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문제 정의
- 이에 본 연구는 우리나라에서 COPD/천식 환자에게 널리 사용되고 있는 천식 분무제인 salbutamol(제품명, Ventolin)과 salmeterol(제품명, Seretide, 흡입 스테로이드인 Fluticasone이 병합되어 있음) 사용 전후의 음성 변화를 음향학적으로 알아보고자 한다. 그 결과는 COPD/천식 환자들에게 약물 사용전후로 나타나는 음성적 변화에 대한 기초적인 자료로 제공될 수 있을 것이다.
제안 방법
- COPD/천식 환자들이 현재 널리 사용하고 있는 β2-촉진제 약물로 속효성 β2-촉진제(salbutamol)와 지속성 β2-촉진제(salmeterol) 사용과 관련하여 약물 사용 전후 음성 변화를 음향학적으로 살펴보았다.
- 음향 분석에 사용한 파라미터 구하기는 다음 과정으로 이루어졌다. F0는 음성분석에 최적화된 cross-correlation으로 세팅하여 측정하였으며 대역폭은 Praat의 권고에 따라 남성의 경우 나이퀴스트 주파수를 5, 000 Hz(resampling 10, 000 Hz), 여성의 경우 나이퀴스트 5, 500 Hz(resampling 11, 000 Hz)로 설정하고 각각 5개의 포먼트를 계산하도록 세팅한 후 측정하였다(Gaussian window=50 msec). Jitter_rap과 Shimmer_apq11은 펄스 트레인을 보여주는 객체(object)인 pointprocess(cc)와 voice report 메뉴를 이용하여 구하였다.
- 각 단계별 파라미터 평균과 표준오차 그리고 개체내 유의확률은 에 제시하였다.
- 각 프레임 별로 스펙트럼 변환 후 조화음 피크만 추출하여 그 주파수를 측정된 F0로 나누고 이렇게 측정된 스펙트럼 피크 수가 20을 넘으면 20개만 선택하고 그렇지 않은 경우 측정된 수만큼의 피크만 선택하여 최종 조화음의 개수로 삼았다. 각 조화음에 대해 실제 기록된 값(self)과 측정된 피치와 조화음번호를 곱한 값(iharmonic*pitch)의 차이를 계산하고 그 절대값을 출력한 다음 그 중에서 가장 작은 값을 가진 것을 각 조화음 주파수로 잡았다. 이렇게 해서 구한 첫 번째 조화음과 두 번째 조화음의 진폭을 각각 H1과 H2로 삼고 두 스펙트럼 피크의 진폭 차를 H1-H2로 계산한다[7][8].
- 각 프레임 별로 스펙트럼 변환 후 조화음 피크만 추출하여 그 주파수를 측정된 F0로 나누고 이렇게 측정된 스펙트럼 피크 수가 20을 넘으면 20개만 선택하고 그렇지 않은 경우 측정된 수만큼의 피크만 선택하여 최종 조화음의 개수로 삼았다. 각 조화음에 대해 실제 기록된 값(self)과 측정된 피치와 조화음번호를 곱한 값(iharmonic*pitch)의 차이를 계산하고 그 절대값을 출력한 다음 그 중에서 가장 작은 값을 가진 것을 각 조화음 주파수로 잡았다.
- H1-H2는 필터 특성과 방출 특성을 제거한 후 남은 최종 음원 스펙트럼으로부터 측정한다. 분석 순서는 분석 모음 /아/의 파형과 F0 곡선을 관찰하여 피치검출이 정상적으로 이루어진 부분의 대략 400 msec 정도를 추출한 뒤 추출된 사운드 개체에 대해 50 msec Gaussian 윈도우를 씌우고, 25 msec 간격으로 피치 포인트 값을 측정하여 기본주파수를 측정하였다. 이때 피치 세팅에서 cross-correlation을 선택하여 성대진동 특성을 더 효율적으로 나타내도록 하였다.
- 약물에 대하여 각각의 실험 절차를 달리하여 은 속효성 β2 촉진제인 salbutamol(제품명, Ventolin)로, 는 지속성 β2 촉진제인 salmeterol(제품명, Seretide)로 구성하였다.
