【摘要】目的 了解采用计算言语清晰度指数（speech intelligibility index，SII）实现降噪的新型计算方法的可行性。方法 通过实验室客观测试，比较不同听力损失程度和噪声强度下，开启SII降噪功能的助听器与传统降噪设置的助听器在频阈和时阈方面输出的不同。结果 SII降噪计算有别于助听器的传统降噪，运用该种降噪方法的助听器其输出增益与使用者的听力损失程度和所处环境噪声强度密切相关，即在噪声强度相同的环境中，听力损失程度越重，助听器输出增益的减少将越少；并且SII计算方法对环境噪声有较高的敏感度。结论 采用SII计算方法所设计的助听器降噪系统，可根据使用者的听力损失程度以及环境噪声的差异，适时地调整降噪参数，以保证助听器的参数设置在满足使用者对于增益需求的同时兼具良好的降噪效果。
【关键词】SII；助听器降噪；言语增强
【Abstract】Objective To understand the rationale of implementing noise attenuation strategy using speech intelligibility index(SII). Methods Objective measures were employed to compare the outputs in time and frequency domain at different hearing loss levels and noise intensities for hearing aids with SII noise reduction and those with traditional noise reduction technologies. Results With SII algorithm, the more severe the hearing loss, the less the gain was reduced; the higher the noise levels, the more the gain reduction occured. Conclusion The hearing aids with SII can adjust noise reduction levels according to the degree of hearing loss and environmental noise. This will ensure the effective noise reduction and meet the gain demand of users.
【Key words】SII; Noise reduction; Speech enhancement
如何使助听器在噪音环境中更好地处理声音，从而帮助助听器使用者获得更为清晰的言语信号的问题，一直被所有听力学临床工作者和助听器使用者所关注。这是因为高品质的降噪能力是促使助听器的配戴者更易接受并使用助听器的重要原因之一[1,2]，只有通过提高助听器配戴者对助听器的接受程度，增加助听器配戴率和使用时间，才能为助听技术的更新提供最为基础的观察条件，为临床工作者提供更多的机会用以了解新型助听技术的临床应用情况，以此建立一个良性循环，不断更新、验证、再更新助听技术。但是目前，若助听器使用者希望在日常复杂多变的生活环境里获得更多的言语信号，更好地与人交流，除需考虑选用具备方向性麦克风设置的助听器外，更应该注重助听器内部所设置的降噪系统的工作方法及其效用。
在设计助听器降噪系统的过程中，通常依靠减少助听器输出的方式，即通过减少助听器在噪声环境中的增益，来实现降噪。从各助听器生产厂家所研发的助听器降噪系统中，不难发现尽管不同厂家所生产的助听器在其降噪系统的设计上存在差别，但理论上基本采用以下3种方法对噪声进行判断：①声音强度探测法；②频谱相减法；③声音调制率测试法。最后在助听器输出方面的体现就是助听器增益的减少，并且在助听器的各个编程程序中，其增益所减少的数值是被固定的。可是此类被固定的增益减少量，听力损失程度不同的助听器配戴者所获得的效果往往大相径庭。在很多情况下相对于轻度听力损失的助听器配戴者而言，固定的增益减少量在一定程度上仍没有达到其所需要的噪声控制量，他们仍会感觉环境相当的嘈杂；相反地对于重度听力损失的助听器配戴者而言，相同量的增益减少可能会过多地降低了增益，在减小了噪声的同时也影响了助听器使用者对言语的拾取，从而影响了其言语可听度，相当于言语感觉级。当前在这些传统降噪方法的基础上，又出现了通过计算言语清晰度指数（speech intelligibility index，SII）来实现降噪的新型计算方法。该降噪方法的设计厂家在其官方宣传资料上，将其称为言语增强降噪方法（speecenhancer）。如何理解这项新的技术？与传统降噪系统相比，两者之间存在着怎样的区别？新型的降噪技术能否真正地考虑到用户的听力损失？要回答这些问题需要对助听器进行客观的测试，作为探究技术的起始观察来理解新技术的使用。
1 设备与方法
1.1 设备
