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语音讯号应用於中医过敏性鼻炎病患之研究语音讯号应用於中医过敏性鼻炎病患之研究
A Study of Auscultical Signal In Traditional Chinese Medicine for the Allergic Rhinitis
Patients
黄耀德1 翁清松1 郑振鸿2 程惠政2
Yao-Te Huang, Ching-Sung Weng, Chin-Hung Cheng, Hui-Zheng Cheng
1私立中原大学医学工程研究所
1Institute of Biomedical Engineering, Chung Yuan Christian University, ChungLi, Taiwan, R.O.C.
2台北市立中医医院
2Taipei City Hospital of Traditional Chinese Medicine, Taipei, Taiwan, R.O.C.
摘要
过敏性鼻炎为呼吸道的疾病之一,由於呼吸系统
与发音系统确实有所关联,所以在本研究中希望能从
中医闻诊的角度来探讨,以数位语音讯号处理的技术
为工具,进而分析过敏性鼻炎患者声音与正常人间的
差异.
在本研究中,分析共有40名过敏性鼻炎病患(男
成人14名,女成人26名)的语音资料,其资料由台
北市立中医医院门诊部所获得.而健康人共有 23 名
(男成人15名,女成人8名),成人资料则取自中原
大学大学部及研究所健康的学生.受测者以平常发音
之音调及音量,依序发音([a],[i],[u],[e],[o],
[m]),发音前缓缓吸一口气,然后开始发音一直到无
法发音为止,再将语音资料收录在可携式的迷你光碟
机中,继而将资料经由电脑音效卡送至电脑进行分
析.
所使用语音分析的参数,主要包含音高,越零
率,共振峰三方面.实验结果显示,在病患和正常人
之间有些语音有显著的差异(p<0.05).男性方面,
a,i,u,o,m的越零率和e,o的第二共振峰,以及
o的二,三,四共振峰,m的第四共振峰有差异.在
女性方面,u的音高,e,o的第一共振峰,以及a的
第二共振峰有差异性.
关键字:中医闻诊,语音,讯号处理,过敏性鼻炎,
音高,越零率,共振峰
Abstract
Allergic Rhinitis is one of the diseases of the
respiratory tract. Since the respiratory system and the
pronunciation system really have some relations, this
research was to study Allergic Rhinitis in traditional
Chinese medicine by the acoustical method. The
technique of digital speech signal processing was used to
analyze the difference between the voice of Allergic
Rhinitis patients and that of the normal ones.
In this research, the speech data of 23 Allergic
Rhinitis patients (8 male adults, and 15 female adults)
were acquired from Taipei municipal Chinese medicine
hospital. The speech data of 19 healthy people (15 male
adults, and 4 female adults) were collected. Adult''s
speech data were from the healthy students in
Chung-Yuan Christian University.When the recording
started on a portable mini optical disk, the sounds ( [a],
[i], [u], [e], [o], [m]) were pronounced in normal pitch
and volume. Before pronouncing, people relaxed and
took a deep breath, and then started the pronunciation as
long as possible. Finally, the speech data was acquired
through the SoundBlaster card, and analyzed in the
computer.
The parameters of the speech signals are: Pitch,
Zero Crossing Rate(ZCR), Formant. The results showed
that there were significant differences (p<0.05) in sounds
between patients and health people. In male, it has some
varieties in the sounds[a],[i],[u],[o],[m](ZCR),[e],[o](2nd
Formant),[o]( 2nd, 3rd, 4th Formant),[m](4th Formant). In
female, the varieties of the sounds are [u](pitch),[e],[o]
(1st Formant),[a] (2nd Formant)
Keywords: Auscultation, speech, digital processing for
speech signals, Allergic Rhinitis, pitch, zero crossing rate,
formant
一,前言
历代医家在相关闻诊(声音)的著作中,特别
喜欢比喻.如中提到:『如从室
中言』,比喻中气湿为发病机制的病症在言语方面的
特徵.另外,人类对於声音的判定经常是以「比较」
的方式去感受,所以经常因为生理状况,心理因素
等,会对於声音的认定产生主观性认定的误差,例
如,频率不变,但声音的大小则会使得音高的感觉变
高或变低【1】.所以本研究更希望能藉由数位语音讯
号处理量化语音参数【2】,再与过敏性鼻炎疾病【3】
之间的关连做一客观性的评估.以冀发展出的诊断程
式,能提供给医师作为评估过敏性鼻炎疾病的参考,
将希望更能正确的诊断出过敏性鼻炎的证型,对於过
敏性鼻炎的治疗将能更确实有效.
