劉佳航，蔡 俊，張仲偉，郁倪帥，傅 萌，汪 陽

(1.上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院 附屬瑞金醫(yī)院 放射科，上海200025)

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國的工業(yè)企業(yè)和工程數(shù)量呈現(xiàn)了極為迅猛的上升。隨之而來的工業(yè)噪聲污染成為在崗工人職業(yè)病傷害的直接誘因，因此工業(yè)噪聲的防范治理得到了國家和企業(yè)的一致重視。工業(yè)噪聲污染對人體有著多方面的影響，不僅可導(dǎo)致聽覺器官受損，還會造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)失衡，誘發(fā)心血管疾病，造成消化系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)功能失調(diào)等一系列后果。通常，對于工業(yè)噪聲的治理主要是在分析噪聲源特性，背景噪聲和噪聲敏感點特性的基礎(chǔ)上，采用以隔聲、吸聲和消聲相結(jié)合的降噪措施，對工業(yè)噪聲進行針對性治理。但是，對于電焊噪聲這種工位獨立、直接作用的工業(yè)噪聲，其污染廣度和危害程度不容忽視，而且傳統(tǒng)的降噪措施難以取得效果。經(jīng)調(diào)查，長期暴露在電焊噪聲環(huán)境下的工人，65 %聽力下降，68 %出現(xiàn)失眠，健忘等癥狀[1]。為此，針對無法直接治理的電焊噪聲采用聲掩蔽的方法來提高工人主觀感受成為必然。

目前，國內(nèi)外已有研究應(yīng)用聲掩蔽技術(shù)來改善主觀感受。L.Brocolini[2]等開展了聲源對任務(wù)績效和認知負荷影響的研究，證明了可理解的語音與其他聲音源如無法理解的語音、電話鈴聲和打印機相比，對在連續(xù)記憶任務(wù)期間的被試表現(xiàn)有著顯著影響。在改善噪聲污染的聲學(xué)環(huán)境的方法研究中，R?dsten-Ekman等[3]通過研究添加水聲音對道路交通噪聲的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)缆方煌ㄔ肼曉黾恿肆钊擞淇斓乃晻r，整體愉悅度增加。T.M.Leung[4]等的研究發(fā)現(xiàn)通過在高水平的道路交通噪聲中增加水聲，可以改善聲學(xué)環(huán)境的質(zhì)量，且流體聲音能夠緩和噪音煩惱的能力比噴泉聲音略強。用餐空間中的背景噪聲由4 種類型的聲源組成，包括一般背景音樂，語音，活動聲音和機械噪聲。其中，背景音樂，其他食客的言語聲音和餐具的影響聲音對食客的聲學(xué)舒適度評價具有主導(dǎo)作用。Xi Chen[5]等分析了各種獨立聲源影響食客在背景噪音中的聲學(xué)舒適度評估，結(jié)果表明，聲學(xué)舒適度評價對食客對整體環(huán)境的舒適度評價有影響，相關(guān)系數(shù)為0.509(P＜0.01)；背景噪聲是影響食客舒適度評估的重要因素，相關(guān)系數(shù)為0.587(P＜0.01)。Yusuke Hioka[6]用時間反轉(zhuǎn)語音對聲音進行掩蔽，研究其對煩惱度的影響，實驗結(jié)果表明，將人造混響添加到類似言語的掩蔽聲音對于降低煩人度同時保持原始掩蔽聲音的掩蔽效果具有顯著效果；同時發(fā)現(xiàn)，添加人造混響可以降低由掩蔽聲音引起的注意力分散程度。綜上可見，聲掩蔽作為一種新型的噪聲控制技術(shù)在工業(yè)降噪中具有巨大的應(yīng)用前景。但是，聲掩蔽作用的主觀感受改善是如何實現(xiàn)的，這方面未見報道。為此，本研究的目的是通過功能性磁共振（fMRI）技術(shù)對正常聽力受試對象在接收掩蔽前后噪聲信號的刺激下腦部激活響應(yīng)區(qū)域的變化進行分析，從客觀生理上探究聲掩蔽作用降低主觀煩惱度的作用機理。

1 實驗材料及方法

1.1 研究對象

正常年輕志愿者19例，其中男10例，女9例，年齡17 歲－32 歲，平均年齡(24.5±7.5)歲，均為上海交通大學(xué)在校大學(xué)生，身體健康，右利手，無幽閉恐懼癥，沒有神經(jīng)心理疾病史，語言功能正常。

