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문제 정의
- 병적인 음성의 평가방법으로 쓰이는 다양한 방법 중에 하나가 음향학적 검사를 통하여 음성신호에서 잡음성분을 추출하여 분석하는 것이다. 잡음성분은 폐에서부터 올라온 공기 에너지에 의하여 성대에서 진동하는 과정에서 성대의 불규칙한 진동과 성문의 틈새를 통과하는 공기의 흐름에 의하여 만들어진다.
- 특히 검사방법 중 강도의 변화는 음향학적 지표에 크게 영향을 미치는 것을 실제 임상에서 관찰할 수 있었다. 저자들은 음성질환자를 대상으로 음성검사의 방법으로 보편적으로 가장 많이 사용되고 있는 음향학적 검사 시 강도의 변화가 기본주파수, 주파수변동률, 진폭변동률, 표준화된 잡음에너지, 화음 대 잡음의 비율, 신호 대 잡음의 비율에 어떠한 영향을 미치는 지 통계적인 방법을 통하여 검증하여보고, 또한 음질평가도구를 사용하여 쉰 목소리, 거친 목소리, 바람 새는 목소리 정도를 비교하여 음성검사 시 강도에 따른 변수를 줄이는 방법에 대하여 알아보려 한다.
제안 방법
- 검사방법으로는 편안하게 앉은 자세로, 마이크에서 약 30 cm정도 거리를 두고, 약 5초간 편안한 발성(normal voice)과 강도를 증가시킨 발성(loud voice)으로 “아” 모음을 연장 발성하여 기본주파수, 기본주파수 트레머, 기본주 파수 표준편차, 주파수변동률, 진폭변동률, 표준화된 잡음에너지, 화음 대 잡음의 비율, 신호 대 잡음의 비율을 측정하여 서로 비교하였다.
- 검사방법으로는 편안하게 앉은 자세로, 마이크에서 약 30 cm정도 거리를 두고, 약 5초간 편안한 발성(normal voice)과 강도를 증가시킨 발성(loud voice)으로 “아” 모음을 연장 발성하여 기본주파수, 기본주파수 트레머, 기본주 파수 표준편차, 주파수변동률, 진폭변동률, 표준화된 잡음에너지, 화음 대 잡음의 비율, 신호 대 잡음의 비율을 측정하여 서로 비교하였다. 그리고 Fig. 1과 같이 음질을 평가(voice quality estimate)하는 프로그램으로 쉰 목소리(hoarse), 거친 목소리 (harsh) 바람 새는 목소리의(breathy voice)의 정도에 대하여 서도 편안한 발성 때와 강도를 증가시킨 발성을 하였을 때를 비교하였다.
- 일반적으로 음성 질환의 정도나 치료효과를 객관적인 판단을 위하여 쓰여지는 음향학적 지표는 성대에서 발생하는 성대원음의 기본주기를 피치(pitch)라고 하며, 이것의 역수를 음의 높이를 나타내는 기본주파수(fundamental frequency : F0), 기본주파수의 불수의적인 떨림을 나타내는 기본주파수 트레머(tremor). 기본주파수의 변화를 나타내는 기본주파수 표준편차(standard deviation of fundamental frequency : SD F0), 피치를 통하여 주파수간의 주기의 차이를 %로 표시한 값인 주파수변동률(jitter), 주파수간의 진폭의 주기의 차이를 평가하여 %로 표시한 값인 진폭변동률(shimmer), 발성 시 발생하는 전체 신호 에너지에서 잡음 에너지의 값을 dB로 표시한 표준화된 잡음 에너지(normalized noise energy : NNE), 배음요소의 에너지 값을 잡음 에너지 값으로 나눈 평균비율을 구한 값인 배음과 잡음의 비율(harmonic to noise ratio : HNR), 또한 피치 주기에 따라서 신호와 잡음의 성분을 분리하여 신호를 잡음으로 나누어 비율을 구한 신호 대 잡음의 비율(signal to noise ratio : SNR) 등을 사용한다.4,5) 이러한 값들은 성문레벨에서 만들어지는 신호와 잡음과 정보를 담고 있기 때문에 음성질환의 판단에 유용한 자료이다.
