电磁发音仪在构音障碍患者言语运动康复中的应用进展*

宋景 王勇丽 万勤 尹敏敏 黄昭鸣

构音障碍(articulation disorder)是目前言语康复领域的主要功能障碍之一，许多疾病如脑卒中、脑外伤、脑瘫、帕金森病等患者由于构音器官的运动无力或不协调等原因，会出现以音位替代或歪曲等表现为特点的构音障碍[1]。目前在临床诊疗工作中构音障碍以量表评估为主，研究工作也大多基于感知和声学分析，而采用定量分析构音器官运动学特征的直观检测手段相对较少。对患者构音器官的运动特征给予定量描述，能更客观地反映其运动功能,研究者曾尝试过多种观测工具,如:放射性电影照相术(cineradiography)(Kent等，1975)、X射线微束系统(X ray microbeam system)(Hirose等，1982)和电腭图(electropalatography，EPG)等,描述构音器官运动功能，但因辐射或价格昂贵等原因无法长期、广泛使用。而电磁发音仪(electromagnetic articulography, EMA)具有无辐射、非侵入性、可反复使用等优点，一方面为科研人员采集评估和训练的有效数据提供了帮助，另一方面可提供直观、重复的反馈训练，逐渐成为研究人员的首选直观检测构音器官运动功能的方法。本文将在叙述EMA的发展和使用的基础上，针对其在言语运动康复研究中的应用进行综述。

1 电磁发音仪的发展

听感知分析法从语音学层面了解患者的言语质量，而运动学方法则是从生理学层面研究发音动作，后者能更直接和准确地测量构音器官运动功能[2]。但一直以来，技术的限制使得直接观察和追踪构音器官运动难以进行。研究人员曾依靠多种观测技术试图追踪构音运动，如：放射性电影照相术和X射线微束系统，但它们有辐射的危害；EPG用于观察腭-舌接触，但准确的舌-腭位置(tongue-to-palate placement)却需要通过推测得到(Kelly等，2000)，且因不同受试者需要不同的人工上颚，使得昂贵耗时的EPG使用非常有限(Thompson-Ward等，1998)。

EMA的出现解决了以上问题。自1974年Sonoda开发出最早版本的EMA以来，电磁发音仪不断改进和发展，目前比较具有代表性的是德国Carstens Medizinelektronik GmbH和日本NTT公司联合开发的AG500和AG501，以及加拿大 NDI 公司(Northern Digital Inc.，简称NDI)研发生产的 Wave 系统等。它通过联机电脑，在生成实时运动数据的同时并不干扰受试者的言语运动，能够在言语过程中跟踪构音器官位置和运动方向，并且可以对同一受试者进行多次数据采集而不额外增加成本，现已逐渐在言语工程学界广泛使用。

科学技术的进步使得EMA的结构与功能也渐趋完善。首先，发射器由两个发展到六个(AG500)[3]甚至九个(AG501)，磁跟踪系统由二维升级到三维，从而让舌的可视化效果更准确完整。其次，Carstens系统由需要使用头盔改善为无需头盔，利于脑外伤或存在平衡问题的个体使用。相较于集成系统式的Carstens，NDI Wave则是小巧的便携式EMA设备，其优势在于价格相对便宜；采用生物安装性封装，护理清洁简单；使用前后无需额外进行特殊准备；系统操作简单，无需繁琐培训和安装。

2 电磁发音仪的工作原理和操作步骤

2.1电磁发音仪工作原理 无论是Carstens还是NDI Wave系统，都是通过发射器产生的多个不同频率、强度的交变磁场作用于粘贴在构音器官的微型传感器，由磁场引起的感应电压变化来反映各个传感器在空间中的三维坐标，并可经数据分析得到包括运动轨迹、持续时间、速度、距离、加速度等运动学指标[4]。综合这些信息有利于对言语运动障碍患者作出诊断性评估，尤其是在识别构音运动准确性和速度方面的障碍。虽然粘贴传感器后要求受试者在较长一段时间内维持伸舌动作，对其舌肌耐力和活动范围有一定要求，可能影响受试者后续测试时的构音表现，但已有报道称舌尖传感器可以区分微小差异的不同舌尖音[5]。因此，即使是损伤程度较重的患者也能进行EMA检查。

2.2电磁发音仪常规操作 以Carstens AG501为例，仪器操作步骤如图1所示。根据研究目的和选用仪器配置的不同，使用的传感器数量有所差异。传感器粘贴于各构音器官，通常为上下唇、舌尖、舌面、舌根、软腭和下颌以及上下切牙等，记录构音器官的运动数据，因此被称为运动传感器[6]。另外，受试者在发音过程中头部难免会无意识移动，在不限制受试者头部运动的情况下需要额外的传感器消除头部运动对数据采集的影响，这类传感器则被称作参考传感器。参考传感器常选位置为左右乳突、眉间或鼻梁处，通过相关计算使得最终采集到各运动传感器相对于参考传感器的规整数据。