首先，采用Oscilla SM910-B 聽力篩選儀對受試者進行標(biāo)準(zhǔn)純音聽閾測試，測試地點為隔音測聽室，刺激范圍為125 Hz～8 000 Hz，聽閾上限為20 dB。經(jīng)測試，參與本研究的所有受試者均具有正常聽力。

1.2 實驗流程

本研究所采用的電焊噪聲信號是從工地實測得到，掩蔽噪聲信號是對從音頻網(wǎng)站下載的雨滴聲和電焊噪聲分別截取聲音均衡穩(wěn)定的片段，通過MATLAB 軟件合成得到的wav 格式的音頻文件[7]。實驗中使用組塊設(shè)計(block design)方法[8]，每個組塊包括聲音刺激和空白對照兩部分，各30 秒，反復(fù)循環(huán)3 次。在正式聲音開始前，有9 秒空白掃描，掃描時間共持續(xù)189秒。每個志愿者在電焊噪聲信號和電焊噪聲雨滴掩蔽信號序列刺激下的腦響應(yīng)數(shù)據(jù)被采集。

在進行磁共振掃描前，所有受試者均在聽取實驗內(nèi)容和方法介紹后簽署知情同意書。受試者佩戴可以有效減少磁共振掃描噪聲的磁共振專用耳機(Sensimetrics-14)和隔聲耳罩[9-10]后仰臥，頭部用軟海綿墊固定于頭部線圈內(nèi)以減少受試者在掃描中的頭部運動。在掃描期間，要求受試者始終聽取耳機中的聲音，保持身體靜止不動，閉上眼睛，并且保持清醒。為了避免信號強弱對掩蔽效果的影響，磁共振實驗聲信號耳內(nèi)播放的等效連續(xù)A 聲級均為80 dB(A)。

1.3 磁共振掃描

磁共振掃描采用飛利浦3T 超導(dǎo)MR 系統(tǒng)進行。對每個受試者進行T1加權(quán)三維梯度回波序列(GRE)序列及BOLD 技術(shù)進行功能成像，47 層連續(xù)掃描以覆蓋全腦。

實驗的刺激信號的播放和腦響應(yīng)的fMRI 掃描被設(shè)置為同時開始，以利于后續(xù)數(shù)據(jù)分析的進行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究通過SPM8 軟件進行數(shù)據(jù)的處理分析。數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟包括：

①時間層校正。

②頭動校正，不采用三維平移超過1 mm，三維旋轉(zhuǎn)超過1°的樣本[11]，本實驗無被排除的被試。

③空間標(biāo)準(zhǔn)化到蒙特利爾(Montreal neurological institute，MNI)標(biāo)準(zhǔn)腦模板(分辨率3 mm×3 mm×3 mm)；

④進行高斯平滑，半高寬(FWHM)設(shè)置為(6×6×6)mm3以消除高頻噪聲。經(jīng)過預(yù)處理后，對符合要求的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

采用單樣本t 檢驗，依據(jù)整個時間序列，針對每個受試者及每個電焊噪聲及其掩蔽噪聲信號刺激數(shù)據(jù)進行單樣本t檢驗(one sample t-test)，得到每組受試者平均激活信號(激活范圍閾值設(shè)置為15 個體素)，P＜0.01 認為差異有統(tǒng)計學(xué)意義[12]。最終得到相對應(yīng)的全腦圖像所得到具有顯著意義的區(qū)域通過標(biāo)準(zhǔn)腦的結(jié)構(gòu)像可獲得電焊噪聲及其掩蔽噪聲信號刺激時腦功能變化的腦激活區(qū)圖像。同時，根據(jù)AAL 分區(qū)(Anatomical Automatic Labeling)得到每個功能激活區(qū)的解剖定位。

2 實驗結(jié)果與分析

本研究首先對電焊噪聲信號和電焊噪聲雨滴掩蔽信號分別刺激下的大腦響應(yīng)進行研究，分析其激活腦區(qū)的分布情況；然后對電焊噪聲雨滴掩蔽前后的激活腦區(qū)進行差異性統(tǒng)計分析，最終得到對電焊噪聲雨滴掩蔽作用顯著性正相關(guān)的大腦響應(yīng)區(qū)域。