- 05 이하일 때 유의성을 인정하였다. 비모수적(non parametric) 통계방법은 연속형 변수와 등급형 변수에 모두 적용 가능하므로, 이 방법을 Assessment 데이터를 포함한 모든 자료에 적용하였다. 통계분석 소프트웨어로 SAS를 사용하였다.
- 연구대상자를 대상으로 각 성별에서 각 사람으로부터 각 변수의 편안한 발성(normal voice)에서의 값(N)과 강도를 증가시킨 발성(loud voice)에서의 값(L) 간의 차이(N-L)를 구하고, 이 차이의 평균(mean)과 중앙값(median)을 구하였다. 이 차이 값의 분포는 극단 값을 포함할 수 있고 정규분포(normal distribution)라는 보장이 없으므로, 그 대표치로 중앙값을 사용하였고, 차이의 중앙값이 0과 다른지를 비모수적(non parametric) 통계 방법인 부호-순위 검정(signed-rank)을 이용하여 검정하였다.
- 음향학적 검사를 위하여 컴퓨터 음성검사 프로그램인 Dr speech의 vocal assessment 프로그램을 이용하여 음성검사를 실시하였다. 검사방법으로는 편안하게 앉은 자세로, 마이크에서 약 30 cm정도 거리를 두고, 약 5초간 편안한 발성(normal voice)과 강도를 증가시킨 발성(loud voice)으로 “아” 모음을 연장 발성하여 기본주파수, 기본주파수 트레머, 기본주 파수 표준편차, 주파수변동률, 진폭변동률, 표준화된 잡음에너지, 화음 대 잡음의 비율, 신호 대 잡음의 비율을 측정하여 서로 비교하였다.
대상 데이터
- 강남세브란스병원 이비인후과 음성크리닉에서 음성질환이 있는 것으로 확진들 받은 여성 30명(평균 40.6세), 남성 23명 (40.1세)을 연구대상자로 선정하였다. 연구대상자의 음성질환의 종류는 Table 1과 같다.
데이터처리
- 연구대상자를 대상으로 각 성별에서 각 사람으로부터 각 변수의 편안한 발성(normal voice)에서의 값(N)과 강도를 증가시킨 발성(loud voice)에서의 값(L) 간의 차이(N-L)를 구하고, 이 차이의 평균(mean)과 중앙값(median)을 구하였다. 이 차이 값의 분포는 극단 값을 포함할 수 있고 정규분포(normal distribution)라는 보장이 없으므로, 그 대표치로 중앙값을 사용하였고, 차이의 중앙값이 0과 다른지를 비모수적(non parametric) 통계 방법인 부호-순위 검정(signed-rank)을 이용하여 검정하였다. 유의수준은 5%로 하여, 양측 p-값이 0.
성능/효과
- 잡음성분은 폐에서부터 올라온 공기 에너지에 의하여 성대에서 진동하는 과정에서 성대의 불규칙한 진동과 성문의 틈새를 통과하는 공기의 흐름에 의하여 만들어진다.16) 잡음성분을 측정하여 발성의 기능적인 면과 병적인 정도를 평가하는 지표로는 쓰이는 표준화된 잡음에너지는 발성 시 1,000~5,000 Hz 범위에서 발생하는 잡음성분을 표준화하여 소리의 크기로 표시한 값이 때문에 이 값이 클수록 성대에서 발생하는 잡음의 강도가 큰 것이므로 성대의 기능적인 이상이나 음성질환이 있는 것으로 판단할 수 있다. 이번 연구에서 강도를 증가시켰을 경우 그 값이 통계적으로 의미있게 작아지는 경향을 보여, 강도의 증가는 표준화된 잡음에너지 값이 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 쉰 목소리는 목소리의 바람 새는 음질과 거친 정도를 설명할 때 사용되며, 때로는 dysarthria의 정도를 설명하는데도 사용된다.18) 이번 연구에서 목소리의 쉰 정도의 비교에서는 Fig. 2에서와 같이 편안한 발성에서는 정상을 나타내는 grade 0의 사람의 수가 여성은 7명, 남성은 5명에서 강도를 증가시켰을 경우 여성은 18명, 남성은 10명으로 증가하였고, 경미한 정도를 나타내는 grade 1의 사람의 수가 강도를 증가시키자 여성은 15명에서 8명으로, 남성은 13명에서 11명으로 감소하였고, grade 2는 여성은 7명에서 2명으로 감소하여, 남성은 2명에서 0명으로 감소하여, 강도가 증가하는 경우 증세가 전반적으로 호전한 경향을 보였다. 그러나 증세가 심한 정도를 나타내는 grade 3에서는 차이를 보이지 않아서 목소리의 쉰 정도가 심한 경우에는 강도의 증가에 영향을 받지 않는 것으로 생각된다.
