运动性构音障碍患者发音时构音运动学特征：基于电磁发音动作描记仪的研究

冯小欢，丘卫红，陈兆聪，武惠香，覃晓逸

1.中山大学附属第三医院康复医学科，广东广州市510630；2.中山大学电子与信息工程学院，广东广州市510006

运动性构音障碍(dysarthria)是一种神经运动言语障碍，临床上常简称为构音障碍，是指由于神经和肌肉的器质性病变，造成与构音相关的肌肉麻痹、收缩力减弱及运动不精确或不协调[1]，从而导致呼吸、喉发声、共鸣、构音和韵律等异常[2]。运动性构音障碍常见病因包括脑外伤、脑卒中、脑肿瘤、脑瘫、肌萎缩侧索硬化症、帕金森病等，在与脑损伤相关的交流障碍中，运动性构音障碍发病率高达54%[3-4]。Brady等[5]研究发现，运动性构音障碍对患者社会参与的影响已超越躯体障碍，其主要危害是降低患者的言语清晰度，从而影响患者社会交流能力，造成生活质量下降。

运动性构音障碍患者构音器官运动受损相对于发声或呼吸系统受损，对言语清晰度的影响更为显著[6-7]；但由于研究方法学上的限制，以往对构音运动学的研究多在非言语状态下观察其活动能力，该评估方式主观性较强，同时缺乏说话时构音运动的动态评估数据。电磁发音动作描记仪(electromagnetic articulography,EMA)的出现解决了构音运动学研究受限的局面，它能够实时追踪和记录说话时构音器官的活动情况，同时可获得客观的构音运动学参数[8-15]。目前国外已有学者利用EMA对运动性构音障碍患者进行研究，但各研究中所采用的发音材料尚未统一，加之语言和人种的差异，所得的结果未必适用于汉语的发音规律，国内利用EMA进行临床测评的研究尚未展开。吴民华等[15]比较1例运动性构音障碍患者与1例正常人在发粤语单音时舌运动的差异，但样本量较小，且仅对舌运动差异进行比较，未涉及唇和下颌的运动，因此有必要开展更进一步的研究。

本研究采用EMA追踪和采集发音时构音运动学参数，包括持续时间、速度、加速度、运动距离和位移运动轨迹，比较运动性构音障碍患者和健康受试者构音运动学特征的差异，进一步探讨运动性构音障碍患者潜在的病理生理学机制，有助于进一步揭示运动性构音障碍的本质，为精准评估运动性构音障碍并指导其治疗提供新方向。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2017年10月至2018年10月在中山大学附属第三医院康复医学科住院的脑损伤后运动性构音障碍患者。

纳入标准：①年龄18～80岁；②各种原因(包括脑血管意外、脑肿瘤等)导致脑损伤，经头颅CT或MRⅠ确诊；③构音器官检查和构音检查确诊为运动性构音障碍；④病程1～12个月，病情稳定；⑤神志清楚、无药物和酒精依赖史或其他可能影响脑结构与功能的疾病，无精神障碍；⑥母语为汉语，且发病前语言功能正常；⑦小学或以上文化程度；⑧患者本人或家属签署知情同意书。

排除标准：①不能配合完成测评；②存在严重心肺并发症；③器质性构音障碍和功能性构音障碍；④并发失语症；⑤并发严重认知功能障碍。

另外选取年龄和性别相似的健康成年人作为对照组。

纳入标准：①年龄18～80岁；②母语为汉语，无语言功能障碍；③小学或以上文化程度；④自愿参与测评，签署知情同意书。

排除标准：①脑卒中或脑外伤等脑损伤病史；②认知障碍、药物和酒精依赖史或其他可能影响脑结构与功能的疾病，精神障碍；③严重心、肝、肾疾病；④不能配合完成测评。

最终6例运动性构音障碍患者纳入构音障碍组，10例健康成年人纳入健康对照组。两组一般资料比较无显著性差异(P＞0.05)。见表1。构音障碍组一般情况见表2。

本研究已获得中山大学附属第三医院临床研究伦理委员会批准(批准号：中大附三医伦[2018]02-307-01)，已通过中国临床试验注册中心注册(注册号为ChiCTR1800017728)。