2.1 電焊噪聲的腦響應(yīng)分析

電焊噪聲信號刺激下的大腦皮層響應(yīng)分布見圖1和表1。

從表1中可以看出，受試者在受到電焊噪聲信號刺激時，除了負責(zé)聽覺處理和語義分析的顳葉區(qū)、負責(zé)軀體感覺的中央后回被大量激活以外，扣帶回和額上回也有大量激活。其中，扣帶回被認為與各種抑郁癥和焦慮癥有十分密切的聯(lián)系。Bush.G 等研究發(fā)現(xiàn)扣帶回是調(diào)節(jié)錯誤消極性情感和動機的重要腦部區(qū)域[13]。

表1 電焊噪聲腦部激活區(qū)

當(dāng)受試者受到電焊噪聲刺激時，煩惱感受提高，扣帶回區(qū)域的血液流量上升，物質(zhì)代謝水平的提高，從而被顯著激活。

2.2 雨滴聲掩蔽電焊噪聲的腦部激活研究

電焊噪聲雨滴掩蔽信號刺激下的大腦皮層響應(yīng)分布見圖2和表2。

表2 雨滴聲掩蔽的電焊噪聲腦部激活區(qū)

圖1 電焊噪聲刺激下的大腦皮層響應(yīng)分布圖(紅色區(qū)域表示為激活的區(qū)域，圖中數(shù)字表示不同的Z坐標(biāo)數(shù)值)

圖2 電焊噪聲雨滴掩蔽信號刺激下的大腦皮層響應(yīng)分布圖(紅色區(qū)域表示為激活的區(qū)域，圖中數(shù)字表示不同的Z坐標(biāo)數(shù)值)

從表2中可以看出，受試者在接受經(jīng)過雨滴掩蔽的電焊噪聲刺激時，枕上回和邊緣葉扣帶回也有大量激活。有研究表明，邊緣葉與認知功能和情感處理功能的大量激活有關(guān)。Papez等[14]提出的Papez環(huán)路中證明了邊緣葉在情緒和情感體驗過程中，以及記憶，感覺等感知活動中重要作用。李玉成等[15]發(fā)現(xiàn)邊緣葉的激素分泌和活動對于人的情緒感知，處理和認知過程具有重大影響。

此外，距狀裂周圍皮層的激活被認為與視覺刺激及長期記憶有關(guān)[16]。但由于實驗采用眼罩避免了視覺刺激的影響，因此作者認為實驗過程中音頻的循環(huán)刺激喚起了受試者對雨滴自然聲的記憶，從而激活了該腦區(qū)的活動。

由表1、表2可知，掩蔽前后的均激活的腦區(qū)為扣帶回，其是調(diào)節(jié)錯誤消極性情感和動機的重要腦區(qū)[13]，說明在兩個聲刺激下大腦均有消極情緒及處理相應(yīng)情緒的腦活動產(chǎn)生，而掩蔽后扣帶回激活體素（16）約為掩蔽前激活體素一半（31），說明掩蔽聲與扣帶回的激活強度的下降相關(guān)，由此可得掩蔽聲可以降低噪聲刺激產(chǎn)生的消極情緒。此外，從腦區(qū)功能來看，掩蔽前激活腦區(qū)主要負責(zé)聽覺處理、語義分析和軀體感覺，掩蔽后激活腦區(qū)則主要負責(zé)記憶出力、認知調(diào)整及情緒調(diào)整，可見相比于在噪聲原聲刺激，掩蔽噪聲更多地激發(fā)了具有相應(yīng)調(diào)整功能的腦區(qū)，間接證明了聲掩蔽作用的主觀降噪效果。

由于受試者在接受雨滴掩蔽電焊噪聲刺激時，雨滴掩蔽聲一定程度上降低了被試者的煩惱度，涉及到了認知功能和情感處理功能腦區(qū)的響應(yīng)，此外，循環(huán)刺激的音頻構(gòu)成設(shè)計加強了這一腦區(qū)激活程度，從而使得邊緣葉出現(xiàn)了較大的激活程度。