助听器：Widex inteo19耳背式助听器；助听器无线编程仪：NOAHLINK；声级计：Quest Model 1800声级计麦克风型号（QE 4170）；计算机：Compaq EvDesktop D500 Series；声卡：SoundMAX Integrated DigitaAudio sound card；声音记录软件：Adobe Audition；cc耦合器：B&K DB-138，IEC126；噪声：ICRA continunoise。
1.2 方法
1.2.1 将声级计测试麦克风直接连接至2 cc耦合器，助听器受话器则通过13 cm的传声管与2 cc耦合器相连接；测试时助听器麦克风与扬声器相距1 m，两者中心点在同一水平高度，入射角为0°，扬声器噪声给声时间与声级计记录时间均为2 min；测试在标准隔声室中进行，本底噪声小于40 dB（A），扬声器所给噪声强度分别为70 dB SPL（C）和90 dB SPL（C）。
1.2.2 设置声级计的测量范围在80～120 dB SPL（C）之间，采用外接导线将声级计的输出端口与装有声音记录软件的计算机音频输入端口相连接；通过Adobe Audition声音记录软件（软件采样率为44100Hz）对声级计所输出的声音进行记录；采用METLAB数据转换程序，将记录结果以图像的形式进行直观的表示，同时运用Excel软件完成数据统计的部分。
1.2.3 听力损失程度通过所输入的平坦型听力图控制（以下简称听力损失程度）；助听器调试均通过Inteo内部程序默认的最佳调试自动完成；助听器降噪系统分别采用传统型（NR）或言语增强型（SII）设置；同时关闭助听器麦克风的所有方向性设置以及反馈系统。
2 结果
2.1 如图1所示，灰色部分为分别启动SII降噪程序（左图）和NR降噪程序（右图）时助听器的输出情况；横坐标表示实验的记录时间，含压缩时间以及降噪系统的激活时间；纵坐标表示助听器的输出函数，即每个采样时间点助听器的均方根输出强度。提示助听器在其工作的最开始几秒钟内存在压缩的启用过程，此过程中降噪系统被逐渐激活。
图1 左图为SII降噪；右图为NR降噪（输入噪声强度为70 dB SPL，听力损失程度为30 dB HL）。
2.2 声音记录软件将不同条件下所记录到的RMS通过时间-输出曲线图的形式输出，并以不同颜色对降噪方式进行区分：黑色为言语增强降噪（SII），白色为传统降噪（NR），灰色为降噪关闭（NR OFF），其中灰色曲线作为测试的参照值，直观地提供了单独观察助听器压缩工作情况的机会。如图2所示，在120 s的记录时间内，助听器的压缩程序从启动到稳定大约需要2～3 s的时间；完成压缩后，大约需要16 s的时间来激活降噪系统；同时传统的降噪系统在16 s后开始持续地减少助听器增益，而SII降噪设置在25 s左右就已将增益减少的量调节至最大值。另通过比较可直观地发现，在听力损失程度为50 dB HL和80 dB HL时，传统降噪方法所减少的增益量明显地超过SII降噪方法，而在听力损失程度为30 dB HL时，两类降噪设置对增益减少的过程及其量的改变是相类似的。
2.3 将降噪设置关闭组作为实验对照组，分别记录SII和NR时，1 min和1.55 min两个时间点处的助听器输出数据以及对照组的输出数据，经比较计算获得具体的增益减少量。
如表1所示，助听器使用SII降噪设置时，在1 min和1.55 min处所记录到的增益减少量是一致的，而传统的降噪设置在1.55 min这一时间点所减少的增益量均超过1 min时所记录的量，这与图2所示的结果相一致。同时表1还显示在1.55 min处，SII降噪设置对听力损失程度为30、50、70 dB HL的助听器使用者所提供的增益的减少量分别是7.8、4.0、3.3 dB HL，并且随着听力损失的加重，SII降噪设置对增益减少的量也在下降（即听力损失越重，由SII降噪设置所减少的增益的量就越少）；而传统的降噪方法，在1.55 min处，对听力损失程度分别为30、50、70 dB HL的助听器使用者所提供的增益的减少量分别是9.2、9.6、10.0 dB HL，数据间并无较大的偏差。由此可见，传统的降噪方法所减少的增益量的大小与助听器使用者的听力情况无关，SII降噪法在降低噪声的同时还考虑到了助听器使用者的听力情况。
2.4 图3和图4为助听器输出频谱图，其中不同的灰度代表不同的输出强度（图3附强度-灰度对照图）。如图3所示，随着灰度的改变，在相同噪声强度的环境中，传统降噪法对于不同程度的听力损失所设置的降噪量是极其相近的，并且随着时间的推移，助听器的输出在强度和频率上并无绝对值的改变。这正说明了传统降噪法对于不同程度听力损失的助听器使用者而言，在同样的环境中助听器所提供的增益减少量是相同的，同时这个量在时间和频率上也不存在改变。而如图4所示，随着输入听力图听力损失程度的加重，灰度在逐渐增加，此种3D图顶端黑色部分的改变提示SII降噪计算方法在降噪过程中，对不同程度的听力损失所造成的影响是不同的（听力损失越重者，由SII计算所得的增益的减少量就越少），同时随着时间的推移，助听器的输出在强度和频率上绝对值的改变也并不一致，特别是在中频区。
2.5 如表2所示，尽管两种降噪设置均可随着所处环境噪声强度的增加，而自动减少助听器的输出，但SII对增益的减少量从4 dB HL增加至10.3 dB HL，而传统NR对增益的减少量从9.6 dB HL增加至13.9dB HL，由此可见SII计算方法对环境噪声的敏感度要远高于传统的降噪方法。
3 讨论
3.1 言语清晰度指数（SII）