表1 两组一般资料比较

表2 构音障碍组一般情况

1.2 方法

1.2.1 Frenchay构音障碍评定

本研究采用由河北省人民医院康复中心修改的Frenchay构音障碍评定法[16]对构音障碍患者进行评估，以了解患者各构音器官功能状况。检查包括反射、呼吸、唇、颌、软腭、喉、舌、言语八大项，每项又分为2～6小项，共28小项，每项按严重程度分为a～e五级，构音障碍严重程度分级由a级的项数占总项数(28)的比例确定：正常(28～27)/28、轻度(26～18)/28、中度(17～14)/28、重度(13～7)/28、极重度(6～0)/28。并分别计算唇、舌和下颌的情况。

1.2.2 EMA测评

1.2.2.1 EMA测评系统安装

本研究采用的EMA为加拿大NDⅠ公司生产的WAVE言语研究系统(序列号SCB5-SO3142)，其主要部件包括系统的控制单元、传感器接口单元和磁场发生器。系统配件主要包括微型传感器和参考传感器。本研究中所用的WAVE言语研究系统为8通道系统，1个微型传感器占用1个通道，1个参考传感器占用2个通道，因此可同时采集6个微型传感器和1个参考传感器的信号。将参考传感器粘贴在受试者鼻梁处，可消除头部运动对数据采集的影响，最终采集得到的数据为各微型传感器相对于鼻梁位置的参考传感器的规整数据。在进行数据采集时，还需配备笔记本电脑，声卡和音频接收装置，本研究中所采用的声卡型号为罗兰(Roland)Rubix22，音频接收装置型号为得胜(TAKSTAR)TS-8807A数字无线传声系统。金属材质话筒会被磁场发生器干扰产生大量杂音，因此本研究使用头戴后挂式全塑麦克风来采集声音数据。

EMA数据采集系统的安装：WAVE系统控制单元需分别与传感器接口单元、磁场发生器、笔记本电脑和声卡连接，同时声卡需与笔记本电脑连接(具体连接方式见图1)。EMA系统安装完成后，需在电脑上安装WaveFront软件，在采集数据前，提前将磁场发生器的电磁场辐射范围设置为500 mm，运行该软件可同时采集声音的音频文件和传感器的坐标文件。

1.2.2.2 数据采集前期准备

EMA测评在保持安静的特定评估室中进行，受试者被安排坐在有靠背的椅子(行动不便者可坐轮椅)上，提前告知每位受试者关于本次研究的大体流程，以便受试者进行配合。研究中需将6个微型传感器依次粘贴于舌尖(距离舌尖顶点5 mm)、舌面(距离舌尖15 mm)、舌根(距离舌面15 mm)、上唇、下唇和下颌，参考传感器粘贴固定于受试者鼻梁处，其中在进行舌部传感器粘贴时使用可食用的医用速干粘合剂，粘贴前需进行口腔清理并用棉签擦拭干净舌面，其余部位粘贴可用医用胶带固定。所有传感器均固定于受试者矢状面中轴线上(具体传感器粘贴位置见图2)。

图1 EMA测评系统安装方式

图2 传感器粘贴位置示意图

为了记录声音数据，每位受试者需佩戴头戴式麦克风，放置于距离右侧嘴角2 cm处。磁场发生器固定于试验台上，与受试者头部平行，磁场发生器中点与受试者右耳相平齐，相距5 cm。在正式进行数据采集前，可让患者先适应传感器的存在，练习讲话15 min，待受试者习惯后进行数据采集。

1.2.2.3 数据采集

每位受试者均进行音节重复任务，发音材料由声母(/d/、/t/、/j/、/q/、/g/、/k/、/b/和/p/)和韵母(/a/、/ia/或/iu/)构成，产生有汉语意义的不同音节，包括不送气音 da(哒)、jia(家)、ga(嘎)、ba(八)及送气音 ta(他)、qiu(秋)、ka(咔)、pa(趴)，每个音节(汉字)重复3次。进行数据采集时要求受试者按照平常说话的语速和音调发音，同时尽可能吐字清晰。因受试者发音时偶尔会出现传感器接触不良导致坐标数据的缺失，每位受试者录3组数据，选择声音数据清晰同时运动坐标数据完整的一组数据进行分析。