2.3 掩蔽前后的比較研究

從上述影像學(xué)圖像上可以看出，雨滴掩蔽電焊噪聲前后所激活的大腦功能區(qū)具有明顯的差異性。為此，采用SPM 和REST 軟件進行了電焊噪聲雨滴掩蔽前后大腦功能區(qū)響應(yīng)的差異性分析，依次導(dǎo)入掩蔽前、后數(shù)據(jù)組進行組間差異分析，由此得到掩蔽后與掩蔽前腦區(qū)激活差異數(shù)據(jù)。雨滴聲掩蔽電焊噪聲前后的大腦激活差異腦區(qū)的激活大小、體素大小及MNI坐標(biāo)如表3所示。

表3 電焊噪聲雨滴掩蔽前后引起顯著差異的腦區(qū)

若T值為正數(shù)，則代表差值為正，即前一組數(shù)據(jù)激活強度大于后一組，反之亦然，論文中T值均為正值，即掩蔽后激活強度均強于掩蔽前。大腦皮層對電焊噪聲雨滴聲掩蔽前后的腦功能激活圖的差異對比見圖3。

圖3 電焊噪聲雨滴掩蔽前后顯著差異的腦響應(yīng)區(qū)域

從表3中可知，相比于電焊噪聲刺激，受試者在接受經(jīng)過雨滴掩蔽后的電焊噪聲信號刺激時，執(zhí)行認知功能、思維和知覺方式、信息的記憶和回憶、解決問題以及情緒的大腦前額葉皮層被顯著激活，這與掩蔽效應(yīng)提高了受試者的主觀感受有直接聯(lián)系。經(jīng)調(diào)查，前額葉皮層在信息和情緒控制方面具有重要作用。Reiman等的研究表明，前額葉區(qū)可能參與處理愉快與不愉快的情感場景[17]。項愛齋等在對受試者進行音樂刺激時的fMRI研究發(fā)現(xiàn)，前額葉皮層在情緒加工中具有重要作用[18]。另外，小腦在電焊噪聲掩蔽后的刺激下也有部分區(qū)域被激活。

上述電焊噪聲雨滴掩蔽前后的腦區(qū)響應(yīng)差異性分析可知，雨滴聲對電焊噪聲的掩蔽作用使得電焊噪聲的刺激得到了直接的緩和，主觀煩惱情緒被聽到自然聲的愉悅和放松修飾、中和。一方面，這些主觀感受的改善要通過情緒調(diào)節(jié)的相關(guān)腦區(qū)活動來實現(xiàn)；另一方面，進行情緒調(diào)節(jié)的相關(guān)腦區(qū)活動也間接證明了聲掩蔽作用的主觀降噪效果。

3 結(jié)語

本文利用功能性磁共振（fMRI）技術(shù)開展了雨滴聲掩蔽電焊噪聲的腦響應(yīng)研究，通過對電焊噪聲及其雨滴掩蔽信號的腦區(qū)激活數(shù)據(jù)分別進行分析，發(fā)現(xiàn)在電焊噪聲刺激下激活的腦區(qū)主要位于兩側(cè)顳葉、中央后回、扣帶回和額上回，在電焊噪聲雨滴掩蔽信號刺激下則明顯激活了邊緣葉和枕上回。研究還對電焊噪聲雨滴掩蔽前后激活腦區(qū)進行了差異性分析，結(jié)果表明掩蔽作用可能使與情緒、認知、情節(jié)記憶等相關(guān)的前額葉區(qū)顯著激活。由此可見，聲掩蔽作用通過直接影響情緒處理相關(guān)腦區(qū)的激活程度，改變了人腦響應(yīng)，從而間接映射了心理感受的改變。

聲掩蔽作用不以降低噪聲物理能量為目的，因此具有成本低、設(shè)計靈活，見效直接等優(yōu)點，為噪聲污染治理提出了一種嶄新且有效的實際手段。但由于噪聲信號的復(fù)雜性，以及聲感受的不客觀性，聲掩蔽技術(shù)的研究存在一定的局限性。隨著腦科學(xué)成像技術(shù)的不斷發(fā)展，視覺、聽覺、味覺、感覺、語言以及記憶等方面在人類大腦皮層中如何感知與表達，已經(jīng)成為了科學(xué)家一直在探索的腦科學(xué)問題。因此，交叉研究成為當(dāng)今腦科學(xué)研究的熱點。本研究初步探索了雨滴聲掩蔽電焊噪聲的大腦皮層響應(yīng)狀態(tài)，為探索人類大腦皮層對聲掩蔽作用的響應(yīng)變化規(guī)律提供了一定依據(jù)，但有關(guān)的機制有待進一步深入研究。