- 음성녹음은 병원 내 조용한 장소에서 이루어졌으며, 녹음 장비는 카디오이드 다이나믹형 헤드셋 마이크(Shure WH20 XLR, USA)와 외장 사운드 카드(Creative Soundblaster LIVE 24 bit 5.1, USA)를 노트북에 연결하여 사용하였다. 음성은 Praat(ver.
- 1, USA)를 노트북에 연결하여 사용하였다. 음성은 Praat(ver. 5200, Amsterdam, The Netherlands)프로그램을 이용하여 22050 Hz 표본화율과 16 bit로 양자화 하였다. 녹음 절차는 <실험 1>과 <실험 2>에 동일하게 적용하였다.
- 의외의 스펙트럼 피크(peak)의 발생으로 인한 부정확성을 차단하기 위해 재표본추출(re-sampling, male: 10, 000 Hz, female: 11, 000 Hz, order 10)을 시행하고 그 결과로 나온 객체파일과 LPC 분석결과로 나온 객체를 동시에 선택하여 역여과(inverse filtering)를 실시하였으며 입술에서의 방출(radiation) 특성을 제거하기 위해 역여과의 결과 스펙트럼에 대해 고주파수대감폭(de-emphasis)을 실시하였다.
- 분석 순서는 분석 모음 /아/의 파형과 F0 곡선을 관찰하여 피치검출이 정상적으로 이루어진 부분의 대략 400 msec 정도를 추출한 뒤 추출된 사운드 개체에 대해 50 msec Gaussian 윈도우를 씌우고, 25 msec 간격으로 피치 포인트 값을 측정하여 기본주파수를 측정하였다. 이때 피치 세팅에서 cross-correlation을 선택하여 성대진동 특성을 더 효율적으로 나타내도록 하였다. 잘못된 피치 주기 계산으로 인한 피치반감(pitch halving)이나 배증(doubling)을 없애기 위하여 측정된 피치포인트 값에 대해 3/4을 곱한 값을 F0 하한값으로 설정하고 3/2를 곱한 값을 F0 상한 값으로 설정하여 다시 F0를 측정하였다[7].
- <실험 2>에 대해서 대상자의 수가 적으므로 비모수 검정이 고려되지만 연속 변수를 처리하는 비모수 검정이 없는 관계로 약물사용 전후 총 4단계에 대한 반복 측정 분산분석을 적용하였다. 통계에 입력한 모든 테이타는 피험자 당 3번 발성을 평균 처리하여 적용하였다.
- 환자의 salbutamol(제품명, Ventolin) 사용전후의 상태에서 /아/ 모음 연장발성을 3번씩 녹음하였다. 환자의 나이가 고령인 점을 감안하여 약물사용 전 충분히 임상가가 시현을 보여주었다.
- 환자의 salmeterol(제품명, Seretide) 사용 전후 4단계로 구분하여 /아/모음 연장발성을 3번씩 녹음하였다. Seretide는 병합된 스테로이드의 1회 흡입용량에 따라 500 mg, 250 mg, 100 mg으로 구분하여 처방되지만, 제형에 관계없이 salmeterol 1회 흡입 용량은 50 mg으로 일정하므로, salmeterol 용량은 50 mg으로 일정하게 통제되었다.
대상 데이터
- 2008년 6월부터 2009년 4월까지 COPD/천식으로 진단 받고, salbutamol(제품명, Ventolin)을 처방받은 환자를 대상으로, 사전에 개별적으로 연구 설명을 실시하여 연구 동의를 구하였다. 동의 표시를 해준 환자들만 녹음에 참여시켰다.
- 2009년 3월부터 2009년 6월까지 COPD/천식으로 진단받아 salmeterol(제품명, Seretide)로 처방받고 입원중인 환자를 대상으로 연구의 동의를 구하였다. 동의를 표시한 환자들만 음성녹음에 참여하였다.
- 대상자는 총 6명(남:여, 5:1)이고, 평균연령은 66.16±5.6 이다.
- 대상자는 총 8명(남:여, 4:4)이고, 녹음 당시 평균연령은 73.62±9.8 이다.
