俞倩 李佳楠 杨仕明

解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科听觉植入中心

·综 述·

声源定位测试的研究现状

俞倩 李佳楠 杨仕明

解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科听觉植入中心

综述听觉系统声源定位的机制及声源定位测试的研究现状。目前，听觉系统对于声音在双耳间形成的特定信号来辨识方向性的机制已研究得较成熟，但听觉中枢如何整合双耳间信号特性来定位的机制尚不明白。研究表明，大部分听障患者在经过听力干预后的声源定位能力都有不同程度的提高，但是使用双侧人工耳蜗或结合使用人工耳蜗和助听器的患者的声源定位能力较单侧使用耳蜗的患者好。

声源定位；人工耳蜗

This study wad funded by:the National“973”Major Scientific Research Program Stem Cell Project of China(BWS14J045),the 12th Five Year Plan Key Scientific Research Project of the Military,the Capital Health Developmental Science Research Key Project of Beijing (SF2016-1-5014),Life science frontier Technology Cultivation Program of Beijing Science and Technology Commission,Cultivation and Development Program of Beijing Science and Technology Innovation Base(z151100001615050),Beijing Science and Technology New Star Program,Science and Technology of Beijing Hundred-leader Project.

Declaration of interest:The authors report no conflicts of interest.

助听设备的出现帮助了听障患者重新进入了有声的世界，改善了他们的生活质量。但是，在日常生活中我们发现听障患者使用助听辅具聆听时对声音方向性的辨别和噪声环境下言语的识别能力较差。目前在临床上，言语测试作为助听后康复评估的研究较多，理论也比较成熟，而对声音方向性的辨别研究却一直被忽视。近些年来，随着人工耳蜗技术的发展，声源定位测试应用于听障患者助听效果的评估的报道越来越多。研究声源定位的产生机制，尤其是加深对人体声源定位形成过程及特征的探究，不仅有利于对听障患者助听技术干预后聆听效果的评估，为临床人工耳蜗植入及助听辅具应用时间的选择提供参考，也有利于提升对听觉功能的全面认识。本文对目前声源定位测试的研究现状综述如下。

1 声源定位的机制

声源定位是指听觉系统对听觉物体位置的识别过程，包括对听觉物体垂直方位、水平方位以及与听者距离的识别。声源的位置通常可以通过水平方位、垂直方位以及与听者的距离这些参数来描述。水平面通过耳道和眼眶下部；垂直面位于头部正中并与水平面垂直，在垂直面内的各点与双耳的距离相等；冠状面经过双耳连线并与水平面垂直。3个平面的交点基本位于头部中心[1]。许多研究表明[2,3,4,5,6]，在水平面内的声源定位主要依赖于双耳间的信息差别，即双耳位置不同所产生的耳间时间差(interaural time difference,ITD)和耳间强度差(interaural level dif⁃ference,ILD)；而在垂直面内的定位则主要依赖于声信号绕过外耳及躯体所形成的特殊波谱来确定声源所处的位置。

对于低频声(1500 Hz以下)来讲，低频信号的波长很长，因头颅阻挡导致到达双耳的强度差很小(低频ILD约1～2 dB)可以忽略不计，但由于声源距两耳的距离不同，使得声音到达两耳的时间不同，即形成ITD。当声源正对一侧耳时，两耳间的时间差最大约为700微秒，而10微妙的ITD即可被听觉系统探测出来，因此对低频声ITD成为声源定位的主要信号。对于高频声(2000 Hz以上)来讲，其频率较快，ITD太小，不能为中枢提供有效的定位信号。此外，高频信号的波长较短，使其不能绕过头颅的阻挡，声音到达对侧耳时强度会产生衰减，即头影效应(head shadow effect)。头影效应导致两耳所感知的声音强度不同，即ILD，高频信号的ILD最大可达35 dB，而人对ILD的分辨阈值可小于1 dB，因此对高频声ILD成为声源定位的主要信号[7,8]。

当声源位于以耳间连线为轴而延伸的锥体上，对应位置的ITD与ILD相同，这时耳间信号在上下或前后的方位上只提供含糊的定位信息，即“混淆锥体（cone of confusion)”效应。此时需要耳廓的辅助，声波在耳廓被共振增强和反射减弱，传向鼓膜的同时产生了频谱变化，在这个过程中，声波具有了独特的波谱特征，某些频带变弱形成频谱切迹，使听觉系统有足够的信息来克服含糊不清的双耳信号，因此耳廓的声谱信号提供了声源的垂直方位的信息。听觉对声源距离信息的感知主要依据信号的强度、反响的量以及接收到的信号的频谱形状[9,10]。

