《European Archives of Oto-Rhino-Laryngology》：Low-cost contact microphones for bedside voice assessment: proof of concept
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本研究针对医院高噪声环境下传统空气传导麦克风难以准确进行嗓音评估的问题，探索了低成本接触式麦克风(CMs)的临床应用可行性。研究人员通过对比两种CMs与参考加速度计和头戴式麦克风在模拟医院噪声条件下的性能，发现CMs能稳定地保留平滑倒谱峰突出(CPPS)和基频(fo)等关键声学参数，受环境噪声影响小。结果表明，低成本CMs有望为床边客观嗓音监测提供一种实用、抗干扰的解决方案，为临床嗓音评估工具的开发提供了新思路。
在医院环境中，患者的嗓音是沟通、表达需求和维持尊严的重要工具。然而，临床嗓音评估长期面临着一个严峻挑战：高强度的环境噪声。重症监护室和普通病房的背景噪声经常超过60分贝，这种嘈杂环境使得依赖空气传导的传统麦克风难以准确捕捉患者的嗓音信号，因为它们会同时收录大量环境噪声。此外，传统麦克风还存在定位要求高、消毒不便等问题，导致客观的床边嗓音评估工具在真实临床工作中难以推广应用。主观的听觉感知评估因此成为主流，但其主观性强，缺乏客观量化指标，影响了评估的准确性和一致性。面对这一困境，能否找到一种既经济实惠又能抵抗噪声干扰的替代方案呢？
发表在《European Archives of Oto-Rhino-Laryngology》上的这项概念验证研究，将目光投向了接触式麦克风。这种麦克风通过直接接触皮肤（通常置于颈部喉部）来检测振动，而非通过空气采集声音，理论上应对外界噪声不敏感。研究人员开展了一项试点研究，旨在初步评估低成本、市售的接触式麦克风在模拟医院噪声条件下用于床边嗓音评估的可行性。
为了科学地回答这个问题，研究人员设计了一个严谨的对照实验。他们选取了两款低成本接触式麦克风（品牌为Alomejor和DrFeify），并将它们与一个作为参考标准的加速度计和一个专业的头戴式空气传导麦克风进行性能对比。研究在两种声学环境中进行：一个是隔音效果极好的实验室（模拟理想安静条件），另一个是真实的医院处置室（模拟实际床边环境）。两名经过发声训练的健康成年人在这些环境中完成了一系列发声任务，包括持续发元音和连接言语，并且分别使用正常嗓音和气息性嗓音。为了模拟真实的临床场景，研究还引入了三种噪声条件：安静环境、多人说话混杂声以及包含警报声、设备声和脚步声的模拟医院噪声。研究人员同步记录了所有设备采集到的信号，并提取了多个在临床嗓音评估中常用的声学参数，包括平滑倒谱峰突出(CPPS)、基频(fo)、振幅微扰(shimmer)、频率微扰(jitter)、谐噪比(HNR)、噪谐比(NHR)和低高频谱比(L/H ratio)。通过对这些数据的统计分析，比较了不同设备、不同嗓音类型以及不同噪声条件下的参数稳定性。
本研究主要采用了以下几种关键技术方法：首先，采用了严格的实验设计，即在受控实验室环境和真实医院环境中进行对比测试，并引入了模拟的医院噪声条件。其次，使用了多设备同步录音技术，确保不同传感器采集的数据在时间上完全对齐，便于直接比较。第三，选取了涵盖嗓音周期性、噪声成分和频谱特征等多个维度的声学参数进行分析。最后，利用广义估计方程等统计方法对非正态分布的数据进行处理，以评估设备、嗓音类型、噪声条件等因素对声学参数的影响。
研究结果
不同设备的声学参数比较
分析结果显示，接触式麦克风在噪声条件下能够较好地保留核心声学指标。其中，平滑倒谱峰突出(CPPS)和基频(fo)的表现尤为突出。CPPS在气息性发声时显著降低（言语：β = -0.48；元音：β = -0.62），这符合其作为嗓音质量指标的预期行为。重要的是，CPPS和fo没有表现出显著的设备效应，并且在不同的噪声条件下保持稳定。这意味着，使用接触式麦克风测得的CPPS和fo值与参考设备测得的值具有可比性，且不易受环境噪声干扰。相比之下，其他一些参数，如振幅微扰(shimmer)、噪谐比(NHR)和低高频谱比(L/H ratio)，则显示出较强的设备依赖性，特别是加速度计与接触式麦克风之间的数值存在差异。这提示，不同传感器由于其物理特性和频率响应不同，会对某些声学参数的绝对值产生影响。
