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문제 정의
- 그러나 마이크로폰과 신호처리 시스템이 사람의 피부에 이식되고, 소리 전달용 진동 트랜스듀서가 이소골에서 직접 부착되므로 기존의 보청기와는 전달 이득 특성이 많이 달라진다. 본 논문에서는 ACROSS 장치에 사용되는 이식형 마이크로폰과 진동 트랜스듀서가 이식된 후 변화되는 전달이득 특성을 측정하였다. 또한 측정된 데이터를 바탕으로 하여 기존의 공기 전도형 보청기의 피팅 법칙을 적용하기 전에 현재까지 개발된 ACROSS 장치용 전자기 진동체의 카데바 이식후 감쇄되는 저주파 이득 정도를 측정하고, 또한 이식후 마이크로폰의 음성대역 고주파 이득감쇄 정도를 측정하여 기존 공기 전도형 보청기의 이득 특성과의 차이를 비교하고 분석했다.
제안 방법
- 5(b)는 이전 돼지 피부 이식 실험을 근거로 쥐의 피하에 3주간 이식시킨 후 마이크로폰의 주파수 응답 특성을 측정한 것이다. 10 mm 진동막 크기를 가지는 마이크로폰 2개와 13 mm 진동막 크기를 가지는 1개의 마이크로폰을 쥐의 등에 이식하여 3 주간 관찰한 후 94 dB SPL(sound pressure level) 순음을 0.1 kHz부터 8.9 kHz 까지 조사하여 주파수 응답특성을 관찰하였다. 10 mm 진동막을 가진 2 개의 마이크로폰에 대한 공기중 응답특성은 평탄대역에서 각각 −34, −35 dB이고, 13 mm 진동막 마이크로폰은 −30 dB이다.
- 실험은 플로팅 상태에서의 자체 진동특성을 레이져 도플러 진동 측정기를 이용하여 측정하였다. 그리고 사체의 고막에 94 dB SPL 음압의 순음을 넣어서 이소골 자체의 진동 특성을 측정하고, 그 다음 제작된 DFMT를 이소골에 이식시켜 이식된 후의 진동특성을 조사하였다.
- 또한 측정된 데이터를 바탕으로 하여 기존의 공기 전도형 보청기의 피팅 법칙을 적용하기 전에 현재까지 개발된 ACROSS 장치용 전자기 진동체의 카데바 이식후 감쇄되는 저주파 이득 정도를 측정하고, 또한 이식후 마이크로폰의 음성대역 고주파 이득감쇄 정도를 측정하여 기존 공기 전도형 보청기의 이득 특성과의 차이를 비교하고 분석했다. 또한 분석한 데이터를 바탕으로 피팅 법칙의 적용전 사전 이득 보정의 정도를 예측하였다.
- 9 mm 두께의 돼지피부 아래 제작된 이식형 마이크로폰을 삽입하고 ER-2 삽입형 이어폰(etymotic research, elk grove village, IL, USA)을 통해서 각 음성대역 전 주파수에 걸쳐 동등한 음압을 전달하고 ER-7C 프루브 마이크로폰(etymotic research)을 통해 피부를 투과한 소리의 주파수 응답특성을 PXI 장비(national instruments, USA)를 통해 수집하였다. 또한 실험용 쥐 3마리에 각각 제작된 이식형 마이크로폰을 이식하고 3주 후 주파수 응답특성을 측정하였다.
- 본 논문에서는 ACROSS 장치에 사용되는 이식형 마이크로폰과 진동 트랜스듀서가 이식된 후 변화되는 전달이득 특성을 측정하였다. 또한 측정된 데이터를 바탕으로 하여 기존의 공기 전도형 보청기의 피팅 법칙을 적용하기 전에 현재까지 개발된 ACROSS 장치용 전자기 진동체의 카데바 이식후 감쇄되는 저주파 이득 정도를 측정하고, 또한 이식후 마이크로폰의 음성대역 고주파 이득감쇄 정도를 측정하여 기존 공기 전도형 보청기의 이득 특성과의 차이를 비교하고 분석했다. 또한 분석한 데이터를 바탕으로 피팅 법칙의 적용전 사전 이득 보정의 정도를 예측하였다.
