《Frontiers in Signal Processing》：Physiological and subjective evaluation of music processing strategies for hearing-impaired listeners: a pilot study
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摘要：听力损失影响全球超过25亿人，显著降低了音乐愉悦感。尽管数字信号处理（DSP）的进步旨在改善听觉体验，但其对感知音频质量和生理参与的综合影响尚未充分探索。方法：这项初步研究评估了CADENZA挑战中针对听力受损优化的DSP模型。11名参与者（8名听力正常
摘要：听力损失影响全球超过25亿人，显著降低了音乐愉悦感。尽管数字信号处理（DSP）的进步旨在改善听觉体验，但其对感知音频质量和生理参与的综合影响尚未充分探索。方法：这项初步研究评估了CADENZA挑战中针对听力受损优化的DSP模型。11名参与者（8名听力正常者，3名助听器用户）在半消声室中使用环耳开放式耳机聆听通过四种DSP算法处理的音乐片段。信号传递基于个性化听力图基线和音量衰减进行定制。主观指标——基本音频质量（BAQ）和喜好度——与使用医疗级腕戴设备连续记录的生理信号（皮肤电活动[EDA]和光电容积描记[PPG]）一同收集。结果：DSP模型E021在两个参与者组中均获得了最高的BAQ和喜好度评分，且BAQ与喜好度呈强正相关。生理监测揭示了自主神经唤醒与变异性指标之间的探索性关联：具体而言，相性EDA变异性和心跳间隔（IBI）变异性与BAQ和喜好度均呈正相关。讨论：基于变异性的生理标记物为评估小群体中的主观听众反应提供了可行途径。将可穿戴设备衍生的生物特征信号与主观评价相结合，为开发自适应、感知听众的DSP策略提供了框架，以增强听力受损个体的音乐可及性。
**论文解读**
**研究背景与问题**
听力损失影响全球超过25亿人，是日益严重的公共卫生挑战。音乐作为文化参与和幸福感的核心组成部分，对情感调节、社会凝聚力和生活质量至关重要。然而，听力受损者常报告音乐愉悦感降低，旋律结构、乐器平衡和歌词清晰度难以把握。现有助听器主要针对言语清晰度优化，其多频段压缩和降噪等处理策略会扭曲音乐动态范围、谐波结构和音色，导致音乐体验不佳。部分用户甚至放弃佩戴助听器听音乐。尽管数字信号处理（DSP）技术不断进步，但结合主观评价与生理测量的系统研究仍十分匮乏。为克服仅依赖自我报告的局限性，研究人员开始引入皮肤电活动（EDA）和光电容积描记（PPG）等自主神经唤醒指标，以量化听音努力和情感参与。CADENZA挑战应运而生，旨在通过机器学习优化DSP模型，提升听力受损者的音乐感知质量。然而，这些模型对感知音频质量和生理参与的综合影响尚未被充分探索。
**研究目的与意义**
本研究旨在评估听力正常者和助听器用户对CADENZA挑战DSP模型处理音乐的主观与生理反应，探讨生理信号是否反映主观偏好、不同DSP模型是否改变感知质量与愉悦感，以及哪些主观-生理标记组合可指导未来自适应听力技术。该论文发表在《Frontiers in Signal Processing》，为开发动态、个性化的音乐聆听体验优化策略提供了初步概念验证。
**关键技术与方法**
研究人员从CADENZA挑战中选取了11名参与者（8名听力正常者，平均年龄25.0岁；3名助听器用户，平均年龄54.0岁，样本来源为CADENZA听众数据库及现场测试）。实验在半消声室中进行，使用Sennheiser SC60环耳耳机和Empatica Embrace医疗级腕戴设备，连续记录EDA（4 Hz）和PPG（64 Hz）。主要技术方法包括：（1）基于个性化听力图生成基线刺激，并通过CADENZA工作流（CAD12）产生三种处理模型（E001、E021、E022）的音频片段；（2）采用连续分解分析（CDA）从EDA中分解相位和张力成分，并计算相位变异性；（3）使用PPG-Beats工具箱检测心跳间隔（IBI），通过4阶切比雪夫高通滤波器（截止频率0.15 Hz）减少运动伪影，并计算IBI变异性；（4）收集主观基本音频质量（BAQ）和喜好度评分，采用线性混合效应模型（LMEM）分析重复测量数据，控制个体差异。