嗓音类型的影响
当按嗓音类型（正常嗓音 vs. 气息性嗓音）分层分析时，发现设备相关的变异性在气息性嗓音中更为明显。例如，从言语中计算出的CPPS的标准差和NHR在气息性发声时对设备效应特别敏感。此外，振幅微扰(shimmer, dB)、谐噪比(HNR)和低高频谱比(L/H ratio)的平均值和标准差在两种嗓音类型下都 consistently 显示出与设备相关的差异。这表明，在评估病理性嗓音（常伴有气息声）时，需要特别注意所使用的传感器类型。
噪声条件的影响
设备效应在不同噪声条件下保持一致。尽管环境噪声水平变化，但CPPS在接触式麦克风上仍然保持可解释性，而头戴式空气麦克风则更容易受到环境噪声的干扰而引入额外变异。低高频谱比(L/H ratio)等参数在不同噪声条件下也显示出显著差异。这进一步印证了接触式麦克风在抗噪声方面的潜在优势。
录音环境的影响
研究还比较了实验室和医院两种不同声学环境下的设备表现。结果显示，某些参数（如L/H ratio的标准差）在医院环境中的变异性更大，这可能是由于医院房间的混响时间更长、本底噪声更高所致。然而，接触式麦克风的核心参数（CPPS, fo）在不同环境间的稳定性相对较好。
探索性个体分析
对两名参与者进行的探索性分析表明，其中一位女性参与者的jitter (Hz)、shimmer (dB)、NHR和HNR参数出现了显著的设备相关差异，而另一位男性参与者则没有。然而，与参与者无关的设备差异，尤其是在L/H ratio参数上，在两人中都一致出现。这提示某些设备差异可能具有普遍性，而另一些可能受个体解剖结构或传感器耦合情况的影响。由于样本量小，这些发现属于探索性质。
讨论与结论
这项概念验证研究回答了一个非常实际的问题：在嘈杂的床边环境下，低成本的接触式麦克风能否提供稳定且具有临床意义的嗓音指标？初步结果表明，答案是肯定的，尤其是对于CPPS和fo这两个关键参数。接触式麦克风基于其物理工作原理——通过皮肤接触拾取振动信号，天生就对空气传播的环境噪声不敏感，这使得它们在医院等高噪声场景下比传统空气麦克风更具优势。
CPPS是临床评估嗓音障碍严重程度的核心指标，与听觉感知评分高度相关。本研究发现接触式麦克风测得的CPPS能有效区分正常嗓音和气息性嗓音，并且在模拟噪声条件下保持稳定，这为其用于床边监测嗓音障碍严重程度和治疗反应提供了初步依据。基频(fo)是反映喉部肌肉活动的基本参数，其稳定性对于评估发声功能至关重要。本研究显示接触式麦克风能可靠地捕捉fo，不受设备类型和噪声条件的影响，这扩展了其在床边评估发声生理功能的潜力。
当然，研究也揭示了接触式麦克风的局限性。由于其频率响应在高频部分有所衰减，它们无法可靠地获取反映声道共振特性的共振峰结构等信息。因此，那些依赖于高频频谱细节的声学参数（如L/H ratio、HNR/NHR）的绝对值会因设备而异，在解读时需要谨慎，并可能需要设备特异性的参考标准或校准程序。在两名参与者中观察到的个体差异也提示，传感器的放置位置、耦合压力以及个体颈部解剖结构都可能影响信号质量，未来需要标准化的操作流程。
从临床实践的角度看，低成本接触式麦克风具有体积小、便携、易消毒、操作简便等优点，更容易整合到繁忙的临床工作流程中。与昂贵的专业加速度计相比，其低成本特性也使得大规模应用成为可能。
需要强调的是，本研究是一项早期的概念验证工作。它是在控制条件下，由健康发声者完成的，并未涉及真正的患者群体。因此，其结论尚不能直接推广到临床实践。患者的病理性嗓音、术后颈部状况等因素都可能对接触式麦克风的信号产生额外影响，这需要在未来的临床验证研究中进一步探讨。此外，噪声是模拟而非实时录制的真实临床噪声，发声样本时长较短，未涉及嗓音疲劳等因素。
综上所述，这项研究为低成本接触式麦克风在嘈杂临床环境中进行客观嗓音评估提供了有希望的初步证据。它指明了一条克服传统空气麦克风局限性的潜在路径，特别是对于CPPS和fo等核心声学参数的监测。未来的研究需要朝着扩大样本量、纳入真实患者群体、优化标准化流程以及探索其在吞咽、咳嗽等相关功能监测中的应用等方向努力，以期将这一概念验证转化为真正的临床实用工具。