上面介绍了声源定位过程中，听觉系统是如何对ITD、ILD以及频谱等声音信号的编码，但对下丘和高级听觉中枢如何处理这些传入信号的机制尚未完全清楚。大量的神经细胞电生理研究证实了对声音方位性的辨识建立在神经生理基础上，听觉中枢神经元可比较声音信号在耳间的不同特性来精确定位。但是，目前对听中枢神经元是如何编码声音方位信息的机制还不明白[11,12,13,14]。

综上所述，声音到达双耳的时间差和强度差提供了声源水平方位的信息；耳廓声谱信号及双耳声谱信号的差别提供了声源的垂直方位的信息；声音的强度、反响的量以及接受到的信号的频谱特征提供了声源的距离信息。但是，声源定位的过程是听觉系统复杂综合功能的体现。对声音的时间差、强度差以及频谱特征的处理还依赖于听觉上行通路中的相关中枢，对声源方位的感知更大程度上是依赖于听觉中枢系统对来自于两侧耳的输入信息的提取、加工和整合。听觉系统中的许多神经核团为编码声源的位置信息提供了解剖学和神经生理学基础。但目前对于高级听觉中枢对声源定位的编码机制仍不十分清楚。

2 声源定位的测试方法

声源定位测试多采用主观听力测试方法，其中以角度识别法（source azimuth identification）和角度辨别法（source azimuth discrimination）最为常用。角度识别法是评估受试者直接判断声源位置的能力，这是测量声源定位绝对精确度的方法；角度辨别法则通过测量角度辨别阈值（minimum audible angle, MAA)，即同一方位两个相同声源可被受试者识别的最小角度值，进而评估受试者声源定位能力的敏锐性，这是测量声源定位相对精确度的方法[15,16,17,18,19]。

虽然目前对具体的声源定位测试方法尚无定论，但研究者们在研究中采用较多的测试方法是：将多个扬声器以患者为中心按一定间隔呈弧形摆开，声音随机地由其中一个扬声器发出，信号声有的是噪声，有的是单词，有的是句子，当声音发出后要求患者指出是哪个扬声器发出的，根据所指的扬声器与正确的扬声器之间的扬声器个数来计算错误分数（RMS error），进而评价患者的声源定位能力[20,21,22,23]。

3 声源定位的研究现状

3.1 单侧耳蜗植入患者的声源定位能力

在以往的一些研究中[24,25]我们发现部分单侧耳蜗植入患者的声源定位能力未得到改善，其原因可能是单侧植入耳蜗的患者不能利用头影、外耳等提供两耳间的信号差，出现鸡尾酒效应，从而使得声源定位的能力下降。另外Gori M等人[26]通过对耳聋的神经发育研究显示，耳聋患者的传入神经通路出现相对弱化，包括耳蜗核、上橄榄和下丘的连接减少，神经元体积和数量减少，树突形态改变，以及下丘两耳信号的整合消失等。由于发育过程的重构，使得听觉传导通路弱化，因此即使植入了人工耳蜗，其声源定位能力的改善程度也十分有限。但也有研究[27,28]发现听障患者在单侧植入了人工耳蜗之后，其声源定位能力有了提高，原因可能是声源定位中枢具有较强的可塑性，耳聋所处的发育阶段越早，中枢的可塑性越强，因此在单侧植入人工耳蜗后，该侧的听觉通路及听觉中枢功能增强，使得听觉中枢学习使用单耳的信号来进行声源定位。行为学证据也支持单侧耳聋患者利用单耳信号来定位水平方位角，当声强在患耳阈下时，双耳信号消失，患者会应用波谱信号来定位声源[29]。

