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문제 정의
- 이를 위해 최근 Lee 등, ')Kwo"이 음성신호 동기화 기법을 이용한 휴대형 후두 스트로보스코프를 개발하였으나 성 대와 스트로 보광과의 완벽한 동기화 (synchronization) 가 이루어지지 못하였다. 후두 스트로보스코프 개발에 있어 제일 큰 어려움은 피검자 성대의 정확한 기본주파수(fundamental frequency), 즉 피치(pitch)의 검출과 한 주기(cycle) 내에서 확실히 차이가 나는 정점 (peak)을 구현할 수 있는 방법을 찾는 것이다. 왜냐하면 확실한 정점이 없으면 스트로 보광의 동기화된 발광이 불가능해져서 성대의 자연스러운 진동상태를 관찰할 수 없기 때문이다.
가설 설정
- A : Change of vocal cord during one vibratory cycle. B : EGG c, f one vibratory cycle. C : The signal of dEGG 1- 2 both closed, 3 upper closed & lower 1/2 open, 34- upper closed & lower open, 3++ upper 1/2 open & lower open, 4-5 Both open, 5+ upper still open & lower 1/2 closed, 5++ upper open & lower closed, 6 upper 1/2 closed & lower closed.
제안 방법
- 4 가지의 센서 신호와 계산된 선형 예측신호를 이용하여 피치 정점의 특성을 비교하였다. 스트로보광과의 동기화를 위한 피치 신호의 조건으로는 한 주파수내 뚜렸한 정점이 있어야 하고 피치 정점의 위치가 일정하여야 하며 미분된 EGG(dEGG)와 비교하여 위상차가 없어야 한다.
- 4 가지의 신호에서 한 주기 내 정점의 최소값과 최대값의 80% 이상에서 몇 개의 정점이 나오는지를 비교하였다.dEGG와 가장 유사한 정점의 개수를 보인 신호는 진동 검출기에서 수집한 신호로 /e/ 발성시 평균 1개이었고 선형 예측 오차(2.
- 스트로보광과의 동기화를 위한 피치 신호의 조건으로는 한 주파수내 뚜렸한 정점이 있어야 하고 피치 정점의 위치가 일정하여야 하며 미분된 EGG(dEGG)와 비교하여 위상차가 없어야 한다. dEGG는 EGG 신호를 Matlab 7.0에서 저자가 개발한 소프트웨어를 이용하여 구하였다. 피치 정점의 위치에 단일 피치가 검출되는지, 모호하게 검출되는지 프라트를 이용하여 육안적으로 감별하였다.
- dEGG에서 나타나는 피치의 정점을 기준으로 하여 4가지 센서의 정점을 비교하여 위상차가 어느 정도 인지를 %로표시하였다(Table 3). /e/ 발성시 진동 검출기에서 dEGG 의 정점에 대한 위상차가 평균 2.
- 검사자가 피검자의 혀를 앞으로 당겨 낸 후, 모음 /e/와 /i/의피치 및 발성강도를 약간 높게 발성시켜 파형을 추출하였다.
- 남, 녀 성인 각각 10명의 /a/, /e/, N, /o/, /u/의 기본 주파수를 측정하였다. 남자 성인의 기본 주파수는 평균 119.
- 마이크로폰을 통해 입력한 음성신호를 Matlab 7.0에서 저자가 개발한 선형 예측오차 신호 추출 소프트웨어를 이용하여 추출하였다(Fig. 2).
- 피치 정점의 위치에 단일 피치가 검출되는지, 모호하게 검출되는지 프라트를 이용하여 육안적으로 감별하였다. 모든 센서 신호에서 한 주기의 피치내에서최소값과 최대값의 80% 이상에서 몇 개의 정점이 나오는지를 확인하여 개수를 비교하였다.
- 비접촉형 마이크로폰 및 접촉형 소형 마이크로폰, EGG, 진동 검출기, 후두 마이크로폰 등 5가지 센서 신호 중 EGG 에 가장 유사한 센서를 선택하여 Lee 등, Kwon (2)이 개발한 휴대형 후두 스트로보스코프를 이용하여 실제 동기화가 잘 되는지를 검정하였다. 휴대형 스트로보스코프는 5W LED를 이용한 휴대형 광원으로 구성되어 있으며 이외 7mm 강직형 후두경, CCD 카메라 시스템, 모니터 등의 장비로 구성하였다.
- 성인 남 녀 각각 5명이 /a/, /e/, /i/, /o/, /u/ 를 발성하고 혀를 당긴 상태에서 /e/와 /i/를 발성한 후 얻어진 파형으로 프라트를 이용하여 기본 주파수를 검출하였다.
- 음성 신호는 마이크로폰을 통해 PC quirer 516의 오디오 포트 채널을 통해 입력하고 4, 000Hz의 저역통과 필터를 통과한 신호를 16비트로 표본화하였다.