- 이식되는 피부에 의해 변화되는 마이크로폰의 주파수 응답특성을 측정하기 위해, 표본화된 돼지피부에서 1차 실험을 하고 쥐에 마이크로폰을 3주간 이식시킨 후 마이크로폰의 감도 변화를 측정하였다. 실험은 Fig. 4에서 보는 것처럼 3 mm와 9.9 mm 두께의 돼지피부 아래 제작된 이식형 마이크로폰을 삽입하고 ER-2 삽입형 이어폰(etymotic research, elk grove village, IL, USA)을 통해서 각 음성대역 전 주파수에 걸쳐 동등한 음압을 전달하고 ER-7C 프루브 마이크로폰(etymotic research)을 통해 피부를 투과한 소리의 주파수 응답특성을 PXI 장비(national instruments, USA)를 통해 수집하였다. 또한 실험용 쥐 3마리에 각각 제작된 이식형 마이크로폰을 이식하고 3주 후 주파수 응답특성을 측정하였다.
- 6은 제작된 DFMT가 사체의 이소골에 이식후 1 mApeak 전류로 직접 구동시켜 이소골의 진동특성을 측정하기 위한 실험 방법의 블럭도이다. 실험은 플로팅 상태에서의 자체 진동특성을 레이져 도플러 진동 측정기를 이용하여 측정하였다. 그리고 사체의 고막에 94 dB SPL 음압의 순음을 넣어서 이소골 자체의 진동 특성을 측정하고, 그 다음 제작된 DFMT를 이소골에 이식시켜 이식된 후의 진동특성을 조사하였다.
- 이식되는 피부에 의해 변화되는 마이크로폰의 주파수 응답특성을 측정하기 위해, 표본화된 돼지피부에서 1차 실험을 하고 쥐에 마이크로폰을 3주간 이식시킨 후 마이크로폰의 감도 변화를 측정하였다. 실험은 Fig.
대상 데이터
- ACROSS 용 이식형 마이크로폰은 원형의 티타늄 진동막을 이용하여 제작된다. 외부에서 전달되는 소리는 진동막을 진동시켜 내부 일렉트렛 콘덴서 마이크(electret condenser microphone, ECM)로 전달되기 때문에 마이크로폰 진동막의 크기와 두께는 이식형 마이크로폰의 감도 특성에 영향을 끼친다.
- 다수 제작된 진동체 중 진동특성이 우수한 2개의 진동체와 4개의 측두골 카데바를 사용하여 진동체의 이소골 모루뼈에 이식 전과 후 진동특성 변화 실험을 수행하였으며, 카데바의 자체특성실험 후 미국재료시험협회(american society for testing and materials, ASTM) 규정에 적합한 3개의 측두골 카데바에서 측정한 데이터만 본 논문에 게재하였다. ASTM에서는 실험에 사용가능한 측두골 카데바의 경우에 적출된지 7일 이내에, 또는 얼려진 경우 해동한 후 6일 이내로 사용해야하며, 8시간 이내로 실험데이터 측정을 요구하고 있다[12].
- 그림의 마이크로폰은 −27 dB(0 dB=1 V/1 Pa)의 일렉트렛 마이크를 이식형 재질인 스테인리스 스틸(stainless steel, SUS 316L)의 실린더형 몸체에 삽입하고 20μm 티타늄 진동막으로 마감되어 있다. 진동막 내부 지름을 13mm로 설계 제작하였다. 피부를 투과한 외부 음향신호는 진동막과 공기층을 거쳐 ECM에서 전기신호로 변환되어 완전 이식형 보청기의 신호처리회로로 전달된다.
성능/효과
- 10 mm 진동막을 가진 2 개의 마이크로폰에 대한 공기중 응답특성은 평탄대역에서 각각 −34, −35 dB이고, 13 mm 진동막 마이크로폰은 −30 dB이다.
- 8(a), (c)에서처럼, 1 mApeak 전류에 의해 구동된 DFMT에 의한 이소골의 진동특성은 자체 특성에 비해 약 20 dB 이상의 감도 감쇄가 일어나고, 공진점 주파수가 밑으로 내려가며 공진점 이하 저주파 대역에서 이득 감쇄가 일어난다. 94 dB SPL 입력음압에 의한 이소골 등자뼈 진동변위 특성과 비교해 볼 때, 600Hz~800Hz 부근의 공진점 대역에서 이소골의 변위보다 약 20 dB 정도 큰 특성을 보였으며, 저주파 대역에서는 이소골 자체 변위 특성보다 전달이득이 낮았다. Fig.
- 게다가 마이크폰과 진동체의 응답특성이 공기 전 도형 보청기와는 다르기 때문에 기존의 피팅 법칙을 그대로 적용하기엔 문제점이 따른다. ACROSS에 사용되는 마이크로폰과 진동체의 경우 몸속에 이식되는 마이크로폰에 의해 1.4 kHz~1.6 kHz 이후의 고주파 대역 감도 감쇄가 많이 일어났으며, 이소골에 부착되는 DFMT에 의해 공진 주파수이하 저주파 대역에서 전달 특성이 최대 30 dB 정도로 낮고, 공진주파수 부근에서 최대 20 dB 정도 높은 전달 특성을 보였다. 그러므로 인공중 이용 신호처리 알고리즘을 개발할 때 감소된 저주파 및 고주파 대역 감도를 공기 전도형 보청기보다 좀 더 증폭시킬 수 있어야 한다.