3.2 双侧人工耳蜗患者的声源定位能力

大量的研究[24，30，31，32]结果显示绝大多数的患者，不管是成人还是儿童，使用双侧人工耳蜗的声源定位能力较正常听力者略有不足，但是与使用单侧人工耳蜗或者一侧人工耳蜗对侧助听器的患者相比其声源的辨别能力有显著提高。与正常人相比，其声源定位能力还存在差距，可能与以下因素有关：1.人工耳蜗设备的影响：耳间时间差信息的准确性依赖于助听装置对于时间信息的高保真性，人工耳蜗不能较好地保存时间信息，因此，会在一定程度上影响人工耳蜗植入后声源定位的准确性；2.患者本身的因素：患者耳聋的年龄、耳聋的时间、耳聋的程度、植入的年龄等因素都会使得听觉通路处理声音信号的能力减弱。这可能是双侧植入人工耳蜗的患者声源定位的能力未能改善的原因。但总的来说，双侧耳蜗植入后的患者声源定位的能力还是有所提高的。与单侧耳蜗植入者相比，其声源定位能力有显著优势，原因可能是双侧耳蜗植入的患者，声信号在神经传导方面与正常人一样，听觉中枢同样可以获得两侧听觉通路传来信号进行声源的定位。

3.3 双模式（一侧人工耳蜗对侧助听器）患者的声源定位能力

目前，大多数的研究[22，33，34，35]结果显示，成人患者或者儿童患者，使用双模式助听后的声源定位能力较双侧耳蜗助听的患者还存在差异，但是与单侧耳蜗植入的患者比较发现，其声源定位能力有显著提高。有学者[22,37,38]研究表明，双模式患者的定位能力较双侧耳蜗患者不足的原因可能是双模式聆听患者耳间时间差线索的有效性取决于助听设备对时间信息的高保真性。经测量，助听器只有5 ms的时间延迟，时间信息保留较好，但是，人工耳蜗缺乏低频刺激，所以人工耳蜗患者无法利用耳间时间差信息进行声源定位。在双耳时间差信息无法利用的情况下，耳间强度差是患者声源定位的重要基础，但是人工耳蜗和助听器对声音信号增益的控制调节不同，如果调节不当，双模式聆听的患者双耳间增益或者响度感知失衡，将导致耳间强度差信息也减弱。T.Y. C.Ching等学者[21,22,23]在研究中也证实，采用双模式聆听的患者，无论是儿童还是成人，经过精细调节后的双模式聆听患者比不经过调整的双模式聆听患者的声源定位更加准确，并且差异具有统计学意义。

目前国内外对于不同助听模式（双侧耳蜗、单侧耳蜗、双模式）时受试者声源定位能力的研究结果不尽相同。总的来说，大部分听障患者在经过听辅技术干预后的声源定位能力都有不同程度的提高，但是使用双侧人工耳蜗或结合使用人工耳蜗和助听器的患者的声源定位能力较单侧使用耳蜗的患者好，其潜在的机制目前尚不确定，未来还需要更多的探究以了解其机制，从而为听障患者助听设备的使用提供指导意见，以提高他们的生活质量。

4 问题与展望

至今，国内外对耳聋患者进行听觉干预后声源定位能力评估的基础研究和临床应用较少，且对声源定位的测试方法尚未统一，未来还需要投入更多对声源定位测试方法的研究，以便统一规范化测试。目前，对于声音在双耳间形成的特定信号来辨识方向性的机制已研究得较成熟，但听觉中枢如何整合双耳间信号特性来定位的机制尚未弄清，这个将成为未来开展声源定位测试研究必须面临的挑战。由于之前对声源定位认识的不足，明显影响了对听障患者使用听辅设备的评估，而且因为儿童配合不足等原因，大多数的研究集中在了成人。因此，未来还需要较大样本和较宽年龄段的受试者来评估不同助听模式下的声源定位能力的改善规律，进而为临床上耳聋患者听觉干预的时间把握提供指导。

1 王坚．听觉科学概论［M］．北京：中国科学技术出版社，2005：411-424．Jian Wang.Introduction to Hearing Science[M].Beijing:China Sci⁃ence and Technology Press，2005:411-424.

2 Hebrank,J.And D.Wright．Are two ears necessary for localization of sound sources on the median plane?［J］．J Acoust Soc Am,1974, 56（3）:935-938．

3 Hebrank,J.And D.Wright．Spectral cues used in the localization of sound sources on the median plane［J].J Acoust Soc Am,1974,56（6）:1829-1834．

4 Pollak GD．Neurobiology:model hearing［J］．Nature,2002（2）, 417:502-503．

5 Carlile,Pralong．The location-dependent nature of perceptually sa⁃lient features of the human head-related transfer functions［J］．J Acoust Soc Am,1994，95（6）:3445-3459.