二,执行步骤
本研究利用动态式麦克风(频率响应为 50Hz 到
14000Hz),连接便携式迷你光碟录放机(Sharp
MD-200W)撷取受测者的原始语音讯号,便携式迷你
光碟录放机之取样频率为 44.1KHz,之后把便携式迷
你光碟机送至电脑音效卡,透过音效卡的撷取动作以
及类比-数位转换处理【4】,将处理完之数位化语音
讯号进行分析.所使用之语音参数,可分为音源参数
与声道参数两方面【5】.分别是音高周期(Pitch),
越零率(Zero crossing Rate)与共振峰(Formant)
【6】.
本研究病患的来源取自台北市立中医医院所采
的语音样本,测验语句为母音(/a/,/i/,/u/,/e/,
/o/)【7】及一鼻音(/m/)【8】.
本研究的语音撷取过程,选择安静的房间进行量
测.在量测之前我们请医师详细诊断受测者当日之受
病状况 ,并记录在附录 A 的纪录表中.本研究初步
评估收集19名正常人,及23名病人语音进行分析,
包括男病患8人,女病患15人,正常男15人,正常
女4人,共计42人,於空调24~27oC安静的特别诊疗
室裏进行.为让受测者发音调的改变.接著让量测者
了解发音([a],[i],[u],[e],[o],[m])的方式,
使其心情平复几分钟后,才开始进行录音.过程尽量
不受到情绪的影响,首先告知受测者发音时保持平时
的讲话习惯,不必刻意提高音量.
三,结果
本研究初步结果显示,在音高的平均值方面,健
康男性与过敏性鼻炎患者男性除了i,u音数值差不多
外,其余过敏性鼻炎病患均低於健康者,而女性方面
也是相同,除了o音差不多外,其余各音病患均低於
健康者(表一,二).由此可显示病患者因为本身虚症
的关系显得音高偏低.而在音高统计方面来看,显示
病患者和健康者间,男性并无差异性(表三),女性u
音有差异(表四).
在越零率方面,健康男性的平均值均高於病患
者,可知道过敏性鼻炎患者所表现出身体虚的状态,
所以发音特徵也较为清轻,故越零率数值较正常人
小,但女性的越零率平均值却无明显差异(表一,
二).而在统计方面来看,显示病患者和健康者间,
男性的a,i,u,o,m音有差异(表三).
在共振峰方面,其病患和健康者的平均值无显著
差异,但在统计上,第一共振峰女性的e,o音以及在
第二共振峰中,男性的e音,o音,女性的a音有差
异性.而第三共振峰只有男性的i,u,o音有差异,
而在四共振峰中,也只有男性o,m音有差异(表三,
四).
表一,男性正常人与病患语音参数之平均值
语音参数a i u e o m
音高 153.1±97.8 173.7±94.9 187.6±56.5 155.6±56.7 160.5±64.1 137.7±40.9
越零率 10.8±3.5 7.3±6.1 4.3±1.7 9.5±4.1 7.1±2.4 5.9±3.3
正 第一共振峰 826.5±212.8 337.4±101.2 443.7±59.4 512.7±77.9 604.6±107.0 411.6±255.7
常 第二共振峰1528.2±474.81691.9±353.4 1733.5±361.0 1773.6±220.1 2016.4±366.5 1524.1±302.8
第三共振峰2598.5±380.32560.6±296.2 2729.6±314.3 2808.3±489.3 3000.2±381.7 2454.9±449.9
男 第四共振峰3171.3±308.33224.6±242.4 3306.0±186.7 3422.7±288.2 3598.7±111.6 3113.6±239.6
性 音高 115.1±23.4 178.1±61.8 201.2±50.3 135.3±39.1 146.1±55.3 124.6±33.5
越零率 8.0±3.2 2.5±1.9 1.6±1.1 7.4±5.2 5.0±2.9 3.4±2.2
病 第一共振峰 741.0±177.1 299.5±20.3 405.5±74.9 514.5±166.7 540.1±55.1 436.9±264.3
患 第二共振峰1440.5±568.61875.2±214.3 1950.1±382.0 2049.2±183.9 1307.2±575.7 1753.4±303.8
第三共振峰2441.1±322.42791.1±261.1 2969.9±293.0 2903.7±302.2 2561.3±485.7 2699.1±426.5
第四共振峰3406.7±344.03432.0±292.6 3382.0±214.0 3539.4±104.2 3313.5±273.5 3364.4±218.5
表二,女性正常人与病患语音参数之平均值
语音参数 a i u e o m
音高 235.9±106.2 234.7±75.6 308.3±138.3 230.2±42.4 207.8±29.7 215.2±31.3
越零率 5.3±2.3 1.8±1.7 2.1±1.3 3.2±1.7 3.6±1.6 1.5±0.9
正 第一共振峰 865.3±238.2 328.3±35.4 435.1±38.1 584.1±44.4 638.3±134.0 304.5±86.9