1.2.2.4 数据分析

首先利用Praat软件对音频数据进行切割，得到每个音节开始时间节点、结束时间节点以及音节持续时间(s)，再利用Matlab软件对运动数据进行处理，得到每位受试者各个传感器的运动学参数，包括运动速度(m/s)、加速度(m/s2)、运动距离(s)和运动轨迹。在观察构音器官运动情况时，通常每个音素只有一个主要发音位点对构建该音素起关键作用，我们定义为关键点[17]，对其关键点进行分析可明确构音器官的运动学特征，分析舌尖运动选用/da/、/ta/，舌面运动选用/jia/、/qiu/，舌根运动选用/ga/、/ka/，唇运动选用/ba/、/pa/，下颌运动选用/da/、/ta/[14]。

1.3 统计学分析

采用SPSS 20.0进行统计学分析。性别比较采用卡方检验Fisher确切概率法。计量资料采用(xˉ±s)表示，年龄及两组运动学参数比较采用两独立样本t检验。显著性水平α=0.05。

表3 构音障碍组Frenchay构音障碍评定结果

2 结果

2.1 Frenchay构音障碍评定结果

构音障碍严重程度为中度至极重度，唇、舌和下颌情况见表3。

2.2 EMA测评结果

2.2.1 构音障碍组与健康对照组比较

与健康对照组相比，构音障碍组发不送气音和送气音时，舌尖、舌面、舌根和唇的运动速度、加速度和运动距离减少(P＜0.05)，下颌运动速度、加速度和运动距离两组比较无显著性差异(P＞0.05)；舌尖、舌根和下颌运动持续时间延长(P＜0.05)，舌面和唇运动持续时间两组比较无显著性差异。见表4、表5。

2.2.2 发不送气音与送气音比较

健康对照组发送气音时舌尖、舌根及下颌运动持续时间增加(P＜0.05)，其余构音运动学参数不送气音与送气音比较无显著性差异(P＞0.05)。构音障碍组发送气音与不送气音时，各构音运动学参数比较均无显著性差异。见表4、表5。

2.2.3 两组运动学参数及同步声音音频图像分析比较

选取发/da/音时，对两组受试者的舌尖运动学参数及声音音频图像进行分析。

健康对照组受试者速度、加速度变化有明显规律，在声母/d/阶段，舌尖运动速度先增大后减小；运动加速度分两个部分，首先正向加速度(acceleration)先增大后减小，期间速度逐渐增大，随后负向加速度(deceleration)先增大后减小，期间速度逐渐减小；在韵母/a/阶段，舌尖运动速度和加速度变化幅度较声母阶段小，且维持在一定水平。声音音频变化规律整齐，连续发三个/da/音时持续时间较为均等；舌尖上下位移和前后位移随时间变化协调一致，即舌尖向上运动的同时向后运动，向下运动的同时向前运动，运动轨迹呈现特定规律。

构音障碍组受试者构音运动速度和加速度随时间变化曲线杂乱无章，无一定规律；声音音频变化无规律，连续发三个/da/音时持续时间不均等；构音运动上下位移和前后位移协调性差，舌尖向上运动的同时没有向后运动，反而向前运动；舌尖向下运动的同时没有向前运动，反而向后运动，运动轨迹与健康对照组相比存在明显差异，同时患者前后位移幅度较健康受试者偏小。见图3。

表4 发不送气音和送气音时两组构音器官不同部位运动学参数比较

表5 发不送气音和送气音时两组构音器官不同部位运动学参数统计学数据比较

图3 发/da/音时两组运动学参数及同步声音音频图像分析比较

3 讨论

言语功能被认为是一种具备高度准确性和速度的精细运动[18]，而反应特征(response characteristics)如运动的速度、加速度，在理解言语机制功能方面至关重要，这些参数的改变能够更好地提示我们言语神经运动学编程的信息[19]。运动性构音障碍造成构音器官肌肉无力或肌张力异常、运动不协调等而导致的言语功能异常，本质是构音器官肌肉的运动功能障碍，因此对构音器官运动学特征进行研究有助于进一步揭示构音障碍的本质。