- 소리의 강도는 성문하압과 기하급수적인 관계가 있으며,6) 소리의 강도는 성문하압과 거의 비례한다고 하였다.7) 일반적으로 성문하압의 증가하는 경우 모든 사람은 아니지만 기본주파수와 음의 강도가 증가하는 경향을 보이며, 성문하압과 음의 강도는 양의 상관 관계를 보인다고 하였다.8)
- 3에서와 같이 grade 1과 grade 2에서는 강도가 증가하는 경우 전반적으로 호전현상을 보이는 사람이 증가하는 경향을 보였다. 그리고 강도의 증가에 가장 많은 영향을 받는 것은 바람이 새는 경우로 Fig. 4에서와 같이 강도를 증가시켰을 경우 모든 전반적으로 호전현상을 보이는 사람이 증가하는 경향을 보였으며, 특히 편안 한 발성에서 grade 3로 나타난 경우에도 강도를 증가시키자 여성 음성질 환자의 경우 29명에서, 8명으로 감소하였고, 남성의 경우 16명에서 10명으로 감소하여, 강도를 증가시켰을 경우 바람 새는 성분은 강도에 가장 크게 영향을 받는 것으로 생각된다. 이는 쉰 목소리의 성분 중 바람 새는 성분은 성대의 접촉이 잘되지 않아서 나타나는 것이기 때문에 성문하압이 증가하여 성대의 접촉률이 증가하게 되면 바람 새는 정도가 줄어들게 되기 때문에 강도에 가장 큰 영향을 받는다.
- 그러나 증세가 심한 정도를 나타내는 grade 3에서는 차이를 보이지 않아서 목소리의 쉰 정도가 심한 경우에는 강도의 증가에 영향을 받지 않는 것으로 생각된다. 그리고 목소리의 거친 정도의 비교에서는 남 녀 모두에서 통계적으로는 유의미한 차이를 보이지 않았으나, Fig. 3에서와 같이 grade 1과 grade 2에서는 강도가 증가하는 경우 전반적으로 호전현상을 보이는 사람이 증가하는 경향을 보였다. 그리고 강도의 증가에 가장 많은 영향을 받는 것은 바람이 새는 경우로 Fig.
- 16) 잡음성분을 측정하여 발성의 기능적인 면과 병적인 정도를 평가하는 지표로는 쓰이는 표준화된 잡음에너지는 발성 시 1,000~5,000 Hz 범위에서 발생하는 잡음성분을 표준화하여 소리의 크기로 표시한 값이 때문에 이 값이 클수록 성대에서 발생하는 잡음의 강도가 큰 것이므로 성대의 기능적인 이상이나 음성질환이 있는 것으로 판단할 수 있다. 이번 연구에서 강도를 증가시켰을 경우 그 값이 통계적으로 의미있게 작아지는 경향을 보여, 강도의 증가는 표준화된 잡음에너지 값이 감소하는 것을 알 수 있었다. 그리고 조금 더 민감한 음향학적 지표로 사용되는 것으로, 성대에서 만들어지는 배음 성분과 잡음성분을 추출하여 그 비율로 발성의 기능을 평가할 수 있는 것이 배음 대 잡음의 비율이다.