- 통계 적용은 3회 음성 평균값을 사용하였다. 분석 파라미터로는 기본주파수(F0), 기본주파수의 표준편차(F0_SD), 주파수변동률(Jitter_rap), 진폭변동률(Shimmer_apq11), 소음 대비 조화음 비율(harmonic-to- noise ratio, HNR), 공명주파수대역(Bandwidth, BW)과 50 msec 프레임별로 추출된 스펙트럼의 첫째 조화음과 둘째 조화음의 진폭 차이인 H1-H2를 선정하였다. 이상의 선정 파라미터를 <표 3>에 정리하였다.
데이터처리
- , USA)을 이용하였고, <실험 1>은 약물사용 전후의 짝을 이룬 비교이므로 윌콕슨 부호 순위 검정(Wilcoxon signed rank test)을, <실험 2>는 4단계의 반복측정이므로 반복 측정 분산분석(Repeated measures ANOVA)을 실시하였다. <실험 2>에 대해서 대상자의 수가 적으므로 비모수 검정이 고려되지만 연속 변수를 처리하는 비모수 검정이 없는 관계로 약물사용 전후 총 4단계에 대한 반복 측정 분산분석을 적용하였다. 통계에 입력한 모든 테이타는 피험자 당 3번 발성을 평균 처리하여 적용하였다.
- <실험 1>과 <실험 2>에서 분석한 모든 수치는 모음/아/ 연장 발성에서 추출한 모음 안정구간 400 msec 정도를 대상으로 구한 것이다. 통계 적용은 3회 음성 평균값을 사용하였다. 분석 파라미터로는 기본주파수(F0), 기본주파수의 표준편차(F0_SD), 주파수변동률(Jitter_rap), 진폭변동률(Shimmer_apq11), 소음 대비 조화음 비율(harmonic-to- noise ratio, HNR), 공명주파수대역(Bandwidth, BW)과 50 msec 프레임별로 추출된 스펙트럼의 첫째 조화음과 둘째 조화음의 진폭 차이인 H1-H2를 선정하였다.
- 통계분석은 한글판 SPSS 12.0(SPSS Inc., USA)을 이용하였고, 은 약물사용 전후의 짝을 이룬 비교이므로 윌콕슨 부호 순위 검정(Wilcoxon signed rank test)을, 는 4단계의 반복측정이므로 반복 측정 분산분석(Repeated measures ANOVA)을 실시하였다.
성능/효과
- 환자의 salmeterol(제품명, Seretide) 사용 전후 4단계로 구분하여 /아/모음 연장발성을 3번씩 녹음하였다. Seretide는 병합된 스테로이드의 1회 흡입용량에 따라 500 mg, 250 mg, 100 mg으로 구분하여 처방되지만, 제형에 관계없이 salmeterol 1회 흡입 용량은 50 mg으로 일정하므로, salmeterol 용량은 50 mg으로 일정하게 통제되었다. 환자의 나이가 고령인 점을 감안하여 약물 사용 전 충분히 임상가가 시현해 주었고, 모든 단계에서 녹음시료 첫 부분에 “저는 (이름)입니다”라는 문장을 두어 편안한 일상 발화수준의 음도를 유도하였다.
- 5 ㎛보다 작으면 가스로 활동하여 호기로 빠져나간다[1]. 결론적으로 천식 분무제 치료는 기도가 약물을 받아들이는 것이다.
- 둘째, Jitter_rap을 제외한 다른 9개의 파라미터에서는 통계적으로 유의미한 차이는 없었으나 기술통계량에서 약물 후에 진폭변동률(Shimmer_apq11) 수치가 상승하였고, 소음 대 조화음비(HNR) 수치는 하락하는 경향을 보였다.
- 둘째, 기술통계량을 기반으로, 약물 효과가 나타나는 Ⅳ단계에서 Jitter_rap, Shimmer_apq11 수치는 상승하고, HNR은 하강하는 경향이 있음을 확인하였다.
- 셋째, 기술통계량을 바탕으로, 약물 효과가 나타나는 Ⅳ단계에서 H1-H2 수치가 상승하였고, 이는 선행연구[7][8][9]의 견해로 본다면, 약물 사용 전 보다 사용 후에 발성 유형(type of phonation)이 숨새는 소리가 된다고 할 수 있다. 그러나 통계적으로 유의미한 결과가 아니므로 추후 보충연구가 더 요구된다.
- 첫째, 약물사용 전후의 음성에서 주파수변동률(Jitter_rap)이 통계적으로 유의미한 차이를 보였다. 약물사용 전보다 약물사용 후 음성에서 Jitter_rap 수치가 상승하였다.