**研究结果**
**3.1 数据概况**
共获得11个有效数据集（听力正常组8人，助听器组3人），采用线性混合效应模型（LMEM）分析，固定效应包括DSP模型和参与者组，通过似然比检验确定模型选择。
**3.2 主观评分**
**3.2.1 基本音频质量（BAQ）与喜好度**
模型E021在两个组中均获得最高的BAQ和喜好度评分。助听器用户在E001和E022上的评分变异性大于听力正常组。BAQ与喜好度呈中等正相关（Spearman ρ ≈ 0.48，p < 0.001）。此外，BAQ与平均张力EDA存在弱相关（ρ = 0.12，p = 0.003），但喜好度与张力EDA无显著关联（ρ = 0.07，p = 0.10）。
**3.3 皮肤电活动（EDA）**
Δ张力EDA在DSP模型间无一致组间差异，但个体差异显著。相位变异性在E021中高于E001和E022，提示偏好模型引发更强的自主神经参与。相位变异性与BAQ（ρ = 0.31，p = 0.03）和喜好度（ρ = 0.28，p = 0.04）均呈显著正相关。
**3.4 光电容积描记（PPG）**
ΔIBI和基线校正最大IBI在组间无一致效应。但IBI变异性在E021中升高，且与BAQ（r = 0.42，p = 0.02）和喜好度（r = 0.39，p = 0.03）呈显著正相关。综合EDA和PPG指标，E021引发了最强的主观与生理参与。
**3.4.1 个体水平分布**
个体轨迹图显示，尽管群体趋势倾向于E021，但部分参与者（如p22032、p22035）表现出显著改善，而另一些（如TIDAL4）呈现非一致模式。相位EDA变异性在部分参与者中基线水平较高。箱线图进一步表明E021的高评分并非由单个异常值驱动，而是样本分布的整体偏移。
**讨论与结论**
**讨论**
模型E021在BAQ和喜好度上均表现最佳，表明其DSP策略能同时提升感知技术质量和审美满意度。BAQ与喜好度的中等相关（ρ ≈ 0.48）提示感知质量是愉悦感的重要贡献因素，但非唯一因素。基于变异性的生理指标（相位EDA变异性和IBI变异性）比绝对水平指标（张力EDA、ΔIBI）更敏感，与先前研究一致。但需注意，自主神经唤醒是非特异性反应，可能反映审美参与、注意力或认知负荷，而非纯粹愉悦。助听器用户评分变异性更大，暗示“一刀切”策略不足，需个性化方案。本研究的局限性包括样本量小（尤其助听器组仅3人），DSP模型为“黑箱”无法揭示内部机制，实验室环境与日常听音场景存在差异。未来需更大样本、开放算法及真实世界测试。
**研究结论**
这项实验评估了听力正常者和助听器用户对四种CADENZA挑战DSP模型处理音乐的反应，结合主观BAQ与喜好度评分以及腕戴设备生理测量。研究发现，DSP处理策略能显著影响感知音频质量和生理参与。在测试模型中，E021在BAQ和喜好度上持续优于其他模型。生理结果表明，基于变异性的自主神经指标——特别是相位EDA变异性和IBI变异性——提供了听众参与的有用收敛证据，即使绝对水平（如张力EDA）效果不一致。尽管本研究受限于小样本，这些初步发现为将变异性标记物纳入自适应听力技术提供了概念验证。仍需更多研究以确定这些标记物能否稳健地用于动态定制处理，以优化音乐愉悦感和言语清晰度。这些发现凸显了为听力受损者实现可及、个性化音乐聆听的有前景路径。
