚼过程波形图，播放音频并随时控制暂停，统计出MC及MT。通过软件计算出每个受试对象咀嚼过程中咀嚼音MI和MP。经单样本Kolmogorov-Smirnov检验MP、MI、MC、MT 4组数据都呈正态分布。

图1 wav文件在pratt软件中生成波形图Fig 1 The waveform from the wav in pratt

2.1 不同性别间MI、MP、MC和MT差异 不同性别咀嚼音统计数据如表1。对男女两组MI、MP、MC和MT进行两独立样本t检验，不同性别间MI、MP、MT、MC的P值大于0.05，差异无统计学意义。

表1 30例正常成人男女咀嚼音数据（s）Tab 1 Chewing sound data of 30 adults（s）

表1 30例正常成人男女咀嚼音数据（s）Tab 1 Chewing sound data of 30 adults（s）

女 25.12±7.67 16.22±4.66 1030.44±271.23 1374.14±174.32

2.2 分别比较MI、MP、MC、MT相关性 由图2、图3和图4的统计散点图显示在MI与MT、MI与MC、MT与MC的散点分布分别呈现正相关趋势。使用Pearson分析在P＜0.01水平上对MI、MP、MC、MT进行一元线性相关分析，得出MT与MC相关系数r=0.804；MI与MT相关系数r=0.992；MI与MC相关系数r=0.844，MI与MC、MT之间呈高度正相关。而MP与MI、MC、MT之间的相关系数r分别为0.201、0.194、0.193，无相关性。

图2 咀嚼次数与咀嚼音强散点图Fig 2 Scatter diagram of MC and MI

图3 咀嚼时间与咀嚼音强散点图Fig 3 Scatter diagram of MT and MI

图4 30例成人咀嚼时间与咀嚼次数散点图Fig 4 Scatter diagram of MT and MC

3 讨论

学者们在咀嚼音的前期研究中，常常关注极短时间或单次咀嚼声音，以考察力及咬合状态的变化[2-5]。1992年 Bagnall等[6]发现由于收音装置及数据传输硬件、声学处理软件、试验条件的限制、试验数据的单一等，不认为咀嚼中声音的信号能作为对咬合的研究指标。1998年Tyson等[7]对咀嚼中声音信号的可靠性进行研究，认为声音信号可以做为咬合的研究指标。由于咀嚼音的研究处于争议，之后相关研究较少。2000年Prinz等[8]在生物工程学上将咀嚼音做为相关参考指标研究，2008年姜若萍，Tyson等[9]使用咬合音对稳定咬合的时间做出研究，此后并无相关报道。

本研究着力于解决声音信号的完整及处理争议，使用骨导麦克风及现代声学软件进行研究。Pumphrey[10-12]首次提出“超声骨传导”的概念，相对于空气传导，骨导利用独立的传导路径和更宽的频率范围避免在空气中的噪声。在助听、电子通信以及军事中已成熟运用。咀嚼音是牙体硬组织与固体食物之间的运动产生固体声。固体声在固体传播中几乎没有衰减且具有纯音性[13]，本研究中骨导麦克风收集的咀嚼时颌面部软硬组织传导的固体音，数据完整准确且收集过程简单，联合现代声学研究软件解决了数据处理问题。主要对定量硬质食物咀嚼中的能耗变化进行了初步研究。