6 Perrett,Noble.The effect of head rotations on vertical plane sound lo⁃calization[J].J Acoust Soc Am,1997,102(102):2325-2332.

7 Grothe B,Pecka M,McAlpine D．Mechanisms of sound localiaztion in mammals［J］．Physiol Rev,2010,90（3）:983-1012．

8 Charls S,Ebert Jr,Patel MR,et al．Behavioral sensitivity to interau⁃ral time differences in the rabbit［J］．Hearing Res,2008,235（1-2）:134-142．

9 King AJ,Schnupp JW,Doubell TP．The shape of ears to come:dy⁃namic coding of auditory space［J］．Trends Cogn Sci,2001,5（6）: 261-270．

10 Hofman M,Van Opstal J．Binaural weighting of pinna cues in hu⁃man sound localization［J］．Exp Brain Res,2003,148（4）:458-470

11 Moore,D.R.．Anatomy and physiology of binaural hearing［J］．In⁃ternational Journal of Audiology,1991,30（3）:125-134．

12 梅慧娴，周治金，陈其才．听觉中脑声定位的机制［J］．心理科学进展，2013，21（6）：1028-1033. Huixian Mei，Zhijin Zhou，Qicai Chen.Mechanism of sound localiza⁃tion by Auditory Midbrain[J].Advances in Psychological Science，2013，21（6）：1028-1033.

13 张季平，孙心德．脑对双耳听觉信息整合的神经机制[N]．华东师范大学学报，2007，6：12-23. Jiping Zhang，Xinde Sun.Neural Mechanism of Binaural Auditory In⁃formation Integration in the Brain[N].Journal of East China Normal University，2007，6：12-23.

14 Randy J,Kulesza Jr,Benedikt Grothe．Yes,there is a medial nucle⁃us of the trapezoid body in humans［J］．Frontiers in Neuroanatomy, 2015,9:1-9．

15 Litovsky RY,Johnstone PM,Godar S,et al．Bilateral cochlear im⁃plants in children:localization acuity measured with minimum audi⁃ble angle［J］．Ear Hear,2006,27（1）:43-59．

16 Murphy J,O’Donoghue G．Bilateral cochlear implantation:an evi⁃dence-based medicine evaluation［J］．Laryngoscope,2007,117（8）:1412-1418．

17 Grantham DW,Ashmead DH,Ricketts TA,et al．Horizontal-plane localization of noise and speech signals by postlingually deafened adults fitted with bilateral cochlear implants［J］．Ear Hear,2007, 28（4）:524-541．

18 Neuman AC,Haravon A,Sislian N,et al．Sound-direction identifica⁃tion with bilateral cochlear implants［J］．Ear Hear,2007,28（1）: 73-82．

19 Smith R.C.,Price S.R.．Modelling of human low frequency sound lo⁃calization acuity demonstrates dominance of spatial variation of inte⁃raural time difference and suggests uniform just-noticeable differ⁃ences in interaural time difference［J］．Plos One,2014,9:e89033．

20 Potts G.L.,Skinner M.W.,Litovsky R.A.．Recognition and localiza⁃tion of speech by adult cochlear implant recipients wearing a digital hearing aid in the nonimplanted ear（bimodal hearing）［J］．J Acoust Soc Am,2009,20（6）:353．

21 Ching T.Y.C.,Hill M,Brew J,et al．The effect of auditory experi⁃ence on speech perception,localization,and functional performance of children who use a cochlear implant and a hearing aid in opposite ears［J］．Int J Audiol,2005,44（12）:677．

22 Ching T.Y.C.,Incerti P,Hill M．Binaural benefit for adults who use hearing aids and cochlear implants in opposite ears［J］．Ear＆Hearing,2004,25（1）:9-21．

23 Ching T.Y.C.,Psarros C.Hill M,et al．Should children who use co⁃chlear implants wear hearing aids in the opposite ear［J］．Ear＆Hearing,2001,22（5）:365-380．

24 Nopp P,Schleich P,D’Haese P.Sound localization in bilateral users of MEDEL COMBI 40/40+cochlear implants[J].Ear Hear,2004,25（3）:205-214.