- 이번 연구에서 강도를 증가시켰을 때 Table 2에서와 같이 기본주파수가 여성은 23.4 Hz, 남성은 22.0 Hz 증가하여 남녀 모두 통계적으로 유의미하게 증가하는 경향을 보여 강도의 증가는 기본주파수를 증가 시키는 역할을 하는 것을 알 수 있었다. 그러나 훈련된 성악가의 경우 강도를 증가시켜도 기본주파수는 변화하지 않는다고 보고하고 있다.
- 이번 연구에서는 강도를 증가시켰을 경우 여성 음성질환자 군에서는 신호 대 잡음의 에너지 값이 통계적으로는 의미가 없었으나 그 값이 증가하였으며, 남성 음성질환자 군에서는 통계적으로 의미 있게 증가하여, 강도의 증가는 신호 대 잡음의 비율을 증가시키는 경향을 보인다.
- 17) 그러므로 배음요소의 에너지 값이 증가하면 성대접촉의 증가 등에 의하여 당연히 성대에서 만들어지는 잡음요소의 에너지 값이 감소하게 되어 배음 대 잡음의 비율 증가하게 된다. 이번 연구에서는 강도를 증가시켰을 경우, 여성 음성질환자 군에서는 배음 대 잡음의 비율이 증가하였으나 통계적으로는 유의미한 차이가 없었으나, 남성 음성질환자 군에서는 통계적으로 유의미하게 나타나서 강도의 증가는 배음 대 잡음의 비율을 증가시키는 경향을 보였다. 그리고 잡음성분을 추출하여 알아볼 수 있는 또 하나의 음성지표가 신호 대 잡음의 비율인데, 전체 신호와 잡음의 상대적인 크기를 재어 비교하는 것으로 전체신호의 에너지 값 (dB)을 잡음의 에너지 값으로의 나눈 값이기 때문에 값이 작을수록 성대의 기능적 이상이나 음성질환의 가능성이 높아진다.
- 그러나 소리의 강도를 증가하는 경우, 호흡압력과 호흡량이 증가하면서 성문하압이 증가하게 되면, 성대의 접촉도 증가하고 성대의 진폭도 커지게 되면 성대의 진동주기 간의 불규칙성과 진동 주기 간의 진폭의 불규칙성을 어느 정도 상쇄하게 되어 음향학적 지표들이 향상되는 경향을 보인다. 이번 연구에서도 주파수변동률은 강도를 증가시켰을 때 통계적으로 유의미한 결과를 보여, 강도의 증가는 주파수의 진동 주기간의 불규칙성을 감소시키는 경향을 보인다. 그러고 진폭 변동률은 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았으나 불규칙성이 감소하는 결과를 보여, 강도의 증가는 진폭의 불규칙성에도 어느 정도 영향을 미치는 것으로 생각된다.
- 편안한 발성에서의 기본주파수의 표준편차 값이 강도를 증가시킨 발성에서 기본주파수의 표준편차 값보다 통계적으로 의미 있게 높게 나타났다(p＜.05).
- 편안한 발성에서의 목소리의 바람 새는 정도보다 강도를 증가시킨 발성에서 목소리의 바람 새는 정도보다 통계적으로 의미 있게 낮게 나타났다(p＜.05).
- 편안한 발성에서의 신호 대 잡음의 비율의 값보다 강도를 증가시킨 발성에서 통계적으로 의미 있게 높게 나타났다(p＜.05).
- 편안한 발성에서의 표준화된 잡음 에너지의 값보다 강도를 증가시킨 발성에서 표준화된 잡음 에너지의 값보다 통계적으로 의미 있게 낮게 나타났다(p＜.05).
- 편안한 발성에서의 표준화된 잡음 에너지의 값보다 강도를 증가시킨 발성에서 화음 대 잡음의 비율 값보다 통계적으로 의미 있게 낮게 나타났다(p＜.05).
- 편안한 발성에서의 화음 대 잡음의 비율의 값보다 강도를 증가시킨 발성에서 화음 대 잡음의 비율 값보다 통계적으로 의미 있게 높게 나타났다(p＜.05).
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