- 10 mm 진동막을 가진 2 개의 마이크로폰에 대한 공기중 응답특성은 평탄대역에서 각각 −34, −35 dB이고, 13 mm 진동막 마이크로폰은 −30 dB이다. 각각을 3주 동안 쥐의 등 쪽 피부 아래 이식시킨 후 측정한 주파수 응답특성은 평탄대역에서 5 dB~7 dB 정도의 감도 감쇄가 일어났으며 1 kHz~2 kHz 부근에서 공진점을 가진 후 2차 저주파 필터 특성을 가지면서 감도가 감쇄하는 것을 확인하였다.
- 점선은 두께 3 mm와 10 mm의 두가지 돼지 피부를 가지고 측정된 마이크로폰의 감도를 평균하여 나타낸 데이터이고, 굵은 실선은 3 mm 두께의 쥐 피부에 이식된 3가지 마이크로폰의 감도를 평균한 데이터이다. 두 데이터는 모두 약 1.4 kHz 이후 2차 저역 통과 필터 특성을 가지면서 감소하는 고주파 대역 감도감쇄 현상을 보였다.
- 그림에서처럼 DFMT를 부착하고 구동시켜 데이터를 살펴보면 공 진점 이하 저주파 대역에서는 사람 이소골의 평균 변위 특성보다 대략 30 dB 정도 낮으며 대략 40 dB/decade의 기울기를 가지며 조금씩 증가하고 있다. 또한 공진점이 발생되는 600 Hz~800 Hz 대역에서는 상대적으로 최대 20 dB 정도까지 감도가 높아지는 현상을 보이며 그 이후 대역에서는 감도의 차이는 있지만 변위 특성이 대략적으로 일치하였다.
- Table 1은 예측 가능한 이득값을 계산하기 위해 한 예로 실험을 통해 측정된 쥐에 이식된 마이크로폰의 감도특성과 카데바에 이식된 DFMT의 진동특성을 125 Hz부터 8000 Hz까지 반옥타브 단계로 나타내었다. 만약 실험 쥐의 피부 특성이 사람과 일치한다고 가정하면, 표에서와 같이 이식형 보청기인 ACROSS가 사람에게 이식될 경우 500 Hz 이하 저주파 대역과 2 kHz 이상 고주파 대역에서 최대 24 dB까지의 이득 보정이 필요함을 예측할 수 있다.
- 9(a)는 ACROSS 용 이식형 마이크로폰을 샘플된 돼지피부아래에서 측정한 데이터와 실제 쥐에 3주간 이식한 후 변화된 감도 특성을 정규화한 데이터이다. 제작된 이식형 마이크로폰은 공기 중에서 자체 출력 특성을 측정하였으며, 이 데이터를 기준 감도 0 dB로 하여 이식된 후 변화된 감도와 차이에 대한 데이터를 보여주고 있다. 점선은 두께 3 mm와 10 mm의 두가지 돼지 피부를 가지고 측정된 마이크로폰의 감도를 평균하여 나타낸 데이터이고, 굵은 실선은 3 mm 두께의 쥐 피부에 이식된 3가지 마이크로폰의 감도를 평균한 데이터이다.
- 진동막의 크기가 13mm인 마이크로폰의 자유공간에서 측정한 감도는 약 −27 dB 정도로 평탄하며 9 kHz까지 측정한 영역 이상에서 공진주파수가 형성됨을 알 수 있다.
후속연구
- 향후 임상시험을 위한 전단계로서 실험 동물에 이식하여 단기 및 장기 이식 실험을 통해 ACROSS 장치의 성능 특성을 확인하고, 이식에 따른 생체 반응과 적응의 정도도 관찰할 필요가 있다. 또한 전임상 시험의 결과를 바탕으로 전체 이식형 기기에서의 마이크로폰과 진동체의 성능 측정과 이식 후 발생하는 잡음의 제거에 관한 연구도 계속되어야 한다.
- 향후 임상시험을 위한 전단계로서 실험 동물에 이식하여 단기 및 장기 이식 실험을 통해 ACROSS 장치의 성능 특성을 확인하고, 이식에 따른 생체 반응과 적응의 정도도 관찰할 필요가 있다. 또한 전임상 시험의 결과를 바탕으로 전체 이식형 기기에서의 마이크로폰과 진동체의 성능 측정과 이식 후 발생하는 잡음의 제거에 관한 연구도 계속되어야 한다.
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