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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 원리를 이용하여 EGG 시스템을 구현하였다. 또한 구현된 EGG 시스템을 이용한 여러가지 실험을 통해 성대의 기능을 관찰하고, 후두의 병변 및 발성 기능 장애의 진단 가능성을 검토하여 다양한 분야의 적용 가능성을 논하고자 하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 이러한 원리를 이용하여 EGG 시스템을 구현하였다. 또한 구현된 EGG 시스템을 이용한 여러가지 실험을 통해 성대의 기능을 관찰하고, 후두의 병변 및 발성 기능 장애의 진단 가능성을 검토하여 다양한 분야의 적용 가능성을 논하고자 하였다.
- 7MHz 발진기, 2쌍의 링 전극, 동조증폭기, 검파기, 저역통과필터, 자동이득조절부 등으로 구성되어 있다. 인체에서 EGG 측정은 미약한 전기 신호를 경부에 가하므로 전기적 안정성을 확보하기 위하여 시스템의 전원과 자극 신호를 전기적으로 분리시켜 설계하였다. 따라서 전극은 벨트에 부착된 2개의 링전극으로써 EGG 시스템과 유도성 결합으로 연결되어있으며, 직류적인 접촉을 차단한다.
- 인체의 피부는 높은 직류 저항을 띠고 있으며 용량성이 존재한다. 따라서 피부의 전기 저항을 극복하면서 성대의 전기 저항을 측정하기 위해 전극을 통해 2.7MHz의 캐리어 신호를 가해 성대의 전기적 임피던스 변화를 추출하였다. 전극의 위치와 개인별 피부의 임피던스 차이를 보상하기 위하여 자동이득조절 회로를 추가하였다.
- 7MHz의 캐리어 신호를 가해 성대의 전기적 임피던스 변화를 추출하였다. 전극의 위치와 개인별 피부의 임피던스 차이를 보상하기 위하여 자동이득조절 회로를 추가하였다. 수신부의 신호가 미약하기 때문에 검출된 캐리어 신호를 동조 증폭기를 통해 증폭하였으며, 검파회로를 통해 임피던스 변화에 따른 캐리어 신호의 진폭변화가 검출되도록 하였다.
- 전극의 위치와 개인별 피부의 임피던스 차이를 보상하기 위하여 자동이득조절 회로를 추가하였다. 수신부의 신호가 미약하기 때문에 검출된 캐리어 신호를 동조 증폭기를 통해 증폭하였으며, 검파회로를 통해 임피던스 변화에 따른 캐리어 신호의 진폭변화가 검출되도록 하였다.
- 검출된 성대 운동의 전기적 신호는 잡음 제거를 위해 저역통과필터를 거쳤으며, 성대의 운동을 나타내는 아날로그 출력은 PC 사운드카드의 line-in 단자를 통해 입력되도록 하였다. 또한 볼륨을 사용하여 적정한 크기의 임피던스 신호를 획득할 수 있도록 하였다.
- 검출된 성대 운동의 전기적 신호는 잡음 제거를 위해 저역통과필터를 거쳤으며, 성대의 운동을 나타내는 아날로그 출력은 PC 사운드카드의 line-in 단자를 통해 입력되도록 하였다. 또한 볼륨을 사용하여 적정한 크기의 임피던스 신호를 획득할 수 있도록 하였다.
- 5Hz 저역 통과필터를 사용하였다. EGG 파형을 분석하기 위해 여러가지 파라미터를 이용할 수 있으나, 본 연구에서는 패쇄시간율 (closed quotient; CQ), 개폐속도율 (speed quotient; SQ), 개폐속도지수(speed index; SI), 성대진동 주파수변동 지수(jitter), 성대진동 진폭변동지수(Shimmer), 성대의 기본 진동수(F0)등을 사용하였다(2). CQ, SQ, SI 파라미터들은 EGG 신호의한 주기 내에서 EGG 및 미분 EGG 신호의 최대값 및 최소값을 통해 연산되어진다.
- 음의 고저에 따라 나타나는 EGG 파라미터들의 변화를 관찰하기 위해 8명의 정상인에게 일정한 강도로 /도/, /미 /, /솔/, /도/를 발성하도록 한 후, EGG 신호를 획득하여 CQ, SQ, SI, FO, Jitter, Shimmer를 구하고, 성대진동 주파 수에 따른 타 파라미터들의 변화를 비교해 보았다.
- )에 따른 타 EGG 파라미터의 변화를 관찰한 결과이다. 모든 피검자가 동일하면서도 일정한 주파수와 강도로 발성할 수 없기 때문에 피검자와는 무관하게 성대진동 주파수와 타 EGG 파라미터의 평균 값을 각각 대응시켜서 표현하였다. CQ, SQ, SI, Fo 등과 같은 파라미터들은 성대 진동주기마다 추출이 가능하지만 분 석구간 내에서는 변동이 적다고 판단되어 분석구간 중 평균값을 취하여 도시하였다.