图1 电磁发音仪Carstens AG501记录言语运动的操作步骤

3 EMA在言语运动康复研究中的应用

近二十多年来，EMA已被广泛应用于非神经功能受损和神经功能障碍人群的言语运动控制研究，包括卒中后言语失用、卒中后和脑外伤(traumatic brain injury, TBI)后的构音障碍患者[7]。在言语康复领域，研究者们常比较构音障碍患者和健康受试者构音运动特征的差异，进一步探讨运动性构音障碍患者潜在的病理生理学机制。这有助于进一步揭示构音障碍的本质，为精准评估构音障碍并指导其治疗提供新方向。

3.1EMA记录构音器官生理结构和运动 1987年，Schönle等首次发表了该领域观察声道内外构音运动的研究成果并表示EMA特别适用于言语运动障碍患者的评估。Engelke等则于1989年首次报告了正常人吞咽时舌的矢状面运动，并举例说明了EMA在口颜面运动协调和腭咽闭合等领域的应用，认为EMA在口腔研究和言语障碍患者治疗中有很大的应用前景。Fuentes等[8]定义了四种EMA方案用以记录和分析下颌在冠状面、矢状面和水平面上的运动，设法在轴线上准确地再现Posselt图和哥特式牙弓。Murdoch等[9]采用EMA对48例6～38岁的儿童、青少年和成人的舌尖、舌体和下唇的运动模式进行检测，通过句子中嵌入的目标辅音/t/、/s/、/l/、/k/和/p/，评估了单个开音节和闭音节在言语运动过程中的发展变化，结果显示运动持续时间普遍随年龄增长而缩短；然而，运动距离、速度、加速和减速的变化表现出较差的一致性。Murdoch认为，运动持续时间缩短可能是言语运动成熟的主要特征，而关于构音运动的距离、速度、加减速随年龄增长的发展进程尚不清楚。这些测量对不同年龄段个体的构音运动检测，能够展示随着年龄增长构音运动模式的成熟过程。同时，收集关于下颌临床形态、唇舌运动特征方面的准确数据，有助于了解构音器官的正常生理运动模式，为观察构音障碍患者的异常运动模式奠定基础。

3.2EMA评估构音障碍患者言语运动特征 目前国外已有多名学者利用EMA对构音障碍患者言语特征进行了观察和评估，这也是EMA在言语康复领域较常见的研究，国内则是在近几年才陆续出现相关报告。

3.2.1构音障碍患者与健康人言语特征的对比 关于构音障碍患者构音器官的运动，有些研究只对一例或几例患者进行构音运动的观察，如Katz等(1990)对1例脑前区失语症患者进行预期协同构音的运动学分析；Chen等[10]研究3例卒中后构音障碍成人的舌部运动；但更多的是将构音障碍患者与健康对照组进行对比，以更好地发现患者构音运动的异常特征。许多研究结果显示，相较于健康人，构音障碍患者构音运动持续时间延长、速度变慢、运动幅度减小，运动轨迹不规则；如：Manwa等[11]研究1例中风的广东成年男性在粤语单字发音过程中的舌部运动，发现其运动速度和加速度减小，持续时间延长并伴有舌移位；Ackermann等(1993)记录1例帕金森病(Parkinson disease, PD)患者言语冻结(speech freezing)的运动学数据，发现其口腔轮替运动速率增加而幅度降低，推断PD患者可能会以牺牲运动幅度为代价来满足言语节奏的要求。陈兆聪等[12]分析发现鼻咽癌放疗后患者构音时的舌尖上抬幅度和速度均小于健康成人。Jaeger等(2000)对10例重型脑外伤构音障碍患者和10例年龄匹配的对照组进行了发重复音节/pa/、/ta/和/ka/时唇、舌尖和舌根运动的追踪观察，当被要求尽可能快地产生音节序列时，患者组表现出相似的运动异常模式，包括音节持续时间延长和峰值速度/振幅比降低。还有一些研究发现在难度较高的语音任务中舌运动加速度的增加，Kuruvilla等[13]以10例重型脑外伤患者和6例轻度脑外伤患者为实验组，14例年龄和性别匹配的健康人为对照组，获取三组受试者在习惯性语速和响度水平重复发出嵌入含有/t/和/k/的音节和句子时的构音运动剖面图，发现简单音节重复任务不能区分三组受试者，但复杂句子任务会导致舌尖平均最大加速度的增加，可能表明构音运动费力程度的增加。Wong等[14]在对PD患者舌部功能障碍的运动学分析中，发现其舌部加速度的增加主要在辅音产生的释放阶段，而这也可能是造成此类患者构音不准的原因。