- 저자들은 다 채널 분석장치인 PC quirer 516(Scicon R&D, USA), 입력된 신호를 증폭시킬 수 있는 음성혼합기 (Soundcraft, Compact 4) 및 음성 분석 소프트웨어인 프라트 (Praat, Netherland) 등을 이용하여 상기의 여러 방법을 비교하여 진동 측정용 센서인 진동 검출기 (Vibration pick-up, AKG C-411)를 이용한 방법이 EGG를 사용한 방법과 가장 근접하는 피치 검출방법으로서 의미가 있는지 알고자 하였다.
- ) 에서 선형 예측오차(linear prediction error) 신호를 추출하였다. 접촉식 방식으로는 EGG, 진동 검출기 (vibration pick-up, AKG C~411), 접촉형 마이크로폰(contact microphone) 및 후두 마이크로폰 (laryngeal microphone. KAY-PEN- TAX, USA)을 이용하여 신호를 추출하였다(Fig 1).
- 진동 검출기의 위치를 윤상연골하 전경부, 갑상연골판 부위, 설골상부로 나누어 혀를 당긴 상태에서 /e/와 /i/를 발성하게 하여 어느 부위에 부착하였을 때 dEGG와 정점의 위치가 일치하는지, 위상차가 어느 정도 인지 확인하였다. 윤상연골하 전경부에 부착한 경우 dEGG와 정점의 개수(1 개)와 위상차(1.
- 진동 검출기의 위치를 윤상연골하 전경부, 갑상연골판 부위, 설골상부로 나누어 혀를 당긴 상태에서 /e/와 N를 발성하게 하여 어느 부위에 부착하였을 때, dEGG와 정점의 위치가 일치하는지, 위상차가 어느 정도 인지를 확인하였다.
- 피검자의 음성과 함께 전경부에 EGG 측정용 전극 판을 양측 갑상연골판에 부착하고, 후두 마이크로폰, 접촉형 마이크로폰, 진동 검출기를 윤상연골하 전경부 하방 전경 부에 부착시킨 후 4개의 채널을 통해 신호를 수집하였다. 검사자가 피검자의 혀를 앞으로 당겨 낸 후, 모음 /e/와 /i/의피치 및 발성강도를 약간 높게 발성시켜 파형을 추출하였다.
- 후두 스트로보스코프의 피치 정점 검출 신호로 사용 가능한 최적의 신호를 선택하기 위하여 비접촉식과 접촉식 두 가지 방식으로 나누어 검사하였다. 비접촉식에는 음성 마이크로폰을 이용하여 아날로그 음성신호를 추출하였으며, 또한 이 음성신호를 이용하여 Matlab 7.
대상 데이터
- PC quirer 516의 사양은 같다. 채널 1은 EGG 신호 2는 후두 마이크로폰 신호, 3은 접촉형 마이크로폰 신호 4는 진동 검출기 신호를 입력하였고 "Audio in" 단자에 아날로그 음성을 입력하여 총 5개의 채널을 이용하였다(Fig. 1).
- 5 채널로 구성되어 동기된 입력이 가능한 Scicon R&D사(USA)의 PC quirer 516(Fig. 5A)을 사용하였다. PC quirer 516의 사양은 같다.
- AKG사의 C417PP형 콘덴서형 마이크로폰(Fig. 3C) 을갑상연골판에 브착하여 신호를 추출하였다(Fig. 1).
- 음향을 추출할 때 사용되는 것으로 10~200Hz 구간의 성분을 강조하고, 보다 높은 주파수 성분은 억제하는 특징을 갖고 있는 AGK사의 C411 L 진동센서 (Fig. 3B) 를 사용하여 신호를 추출하였다(Fig. 1).
- 전자 후두내시경 검사상 후두에 병변이 관찰되지 않은 정상 성인(20~40세) 남, 녀 각각 10명을 대상으로 시행하였다.
- 청진기에 연결된 관에 부착된 소형 마이크로폰을 붙힌 KAY-PENTAX사의 후두 마이크로폰(Fig. 3D)을 이용하여 PC quirer 516에 신호를 입력하였다(Fig. 1).
데이터처리
- t-검정 후 Bonferroni 수정을 이용하여 통계 처리하였고 p 유의한 것으로 판정하였다.
- 방식으로 나누어 검사하였다. 비접촉식에는 음성 마이크로폰을 이용하여 아날로그 음성신호를 추출하였으며, 또한 이 음성신호를 이용하여 Matlab 7.0(Mathworks, Inc.) 에서 선형 예측오차(linear prediction error) 신호를 추출하였다. 접촉식 방식으로는 EGG, 진동 검출기 (vibration pick-up, AKG C~411), 접촉형 마이크로폰(contact microphone) 및 후두 마이크로폰 (laryngeal microphone.
- rate) 은 8, 000Hz를 사용하였다. 저역 통과 필터는 4, 000Hz로 지정하였고 소프트웨어는 PC quirer 516 을 이용하여 신호의 수집과 저장을 하였고 Praat를 이용하여 pitch 분석을 시행하였다.