常 第二共振峰1603.0±397.9 1599.0±226.2 1844.3±611.8 2143.6±170.0 1514.5±614.9 1579.5±286.9
第三共振峰2940.2±548.2 2604.3±334.0 2936.1±518.5 3178.0±353.1 2638.7±436.4 2418.3±358.5
女 第四共振峰3444.4±392.7 3495.1±156.9 3379.3±275.1 3347.9±121.4 3467.3±344.9 3274.7±216.1
性 音高 197.2±29.4 218.0±41.5 210.2±47.7 212.1±33.7 207.2±39.1 200.2±37.8
越零率 5.3±2.9 1.6±1.3 2.1±1.4 3.3±1.4 3.5±1.6 1.5±0.9
病 第一共振峰1033.3±247.7 353.5±44.1 435.6±53.1 521.9±76.5 555.6±75.1 346.8±83.7
患 第二共振峰2173.2±728.8 1704.3±283.5 1970.3±529.4 2183.9±214.4 1118.4±421.0 1638.6±312.0
第三共振峰3100.0±350.0 2673.3±316.5 3000.4±428.0 3232.9±237.7 2426.8±383.3 2618.3±369.6
第四共振峰3399.6±388.1 3400.2±212.8 3395.9±216.5 3452.0±176.4 3379.3±295.7 3346.2±189.8
表三,男性病患与正常人的P值统计分析
音高 越零率 第一共振峰 第二共振峰 第三共振峰 第四共振峰
a 0.1696 0.0343* 0.2519 0.6549 0.2522 0.0787
i 0.8836 0.0090** 0.1810 0.1058 0.0353* 0.0552
u 0.5013 0.0001** 0.1385 0.1280 0.0429* 0.3245
e 0.2768 0.2353 0.9705 0.0011** 0.5367 0.2381
o 0.5245 0.0425* 0.0539 0.0005** 0.0114* 0.0027**
m 0.3540 0.0286* 0.7954 0.0524 0.1458 0.0144*
(*:P<0.05,**:P<0.01)
表四,女性病患与正常人的P值统计分析
音高 越零率 第一共振峰 第二共振峰 第三共振峰 第四共振峰
a 0.0984 0.9924 0.1005 0.0434* 0.3370 0.8440
i 0.4225 0.8348 0.1521 0.3454 0.5980 0.2570
u 0.0036** 0.9813 0.9801 0.5740 0.7259 0.8727
e 0.2223 0.8224 0.0373* 0.6311 0.6144 0.3543
o 0.9707 0.8469 0.0312* 0.0452 0.1945 0.5602
m 0.3167 0.9654 0.2250 0.6375 0.1874 0.3828

(*:P<0.05,**:P<0.01 )
四,讨论
本实验结果可知过敏性鼻炎患者与一般正常人
在语音上确有其差异性,尤其是在男性的越零率,以
及o音共振峰上,有显著的差异.而女性在越零率和
男性在音高在统计上毫无差异,以及本预测过敏性鼻
炎患者因为鼻塞,流鼻涕,鼻黏膜充血等原因,应在
鼻音m上有显著差异才是,但却只有在男性的越零率
以及第四共振峰有差异性,这几点可能是本初步实验
人数不足以及病患和正常者人数分布不均的关系,应
予再增加数据资料,可能就会有明显差异出来,若是
实验数据足够,更可在依过敏性鼻炎的症型再予以细
分,以求结果之更精准.
五,参考资料
【1】 李昭明:电脑语音分析在中医闻诊的应用,
中原医工所,医学工程科技研讨会,1997
【2】 邱创乾:中医闻诊客观化之关键语音参数研
究分析,逢甲自控所,医学工程科技研讨会,
1999
【3】 朱丽铃:"过敏性鼻炎的药物治疗",医学杂
志期刊,pp.79-86, 1999
【4】 L. R. Rabiner and R. W.: Digital
Processing of Speech Signals, pp. 150-158,
Prentice-Hall,1987
【5】 杨明达:中医虚症患者语音碎形度之初步研
究,逢甲自控所,工程科技与中西医学应用
研讨会,2000
【6】 Delores M. Etter: Engineering Problem
Solving with Matlab 2th Edition, pp.
103-106, Prentice-Hall,1997
【7】 林峻仪:与音讯号应用於中医气喘病患之初
步研究,中原医工所,医学工程科技研讨会,
1999
【8】 邱毓贤:台语鼻音之参数化声波解析模型的
发展与建立,成功大学资工所,医学工程科
技研讨会,2001
409105
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