这些研究将EMA应用于构音障碍患者与健康人言语特征的对比，通过定量统计数据，发现两者构音运动的差别，为客观评估构音障碍患者的言语损伤提供了可靠信息。从中了解到，相较于普通人，构音障碍患者构音运动持续时间延长、速度变慢、运动幅度减小，运动轨迹不规则；然而，目前尚缺乏进一步大样本多中心研究，证据级别可能并不高。

3.2.2构音障碍患者不同构音器官运动的对比 部分研究发现患者不同构音器官生物力学特性和受损程度不同。如：Ackermann等(1993)记录的PD患者数据中，重复音节/ta/时发生了冻结态，而重复音节/pa/未受影响，即较唇运动而言，患者舌运动存在障碍。Jaeger等(2000)对比脑外伤患者与对照组在习惯性说话的情况下唇、舌尖、舌根的运动，发现舌尖和舌根运动的速度/振幅比降低，而唇运动与正常人无明显差异。有研究在记录肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)患者下颌和舌运动特征时发现，严重构音障碍的ALS患者舌的运动范围减小，但下唇和下颌的运动范围增加[15]。薛珮芸等[16]对聋哑患者进行/a/、/i/、/u/、/o/、/e/、/ü/元音运动学分析，发现其唇部最大位移高于正常人，而大部分元音的舌部位移低于正常人;作者分析这可能是因为在平时言语训练过程中通过视觉反馈时更容易观察唇部动作而难以感知舌部的发音位置，这也提示了EMA用于言语康复视觉反馈的可能。冯小欢等[17]对各类脑损伤后构音障碍患者进行单字发音时的舌尖、舌面、舌根和唇、下颌的运动参数记录，也发现了三个构音器官的不同特征，且构音障碍患者的构音运动速度和加速度变化无规律，前后运动幅度也比健康成人偏小。这些结果表明构音障碍患者的下颌、唇和舌功能受到不同程度的影响，因此有必要对每一个构音器官进行评估，以便完整地解释患者构音障碍的缺陷，更准确地描述构音障碍患者表现出的构音障碍特征。

3.2.3EMA指示构音障碍治疗方向的潜在可能 EMA对于构音运动的观察可能从根本上发现构音障碍病理，甚至指示着言语治疗的方向。Goozée等(2000)研究1例轻度痉挛-共济失调型构音障碍的脑外伤患者的舌运动，发现与对照组相比，该患者舌的运动速度不是导致其发音不准的原因，而是舌速的控制障碍会引起辅音产生期间难以适当减速舌尖运动，从而导致舌-腭接触位置不准，辅音失准。那么对于此类患者，进行构音康复治疗时，就可以适当减少舌的速度训练而将重点放在舌的控制训练方面。Lee等[18]发现ALS患者是因为下颌张开过度导致舌上抬幅度减小、速度变慢，从而导致言语能力下降;因此，对于此类患者，构音康复过程中若一味追求舌运动范围的增大，可能并不起作用，而正确的做法应是教导其控制下颌张开的程度。Murdoch等(2003)认为4例脑外伤构音障碍儿童单词持续时间延长的原因有2例是因为辅音时间延长，而另外2例是元音时间延长，因此不同的构音运动学特征的发现对治疗脑外伤构音障碍儿童语速障碍具有重要意义。Wong等[19]在对两例PD患者使用LSVT(Lee Silverman voice treatment)程序治疗时记录了舌部运动学参数的变化，结果显示提高响度只对一例患者构音运动有积极影响，而另一例患者即使是在习惯性言语过程中构音运动范围也比正常情况更大。那么，对于该类患者的言语治疗重点则不应是提高响度，而应侧重于改善舌腭接触的位置和时机。

还有些研究针对脑外伤等疾病后非构音障碍患者的构音器官进行运动学分析，发现部分患者存在亚临床生理损害，提示对这些患者应预防构音等言语功能障碍。Loh等(2005)发现两例脑外伤后非构音障碍儿童可能表现出潜在的下颌骨亚临床生理损害；Perry等[20]发现在临床可辨别的言语损伤出现之前，ALS患者和健康对照组在吞咽过程中可以检测到舌头和下颌的运动差异。这类潜在损伤可能有助于对患者进行分层，并在早期疾病过程中评价治疗和干预措施的有效性。同时，EMA适合作为未来旨在验证临床管理的言语功能评估工具的“黄金标准”。

上述多是对各构音器官分别进行运动特征的分析，而Bartle等(2006)首次考虑了脑外伤患者的舌颌协调能力，认为治疗目标若放在改善言语运动的协调性上而不仅仅是患者的构音运动，才能确保脑外伤构音障碍治疗的最大效果。