早期由于声音数据软件的限制，学者们使用傅立叶转换功率谱计算音的频谱变化，用于评测咬合运动过程中的稳定性、力及错颌畸形的诊断[14-16]。而对咀嚼运动中口颌系统的咀嚼音并无报道。本研究不仅关注自然咀嚼过程中产生咀嚼音的音高，而且对音强这个基本属性也做了初步探索。音高反映声音调的高低，音强是一种计量声音大小的量，描述声音响度，两者反映声波携带能量之大小[17]，在固体声中也同时反映两固体物质撞击产生的能量大小。所以本研究选择自然咀嚼过程中的总体音强为咀嚼运动中能耗的参考指标。音高是固体中分辨声调高低的指标，固体声中为单音，所以音高代表固体声声频高低。以往对音主要是对其频谱变化及衰减的研究，认为音高能够反映力大小[18]，所以本研究选择最大音高为咀嚼运动中力的参考指标。Nicolas等[19]使用录像及图像分析技术，研究完整的自然咀嚼过程，发现MT，MC与肌电高度相关且可重复性高。本试验研究了定量食物咀嚼过程中MT、MC的相关性，其相关系数为0.804，呈高度正相关，这反映出在定量食物的咀嚼中，咀嚼时间、咀嚼循环次数协同反映食物的咀嚼程度。MT与MC值越大则咀嚼中耗能越大，肌力越强，食物被咀嚼程度越高。MI体现了咀嚼过程中咀嚼音的能耗，在其相关性检验中，MT、MC、MI之间相关性很高，提示咀嚼音的强度指标变化与咀嚼运动的肌力和耗能紧密相关。在MI与MT、MC的相关性研究中，相关系数分别为0.992、0.844，呈高度正相关。这进一步提示在咀嚼运动过程中，所耗的能量越多，食物被咀嚼的越精细。MP则代表咀嚼过程中最大力，在其与MI、MC、MT的相关性研究中，相关系数分别为0.201、0.194、0.193，并无相关性，提示最大力与咀嚼中耗能和食物咀嚼程度并无关联。

对不同性别的MT、MC、MI、MP的差异研究中发现，男女两组指标差异并无统计学意义。可能受测对象都属于身体状况正常的青年，且咬合功能良好，因此在自然咀嚼状态下对硬质食物咀嚼力及耗能并无显著差异。这一结论与邓飞龙等[20]和de Abreu等[21]测量青年人自然咀嚼过程咀嚼能力相同。

本研究在整个试验过程中，使用骨导麦克风收集固体音，对咀嚼声音信号收集完整无损失。收集方法及步骤简单，可用于临床环境。利用现代声学软件，使对声音信号的处理和数据收集变得简单易操作。在本研究中除了验证传统的音高指标外，同时发掘了音强指标亦可做为研究咀嚼运动中能耗的参考指标。对于声学在咀嚼运动中的深入研究，如错畸形、咀嚼效能的声学研究有待我们进一步的探寻。

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（2015-10-26收稿）

Study of chewing movement by the bone-conducted microphone

XIA Yue1，XIAO Dan-na2,WANG Lu2，GAO Hui2
（1.Graduate School,Tianjin Medical University,Tianjin 300070,China;2.Department of Orthodontic,Tianjin Stomatolgical Hospital, Tianjin 300040,China）

O bjective：To study the characteristics of the sound of normal hu man masticating recorded by the bone-conducted microphone.Methods：A total of 30 subjects were chosen randomly in the college，13 male and 17 female.The average age of male was (26.8±2.1)years old,and female(26.3±1.8)years old.Four similar volume peanuts masticated by every subject were weighted(2.24±0.16)g. The sound of the subject masticting by the bone-conducted microphone of BONE VIBRATION HEADGEAR was recorded.The masticatory time(MT)and the number of masticatory cycles(MC)were branded by the praat 5.4.04 and the intensity of masticatory sound(MI)and the pitch of masticatory sound(MP)were calculated.The statistic difference and correlation between the male and female and the correlation among MI,MP，MC and MT were analysed.Results：The differences in male and female were not statistical significant(P＜0.05).The correlation coefficient between MI and MT was 0.992(P＜0.01)，between MI and MC 0.844(P＜0.01)，between MT and MC 0.804(P＜0.01).The correlations among MT,MC and MI were significant positive.And there was no correlation between MP and MC,MT.Conclusion：The energy consumption of normal humam masticatory could be reflected by the intensity of masticatory sound.There is no statistic difference between MP and MI in male and female.

bone-conducted microphone；intense of sound；pitch of sound；masticate；chewing sounds

R78

A

1006-8147（2016）02-0144-03

国家临床重点专科建设项目（口腔正畸专业）（国卫医办函【2013】544号）

夏樾（1989-），男，硕士在读，研究方向：口腔正畸学；通信作者：肖丹娜，E-mail：drxiaodanna@gmail.com。