言语清晰度指数（SII）与清晰度指数（articulationindex,AI）相类似，是一种可间接推断言语可懂度的测量方法。通常而言SII或AI的指数处于0和1之间，数值越大表示与其相关的言语可懂度越好，特别是SII指数，理论上可将其理解为AI的升级，这是由于SII指数在计算过程中不仅考虑了高强度给声时所产生的掩蔽效应，同时也顾及了不同频率的可听度对言语可懂度的影响。因此SII的计算除了需要获得相应的言语频谱和噪声频谱外，还需输入用户的纯音听阈作为依据，方能针对相应的听力损失程度，分别计算出各频率处有多少可听的言语信号，并根据这些不同频率处可听言语信号对言语可懂度的有用性差异，计算不同频率处应提高多少增益用以言语可懂度的最大化。与此相应的是助听器所具备的可调试通道越多，代表需要计算的频率也越多，数据随之也将更为精确。
3.2 实验结果显示，采用SII计算方法所设计的助听器降噪系统，可根据使用者的听力损失程度以及环境噪声的差异，适时地调整降噪参数，以保证助听器的参数设置在满足使用者对于增益需求的同时，兼具良好的降噪效果。实验结果同时显示，采用SII计算方法所设计的助听器降噪系统其敏感性远远超过传统的降噪设计，该实验结果意味着SII设计者最原始的设计意图已被极好地体现在助听器的实际应用中。
3.3 由于降噪方法选用的合理性主要取决于助听器使用者对聆听的要求（舒适度或可听度），也可简单地理解为助听器使用者的主观感受，因此正确理解不同类型降噪系统的运行过程及其时阈和频阈的工作情况是临床听力工作者为助听器使用者更为合理地选择不同计算方法的降噪系统的基础。通过本次实验可以观察到，SII计算方法在助听器降噪过程中对使用者的听力损失程度是有所顾及的，而经典降噪系统所使用的增益调整的计算方法，对不同听力损失程度的助听器使用者所提供的降噪均是一致的[3]。因此在一定的范围内，无论外在环境和内在条件如何变化，只要能够更为合理而灵活地运用不同的降噪方式，即可在一定程度上更好地满足助听器使用者对聆听的要求。例如：当助听器使用者倾向于在噪声环境中获得较为舒适的聆听环境时，即可为其选择降噪量最大的程序，而当其更倾向于在相对嘈杂的环境中获得最大的言语可听度时，则可为其选择SII程序实现降噪。同时还可在助听器所提供的可供切换的不同程序中设置不同的降噪方法，以便助听器能更为灵活地处理不同声学环境下的言语声和噪声，确保其输出的声音更清晰、更舒适，以满足助听器使用者不同的助听需求。
3.4 经本次实验验证，建议临床工作者在采用类似实验方法对助听器降噪系统的工作情况进行更为深入了解时，应先将听力损失程度和测试数据获得的时间点进行相应的设定，以免过度的参数开放对实验结果产生错误的理解。以本实验中所涉及的Inteo助听器为例，理论上Inteo需要有近16 s的启动时间来激活降噪系统，若本实验设计所设定的测试时间少于16 s，就意味着极有可能出现记录不到助听器降噪系统工作情况的实验结果，而导致研究人员误认为该助听器无降噪功能，因此正确的实验参数是非常重要的。
3.5 目前助听技术日新月异，更为科学化、人性化的助听器也在不断地被研发和应用之中。但是直至今日如何使助听器完美地进行降噪处理，对于助听器研究工作者而言仍是一个难以解决的问题。这是因为将言语信号与用户所不需要的噪声信号进行完全而清楚的区分是极其困难的，特别是面对不同的使用者和使用环境，助听器在降噪过程中，降噪系统对增益进行何种程度的调整，才能既减少环境噪声，又不影响有用言语信号的拾取，更是极难控制。若对不同程度听力损失的使用者均采用相同的增益减少量，无疑会在很大程度上影响一部分助听器使用者的言语可听度从而进一步影响其言语的可懂度。因此SII降噪技术应运而生，其先进性和独创性的理论也被实验室所认可但是这种经计算助听器使用者听力损失程度和环境噪声强度，从而保证助听器在降噪的同时仍可保留更多有价值的言语信号，用于满足助听器使用者可听度与可懂度的SII降噪方法目前仍限于理论的研究，因此建议在此基础上进一步进行临床验证，用以观察SII在临床上的具体使用情况。
参考文献
[1] Mueller HG, Weber J, Hornsby BW. The effects of digital noise reduction on the acceptance of background noise. Trends Amplif,2006,10(2):83-93.
[2] Ricketts TA, Hornsby BW. Sound quality measures for speech in noise through a commercial hearing aid implementing digital noise reduction. J Am Acad Audiol,2005,16(5):270-277.
[3] Francis K. Kuk, Carsten Paludan-Müller. Noise-managementalgorithm may improve speech intelligibility in noise. The Hearing Journal,2006,59(4): 62-70.
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