25 Johnstone,P.M.,Robertson,et al.Sound localization acuity in children with unilateral hearing loss who wear a hearing aid in the impaired ear[J].J Am Acad Audiol,2010,21(8):522-534.

26 Gori M,Sandini G,Martinoli C,et al.Impairment of auditory spatial lo⁃calizaiton in congenitally blind human subjects[J].Brain,2014,137:（1）288-293.

27 Van Zon A,Peters JPM,Smit AL,et al.Cochlear implantation for pa⁃tients with single-sided deafness or asymmetricalhearing loss:a sys⁃tematic review ofthe evidence[J].OtolNeurotol,2015,36(2): 209-219.

28 Dayse T.V.,Greert D C,Paul J.G,et al.Cochlear implantation im⁃proves localization ability in patients with unilateral deafness[J].Ear＆Hearing,2015,36(3):93-98.

29 Keating P,Dahmen JC,King AJ.Context-specific reweighting of au⁃ditory spatial cues following altered experience during development [J].Curr Biol,2013,23（14）:1291-1299.

30 Beijen JW,Snik AFM,Mylanus EAM.Sound localization ability of young children with bilateral cochlear implants[J].Otol Neurotol, 2007,28(4)479-485.

31 Lovett RES,Kitterick PT,Hewitt CE,et al.Bilateral or unilateral co⁃chlear implantation for deaf children:an observational study[J]. Arch Dis Child,2010,95（2）:107-112.

32 Lisa G.Potts,Ruth Y.Litovsky.Transitioning from bimoal to bilater⁃al cochlear implant listening:speech recognition and localization in four individuals[J].Am J Audiol,2014,23(1):79-92.

33 Elizabeth M.F.,Christiane S,David Schramm,et al.Users’experi⁃ence of a cochlear implant combined with a hearing aid[J].Interna⁃tional Journal of Audiology,2009,48(4):172-182.

34 Lisa G.Potts,Ruth Y.Litovsky.Transitioning from bimodal to bilater⁃al cochlear implant listening:speech recognition and licalization in four individuals[J].Am J Audiol,2007,11(3):161-192.

35 Ching T.Y.C.,Wanrooy E.van,Dillon H..Binaural-bimodal fitting or bilateral implantation for managing severe to profound deafness:A re⁃view[J].Trends in Amplification,2010,15(1):44-56.

36 Mok M,Calvin KL,Dowell RC,et al.Speech perception benefit for chil⁃dren with a cochlear implant and a hearing aid in opposite ears and children with bilateral cohclear implants[J].Audiol Neurotol,2009, 266(12):1879-1884.

37 Keilmann AM,Bohnert AM,Cosepath J,et al.Cochlear implant and hearing aid:a new apptoach to optimizing the fitting in this bimodal situation[J].Eur Arch Otorhinolaryngol,2009,266（12）:1879-1884.

38 Dillon H,Keidser G,O’Brien A,et al.Sound quality comparisons of ad⁃vanced hearing aids[J].Hearing Journal,,2003,56(4):30-40.

Current Research on Sound Localization

YU Qian,LI Jianan,YANG Shiming
Auditory Implant Center,Chinese PLA General Hospital

Mechanisms of the auditory system and current research status related to sound localization are reviewed. At present,the mechanism of sound localization by the auditory system using binaural auditory information is very clear, but the neural mechanisms of binaural information processing remain unclear.Some studies indicate that sound localization ability is improved in most hearing impaired people after hearing intervention.Also,sound localization ability is better in people with bilateral cochlear implants or one side cochlear implant plus hearing aid on the other side than in people with unilateral cochlear implant only.

sound localization；cochlear implant

R318.18

A

1672-2922（2016）04-545-4

2016-6-30审核人：翟所强）

10.3969/j.issn.1672-2922.2016.04.023

本研究基金资助项目：国家973计划重大科学研究计划干细胞项目（2012CB967900），军队十二五科研课题重点项目(BWS14J045)，北京市首都卫生发展科研专项项目重点攻关（首发2016-1-5014），北京市科委生命科学领域前沿技术培育专项，北京科技创新基地培育与发展专项（z151100001615050），北京市科技新星计划，科技北京百名领军人才项目。

俞倩，本科，研究方向:人工耳蜗植入

杨仕明，Email:yangsm301@263.net