- CQ, SQ, SI, Fo 등과 같은 파라미터들은 성대 진동주기마다 추출이 가능하지만 분 석구간 내에서는 변동이 적다고 판단되어 분석구간 중 평균값을 취하여 도시하였다. 동시에 데이터 분포의 전체적인 경향을 분석하기 위해 1차 선형회귀식을 구하여 도시하였다.
- EGG 신호와 음성 신호의 기본 주파수의 일치정도를 관찰하기 위해 피검자에게 약 3초간 모음 /아/를 일정한 강도로 발성하게 한 후, GoldWave 4.23(GoldWave, Inc.) 프로그램을 이용하여 EGG 신호는 PC 사운드카드의 line-in 단자를 통해 입력받고, 음성 신호는 마이크 입력 단자를 통해 입 력받았다.
- 또한 실시간으로 EGG 파형을 모니터링할 수 있는 PC 기반 시스템도 있으며, 디지털 비디오 스트로보스코피(stroboscopy)의 촬영을 위해 동 기화시키는 수단으로도 사용되고 있다. 본 연구에서 개발된 EGG 시스템은 PC 기반으로 운용되는 휴대용 시스템으로서 EGG 시스템에서 측정된 신호가 PC 사운드를 통해 데이터 수 집 및 샘플링과 양자화가 이루어지며, PC 소프트웨어를 통해 후처리 과정이 수행된다. PC 기반으로 운용하는 시스템의 개 발로 의료기관 및 재택용 성대 기능 이상 검사가 가능할 뿐만 아니라 원격진단에도 활용될 수 있으리라 사료된다.
이론/모형
- PC 로 전송된 성대 운동의 아날로그 출력은 Matlab 6.5(Mathworks, Inc.)를 이용하여 작성한 프로그램에 의해 11, 025Hz의 sampling rate와 16bit의 양자화율로 PC에 저장되고, 여러가지 신호처리 단계를 거쳐 EGG 파라미터로 연산되었다.
성능/효과
- 일정한 강도로 발성할 경우, Fo가 증가하면 CQ, Jitter, Shimmer는 증가하고 SQ, SI는 감소함을 알 수 있다. 이러한 결과는 성대의 운동이 빨라질수록 성대의 폐쇄기 (closed phase)7} 개방기(open phase)에 비해 상대적으로 길어지고, 폐쇄기 중 폐소기의 비율이 높아지며, 폐소 속도에 비해 개대 속도가 증가함을 보여준다. 또한 고음을 발성할 때 진폭과 주파수의 변동이 심해짐을 알 수 있다.
- 6256 Hz를 각각 나타낸다. 피검자 중 표준 주파수에 근접한 성대진동을 하는 피검자도 존재하지만, 대부분의 피검자들의 음계별 성 대진동 주파수들이 표준주파수와는 두 음 이상의 많은 차이를 보였다. 그러나 각 음계를 이어주는 그래프의 기울기가 표준 주파수의 기울기와 유사한 것으로 관찰되며, 피검자들이 바이오피드백을 통한 지속적인 훈련을 수행한다면 표준주파수대로 발성할 수 있는 가능성도 내포하고 있다.
- 그림 9에서도 알 수 있듯이, 모든 파라미터에서 그룹간의 차이가 두드러지게 나타났다. 정상대조군에 비해 후두 질환 환자에서 F0가 다소 높은 경향이 있지만 CQ, SQ, SI는 낮게 나타났고, Jitter, Shimmer는 현저하게 높은 것으로 관찰되었다. 또한 F0, Jitter, ShimmeT의 표준편차도 평균치와 더불어 높게 나타났으며, 이는 후두의 병변이 성대 운동에 영향을 미쳐 발성 강도와 주기성이 불안정한 것으로 판단된다.
- 정상대조군에 비해 후두 질환 환자에서 F0가 다소 높은 경향이 있지만 CQ, SQ, SI는 낮게 나타났고, Jitter, Shimmer는 현저하게 높은 것으로 관찰되었다. 또한 F0, Jitter, ShimmeT의 표준편차도 평균치와 더불어 높게 나타났으며, 이는 후두의 병변이 성대 운동에 영향을 미쳐 발성 강도와 주기성이 불안정한 것으로 판단된다.
- EGG 시스템은 음성 신호처리와는 달리 간단한 회로의 구성으로 실시간적인 피치의 검출이 가능하다. EGG 신호는 발성시에 성대의 여기신호와 성도의 포만트 사이의 상호작용에 영향을 받지 않으면서 다양한 주변잡음에도 성대 의 떨림에 관한 정확한 정보를 검출할 수 있으므로, EGG 신호가 피치를 검출하는데 안정적이고, 효과적인 방법임을 알 수 있다. 따라서 음성 신호를 이용하여 피치를 검출할 때의 문제점을 보완할 수 있으며, 음성 분석시 피치검출을 위한 기준 신호로 적합하다고 볼 수 있다.