성능/효과
- 노력이 시도되었다.(3) 역여과법의 일종인 선형예측오차 신호는 음성신호로부터 신호의 예측치를 표시한 값으로 성문폐쇄 시점 (glottic closure instant, GCI) 에서 예측오차가 커지는 성질을 이용하여 GCI시점을 검출할 수 있다. 성문폐쇄 시점이란 성대의 여 .
- 3). /e/ 발성시 진동 검출기에서 dEGG 의 정점에 대한 위상차가 평균 2.4%로 가장 적었고 선형예측 오차(23.8%), 후두 마이크로폰(29.9%), 접촉형 마이크로폰은 평균(30.2%), 마이크로폰(31.2%)의 순이었고 N 발성시도 동일한 순으로 유의한 차이 3<0.05)를 나타내었다.
- 발성강도 및 피치에 대하여 피검자의 목소리가 너무 작아서 증폭기의 출력신호가 약할 경우, 정점 검출 회로를 정상적으로 동작시키지 못해 정점 검출을 놓치는 부분이 생기게 되고, 반대로 피검자의 목소리가 너무 커서 증폭기의 출력 신호가 포화될 경우 한 주기 내에 여러 번의 정점이 검출될 수 있으며 동일 피검자에서 피치를 높이게 되면 한 번 이상의 정점이 검출되는 것을 본 연구에서 확인할 수 있었다. Kwon2)은 이에 대해 증폭기의 이득을 자동으로 조절하여야 정점 검출9| 안정적으로 이루어질 수 있다고 하였다.
- 내어야 한다. 본 연구에서 진동 검출기의 경우 피치 검출 뿐 아니라 정점의 양상이 dEGG와 매우 유사하였으며, 실제 Lee 등, Kwon2)이 개발한 휴대형 스트로부스크프를 이용하여 긴동 검출기의 유용성을 검증한 결과 EGG 를 이용한 경우와 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서와 같이 전경부의 진동을 진동 검출기로 측정하는 방법은 별다른 침습제를 사용하지 않고, 한개의 센서를 전경부에 접촉시켜 동기 신호를 검출할 수 있었다. EGG의 경우 검사시 경부 갑상연골부 양측에 전극을 정확하게 고정해야 하는 불편함이 있으며 필요에 따라 피부에 전극의 양호한 전기적 접촉을 위하여 Ag/AgCl 등의 젤과 같은 부가적인 재료를 사용하여야 하므로 오늘날과 같이 비침습적 진료가 우선시 되는 시대에서는 환자의 불편을 야기할 수 있다.
- EGG의 경우 검사시 경부 갑상연골부 양측에 전극을 정확하게 고정해야 하는 불편함이 있으며 필요에 따라 피부에 전극의 양호한 전기적 접촉을 위하여 Ag/AgCl 등의 젤과 같은 부가적인 재료를 사용하여야 하므로 오늘날과 같이 비침습적 진료가 우선시 되는 시대에서는 환자의 불편을 야기할 수 있다. 실제로 진동 검출기를 이용하여 경부의 위치에 따른 진동 상태를 측정한 결과 윤상연골하 전경 부의 진동이 가장 민감하고 양질의 진동상태를 나타냄을 확인할 수 있었으며, 이는 향후 후두 스트로보스코프의 발광신호의 동기화에 dEGG와 거의 동일하면서도 위상차가 거의 없는 간단한 방법임을 알 수 있었다.
- 6). 진동 검출기는 dEGG와 정점의 개수도 일치하였고 위상차도 거의 나타나지 않아 동기화에 적합한 소견을 보였다. 하지만 마이크로폰과 접촉형 마이크로폰의 정점 위치는 dEGG 신호와 약간의 차이를 보이면서 한 주기에서 정점이 여러개 나타났으며, 후두 마이크로폰은 위상차도 많이 나타났으며, 다수의 정점이 있었다.
- 진동 검출기는 dEGG와 정점의 개수도 일치하였고 위상차도 거의 나타나지 않아 동기화에 적합한 소견을 보였다. 하지만 마이크로폰과 접촉형 마이크로폰의 정점 위치는 dEGG 신호와 약간의 차이를 보이면서 한 주기에서 정점이 여러개 나타났으며, 후두 마이크로폰은 위상차도 많이 나타났으며, 다수의 정점이 있었다.
후속연구
- 결론적으로 후두 스트로보스코프의 동기화를 위해서는 정확한 피치 검출과 한 주기 내에서 단 하나의 정점을 검출해 내어야 한다. 본 연구에서 진동 검출기의 경우 피치 검출 뿐 아니라 정점의 양상이 dEGG와 매우 유사하였으며, 실제 Lee 등, Kwon2)이 개발한 휴대형 스트로부스크프를 이용하여 긴동 검출기의 유용성을 검증한 결과 EGG 를 이용한 경우와 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
- 널리 이용되고 있다. 하지만, 기존의 방법과는 다르게 성대의 진동과 기도 압력의 변동을 진동측정용 센서를 사용하여 측정하면 다양한 고조파(harmonic)가 혼재한 발성부를 통과한 음성과는 달리 성대 진동에 해당하는 기본 주파수를 보다 직접적으로 추출할 수 있을 것이다.
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