综合目前关于EMA用于构音障碍患者构音运动特征的研究，结果如下：①多数研究显示患者较健康人构音运动持续时间延长、速度变慢、运动幅度减小以及运动轨迹的不规则变化，而这些正是造成它们构音失准的主要原因。患者构音器官运动的加速度可能因语音任务的不同而不同，其中在难度较高的语音任务中加速度的增加可能说明构音运动更加费力。而个别研究中患者唇部运动范围大于正常人，可能是训练方法引起的反馈效果；②不同的构音器官(如下颌、唇、舌)在同一个体的运动特征变化差异不同，因而损伤程度不同，需要对每一构音器官进行观察并综合分析，才能更准确地定位其病因并设计治疗计划；③不同个体发生构音失准的根本原因不同，而EMA有助于发现此言语病理机制；④除了考虑各个构音器官的单独运动，可能需要对各构音器官的协调运动作出评估，而在这方面的研究仍比较少。

另外，此类研究多是将某一类型构音障碍患者与健康成人进行对比分析，还没有针对不同病因、不同构音障碍类型患者的运动学特征比较，若能对此分析，可能利于确定不同类型患者的构音运动特征，从而进行更准确的诊断和应用，有助于指导言语康复训练。

3.3EMA视觉反馈治疗构音障碍 目前使用EMA进行言语治疗时，通常将其作为视觉反馈的仪器使用，且效果良好。Katz等(1999)对1例63岁的布洛卡失语和言语失用症患者实施治疗，EMA运动学和知觉数据表明，视觉引导的生物反馈治疗对非言语口头任务和较小程度的言语运动任务都有改善；相比之下，传统治疗只有轻微的改善，且治疗10周后，表现回落到基线水平。虽然只是初步的研究结果，关于舌尖位置的视觉生物反馈可以用于治疗患有布洛卡失语症和言语失用症的成年人的非言语口头行为和(在较小程度上)言语运动行为。之后又对1例脑卒中后颌面部失用症(buccofacial apraxia, BFA)患者实施增强型反馈疗法，发现与结构化运动练习相比，EMA系统提供的增强反馈似乎治疗有效性更好且维持更久(Katz,2007)。Katz等表示，在频繁(100%)反馈条件下达到并维持标准需要3～8次治疗，而不频繁(50%)反馈条件下需要5～10次。频繁的反馈计划导致学习速度快，但泛化能力和长期保持能力较差，而不频繁的反馈与较慢的习得速度和较好的维持效果相关[21]。另外， 通过EMA可以观察到经过练习后的构音动作运动轨迹更流畅，变异性更低。

此外，刘晓千等[22]在EMA的基础上设计出针对汉语普通话的聋儿言语康复系统，其三维发音模拟功能可给予患者关于构音器官正确发音部位的指示，从而使儿童在训练中观察下颌、唇、舌等各构音器官的运动;若此类系统能包含针对汉语中常用字和易混淆字的听说训练，则能够进一步提高患儿的语言运用能力。

总之，目前EMA在言语治疗的作用主要是视觉反馈，给予患者发音部位的正确提示与强化，能有效提高患者构音能力且得以泛化和维持。但需更多更大量受试者的临床试验证明其有效性。

4 总结

EMA是从生理学层面研究构音器官运动的仪器，具有生成大量实时运动数据而不干扰言语运动的能力，能够在言语过程中跟踪构音器官位置和运动方向。比起健康受试者，构音障碍患者的构音器官运动速度、运动范围产生了变化，其中多数研究显示其速度变慢，运动范围减小。国外已有学者利用EMA对运动性构音障碍患者进行研究，语料包括字母、单词和连续语音，进一步的纵向研究应该纳入更多的言语障碍患者，从轻度到重度构音障碍患者，不同阶段的构音障碍患者，以及不同大小的口腔结构，这将有助于进一步确定构音障碍的本质，但数据分析和解释的复杂性也会有所增加。EMA也在逐渐用于言语康复治疗领域，目前研究受试者量仍较少，推广使用仍有限；各研究中所采用的构音语料并不统一，加之语言和人种的差异，所得的研究结论未必符合汉语普通话的构音规律；而国内利用EMA进行临床测评的研究为数不多，且尚处在对单个音素或单字的研究。未来需要设计大样本临床研究，评估EMA对各型构音障碍患者构音运动功能的疗效，并随着研究的深入，逐步确定EMA作用时间、频率等，为其实际应用提供可靠依据。凭借卓越的测量性能，EMA定会在语音学实验与研究、言语康复与诊疗等研究领域中得到广泛的应用。