- EGG 신호는 발성시에 성대의 여기신호와 성도의 포만트 사이의 상호작용에 영향을 받지 않으면서 다양한 주변잡음에도 성대 의 떨림에 관한 정확한 정보를 검출할 수 있으므로, EGG 신호가 피치를 검출하는데 안정적이고, 효과적인 방법임을 알 수 있다. 따라서 음성 신호를 이용하여 피치를 검출할 때의 문제점을 보완할 수 있으며, 음성 분석시 피치검출을 위한 기준 신호로 적합하다고 볼 수 있다.
- 개발된 EGG 시스템을 이용하여 정상대조군과 후두질환 환자를 대상으로 관찰된 EGG 파라미터의 통계적 특성을 분석한 결과, CQ, SQ, SI, F0, Jitter, Shimmer 등 모든 파라 미터에서 그룹간의 차이가 두드러지게 나타났다. CQ의 경우에는 정상대조군에 비해 부종 환자를 제외한 후두질환 환자에서 낮게 나타났다.
- 본 연구에서는 발성시에 성대의 운동 양식과 기능적인 변화를 판단할 수 있도록 하는 PC 기반의 휴대용 EGG 시스템의 구현이 가능하였다. 실험 결과에 의하면 성대 접촉과 분리의 구간별 분석을 나타내는 CQ, SQ, SI와 F0/ Jitter, Shimmer가 음의 고/저 뿐만 아니라 후두 병변의 진단에도 유용한 결과를 가져왔다. 또한 음성공학, 음악치료, 음성언어치료 측면에서도 다양하게 활용할 수 있음을 보였다.
- 본 연구에서는 발성시에 성대의 운동 양식과 기능적인 변화를 판단할 수 있도록 하는 PC 기반의 휴대용 EGG 시스템의 구현이 가능하였다. 실험 결과에 의하면 성대 접촉과 분리의 구간별 분석을 나타내는 CQ, SQ, SI와 F0/ Jitter, Shimmer가 음의 고/저 뿐만 아니라 후두 병변의 진단에도 유용한 결과를 가져왔다.
후속연구
- 서동일[12] 등은 요들송을 부르는 동안, 성대의 접촉 양상을 객관적으로 검사하기 위해 EGG를 측정하였으며, 이 형태의 발성방법이 성대 결절 등과 기능성 발성장애를 초래한 환자들의 발성치료에 사용하거나, 예방할 수 있는 방법으로서의 가치를 가지는 발성 훈련방법으로 제시하였다. 만약 발성시에 EGG 파형과 음조를 즉시 보여주는 방법으로 성대의 접촉 상태, 음정정확도에 대한 정보를 시각적, 청각적으로 피드백 할 수 있는 EGG를 발성훈련에 활용할 수 있다면 음악적, 음성언어적 치료 도구로서 큰 효과가 있으리라 생각한다.
- EGG 시스템은 성대진동에 대한 분석이기 때문에 기존의 음성분석에 비해 분석오류가 적고, 성대의 병변을 보다 더 정확하게 진단할 수 있다고 판단한다. 특히 퍼지, 신경망 등 다양한 분류기법을 추가 적용한다면 후두의 병변 및 발성 기능의 장애를 자동 진단할 수 있는 진단 시스템을 구현하는데 일익을 담당하리라 사료된다.
- 본 연구에서 개발된 EGG 시스템은 PC 기반으로 운용되는 휴대용 시스템으로서 EGG 시스템에서 측정된 신호가 PC 사운드를 통해 데이터 수 집 및 샘플링과 양자화가 이루어지며, PC 소프트웨어를 통해 후처리 과정이 수행된다. PC 기반으로 운용하는 시스템의 개 발로 의료기관 및 재택용 성대 기능 이상 검사가 가능할 뿐만 아니라 원격진단에도 활용될 수 있으리라 사료된다. 또한 타 시스템에 비해 별도의 저장매체를 사용하지 않아 간편하고 부 피가 작고 경량이기 때문에 휴대가 용이하며, 성대의 피치 정보를 실시간으로 분석하여 그 정보를 화면에 보여줌으로써 언 어치료, 성악 분야에서 바이오피드백을 통한 발성 교정 도구로 써도 많이 활용될 수 있으리라 본다.
- PC 기반으로 운용하는 시스템의 개 발로 의료기관 및 재택용 성대 기능 이상 검사가 가능할 뿐만 아니라 원격진단에도 활용될 수 있으리라 사료된다. 또한 타 시스템에 비해 별도의 저장매체를 사용하지 않아 간편하고 부 피가 작고 경량이기 때문에 휴대가 용이하며, 성대의 피치 정보를 실시간으로 분석하여 그 정보를 화면에 보여줌으로써 언 어치료, 성악 분야에서 바이오피드백을 통한 발성 교정 도구로 써도 많이 활용될 수 있으리라 본다.
- 이러한 EGG 시스템을 보다 개선하고 실용화하기 위해서는 성대의 운동 및 병태 생리를 대변할 수 있는 파라미터의 개발이 더욱 필요하리라 본다.
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