以往非言语状态下的构音运动学研究，例如言语治疗师通过听和观察发现构音障碍患者唇力度降低[20]，舌力量减弱、伸舌及舌上下左右运动减慢[21]等，不同评估者的评估结果存在一定差异，同时无法获取声音和发音动作的同步数据。

有研究认为非言语状态下观察到的构音器官活动反映的是患者尽全力产生的最强的肌肉力量和耐力，但这种最强肌肉力量对言语产生的作用较小，因为言语产生时仅需要最强力量的一小部分[22]。

Ziegler[23]也提出非言语的口腔运动表现和言语行为表现之间关联性不大，因为两者在中枢神经系统的控制机制不一样，因此有必要在言语产生过程中对构音运动进行评估。

也有另一些研究者认为言语产生时各构音器官之间的运动是高度协调的，一个构音器官功能受损可能会影响另一构音器官的功能[11-14]，仅对单一构音器官进行评估并不能全面反映构音器官的运动状态。

因此，利用EMA在构音障碍患者发音时的运动学参数的检测，可对运动性构音障碍患者发音时唇、舌及下颌协调运动的构音运动学特征进行初步探讨。

3.1 构音障碍患者构音器官运动学特征

本研究结果显示，与健康对照组相比，发音时构音障碍组舌尖、舌面、舌根和唇的运动速度和加速度减慢，舌尖和舌根运动持续时间延长。可能的原因是脑损伤后构音障碍患者由于运动神经元激活减少，引起运动单元募集减少，导致唇舌肌肉力量减弱[24]，从而影响运动功能。上运动神经元受损患者构音器官肌肉表现为高肌张力、痉挛状态，造成肌肉运动阻力增加；下运动神经元受损患者构音器官肌肉表现为低肌张力、肌力减退、肌肉萎缩和肌束颤动。上述两种情况均能造成构音器官肌肉力量的减弱，从而出现运动减慢，表现为运动速度和加速度减慢，以至需要更长的运动持续时间来完成发音动作，这一结果与吴民华等[15]的研究结果一致。

Chen等[10]也报道构音障碍患者舌运动最大速度和加速度减小，同时运动持续时间增加。Goozee等[9]发现构音障碍患者说话时舌头运动减慢，但并不是由于运动速度本身减慢而是速度控制能力下降，表现为减速困难，从而造成发音的不准确。本研究中对两组运动学参数和同步声音音频图像分析发现，发音时构音障碍患者构音运动速度和加速度曲线随时间变化极不稳定，无一定规律，说明患者构音器官在执行发音动作时不仅存在肌肉力量减弱，在力量控制的稳定性方面也存在问题。因此，运动性构音障碍患者发音时唇和舌运动的速度和加速度减慢且变化不稳定。

另外，本研究表明，构音障碍患者发音时唇和舌运动距离减少；同时两组运动学参数和同步声音音频图像分析显示，构音运动上下和前后位移运动不协调，前后位移幅度减少，提示患者存在构音器官运动受限。患者唇和舌运动距离减少及运动不协调与唇和舌肌肉力量减弱有关，同时患者可能存在口颜面感觉的减弱，使其对于发音时唇运动及舌接触上颚运动的位置感知觉判断出现偏差[25]，造成患者构音运动范围未达到相应的幅度。构音障碍患者舌运动前后位移受限较于上下位移受限可能对构音障碍言语功能影响更大。Kent等[26]发现，脑瘫后构音障碍患者舌向后运动受限，即舌后缩位移减少，从而导致发后元音的位置在舌靠前位置。Lee等[27]的研究也表明，肌萎缩侧索硬化所致的构音障碍患者舌运动前后位移减少，是患者语音清晰度降低的原因之一。因此，构音障碍患者发音时唇和舌活动受限，前后位移受限更为严重，增强前后位移的发音训练可能对言语功能恢复的作用更大。