- 약물사용 전후 음성에 대하여 윌콕슨 부호 순위 검정을 5% 유의수준에서 실시한 결과, Jitter_rap만 유의미한 결과를 보였다(Z= -2.10, p=0.036)(표 4). 약물 전보다 약물 후에 음성에 대한 주파수변동률이 더 심해졌다는 것이 통계적으로 검증되었다고 할 수 있다.
- 첫째, 약물 전후의 음성 파라미터에서 통계적으로 유의미한 차이는 없었다.
- 첫째, 약물사용 전후의 음성에서 주파수변동률(Jitter_rap)이 통계적으로 유의미한 차이를 보였다. 약물사용 전보다 약물사용 후 음성에서 Jitter_rap 수치가 상승하였다.
- 통계결과는 10개 파라미터 중 8개 파라미터(F0, F0_SD, Jitter_rap, Shimmer_aqp11, HNR, BW2, BW3, Intensity)에서 구형성 가정(Mauchly's test of Sphericity)이 충족되었지만([F0, p=0.051], [F0_SD, p=0.232], [Jitter_rap, p=0.783], [Shimmer_apq11, p=0.412], [HNR, p=0.719], [BW2, p=0.52], [BW3, p=0.96], [Intensity, p=0.548]), 개체내 통계적으로 유의미한 차이는 없었다.
- 환자의 salbutamol(제품명, Ventolin) 사용전후의 상태에서 /아/ 모음 연장발성을 3번씩 녹음하였다. 환자의 나이가 고령인 점을 감안하여 약물사용 전 충분히 임상가가 시현을 보여주었다. 녹음시료 첫 부분에 “저는 (이름)입니다”라는 문장을 두어 편안한 일상 발화수준의 음도를 유도하였다.
후속연구
- 이에 본 연구는 우리나라에서 COPD/천식 환자에게 널리 사용되고 있는 천식 분무제인 salbutamol(제품명, Ventolin)과 salmeterol(제품명, Seretide, 흡입 스테로이드인 Fluticasone이 병합되어 있음) 사용 전후의 음성 변화를 음향학적으로 알아보고자 한다. 그 결과는 COPD/천식 환자들에게 약물 사용전후로 나타나는 음성적 변화에 대한 기초적인 자료로 제공될 수 있을 것이다.
- 셋째, 기술통계량을 바탕으로, 약물 효과가 나타나는 Ⅳ단계에서 H1-H2 수치가 상승하였고, 이는 선행연구[7][8][9]의 견해로 본다면, 약물 사용 전 보다 사용 후에 발성 유형(type of phonation)이 숨새는 소리가 된다고 할 수 있다. 그러나 통계적으로 유의미한 결과가 아니므로 추후 보충연구가 더 요구된다.
- 하지만 국내에서는 COPD/천식 환자가 많음에도 불구하고, 약물에 대한 음성변화의 부차적 영향에 대해서는 논의 자체가 적은 편이다. 생명 연장이라는 큰 목적에 사용되는 것을 음성 문제로 사용중지 여부를 논할 수 없지만, 다양한 전문적 지식이 모인다면 보다 나은 약물개발에 정보를 제공할 수 있다고 본다.
- 이로 인해 발성시 성대의 건조가 발생할 수 있다고 판단되며, 이런 구강호흡을 하는 행동적 특성으로 인해 성대 점막의 건조가 주파수변동률 상승 원인이 될 수 있다고 보여진다. 하지만 주파수 변동률인 Jitter_rap의 수치 상승 원인은 단순히 한 가지 원인에서만 나오는 결과가 아니므로, 성대근의 불규칙한 진동, 생리적 상태, 그리고 공기역학적 변동 등 다양한 관점에서 확인되어야 한다. 하지만 본 연구에서는 공기역학 검사와 후두 검사를 실시하지 않았기에 정확한 원인 고찰에 미진함이 있다.
- 하지만, 이런 악조건 속에서도 약물사용 전후 직접적인 상황을 음향적으로 분석하려는 노력이 있었던 보고라고 판단하며, 후속 연구에서는 더욱 철저하고 완성도 높은 연구가 이루어지길 바란다.
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