在正常的言语产生过程中，构音器官中无论唇与下颌还是舌头与下颌的运动都是高度协调的，唇、舌与下颌呈现协同运动模式[28-29]。本研究显示，与健康受试者相比，构音障碍患者下颌运动速度、加速度和运动距离差异无统计学意义，与Bartle等[14]的研究结果一致。Bartle等[14]利用EMA分析说话时舌与下颌的协调性，发现构音障碍组与正常对照组相比无显著性差异，但该研究基于个体的分析发现，部分构音障碍患者在下颌和舌运动的时序性和发音时下颌的贡献与对照组差异明显。而Weismer等[30]及Yunusova等[31]的研究发现，构音障碍患者存在下颌运动距离过大，以弥补舌运动的受限。Lee等[27]的研究结果表明，与轻度构音障碍患者相比，中度构音障碍患者的下颌运动距离更为夸大，但是重度构音障碍患者下颌运动距离反而减少，考虑可能是下颌运动对舌运动受限的代偿作用存在相应的阈值，超过一定的临界值，残存的下颌功能并不足以代偿舌运动，反而下颌功能也受限。

本研究中构音障碍患者严重程度为中度到极重度，未存在下颌的夸大运动，可能是由于残存的下颌运动功能未达到阈值，但是存在下颌运动持续时间延长，这可能是下颌运动的代偿方式，同时可能也起到对舌运动的代偿作用。因此，在言语训练中应重视下颌运动在不同程度构音障碍患者中的代偿作用，以及该代偿作用对言语功能恢复的影响。

3.2 送气音与不送气音比较

由于送气音需协调声带起始振动时间和呼吸的送气气流，因此送气音与不送气音相比构音动作更为复杂。本研究比较了不送气音与送气音的差异，发现与不送气音相比，健康对照组受试者发送气音时舌尖、舌根和下颌运动持续时间增加，其余运动学参数无统计学差异，提示发送气音时构音运动持续时间延长，表明如果不考虑气流控制的影响，送气音与不送气音的发音动作较为一致；而构音障碍组受试者发送气音与不送气音的构音运动学参数比较均无统计学差异，可能是由于发送气音需要更好的气流控制能力，而构音障碍患者难以完成，易把送气音不送气化，即均转变为较为简单的不送气音。提示我们，对构音障碍患者进行言语训练时，初期可先进行不送气音训练，有利于患者掌握发音动作要领。

本研究在构音障碍患者构音运动受损的潜在病理生理学机制方面提供了有价值的信息，提示构音障碍患者存在构音运动学参数的异常，在构音障碍训练时，应更重视言语状态下的构音运动训练。正如MacKenzie等[32]认为，对于构音障碍的改善，言语训练的疗效要优于非发音型口颜面部运动训练，基于大脑的可塑性，言语训练可重塑受损的神经环路，代偿受累的神经细胞[33]，增强构音器官肌肉的运动能力和运动控制能力，恢复构音障碍患者言语表达的流畅性和准确度，从而更好地帮助患者提高语音清晰度，提升训练效果。

同时本研究存在一定的局限性。首先研究中的发音语料均为单音，而日常言语沟通中句子交流更为多见，未来进一步研究可采用更为多样化的发音语料，把目标单音嵌入短语或句子中，比较其运动学参数的差异，找到最适合的评估语料。其次，由于研究纳入的构音障碍受试者数量较少，因此没有进行分组比较，未来研究可对不同病程，不同构音障碍严重程度的患者进行分层分析。此外，我们建议未来的研究可针对不同构音障碍类型的患者进行比较，从而确定不同类型构音障碍构音运动学参数的特征，分析哪些类型更容易出现舌与下颌协调运动障碍[14]，以便更好地预测预后和指导训练。

综上所述，本研究强调了运用EMA测评在确定脑损伤后构音障碍患者潜在病理生理学机制以及构音运动预后监测等方面的优势，该测评能够直观和客观地同步展现构音运动的时间和空间运动状态，为构音障碍的言语康复提供精准的量化评估与训练指导。此外，由于脑损伤对每位构音障碍患者构音器官肌肉运动能力的影响并不完全一致，因此应根据EMA结果指导实施个体化训练方案，并注重改善言语运动时相关构音器官运动的协调性，以达到构音障碍治疗的最大效果。