[논문]저작운동으로 인한 진동 잡음 신호의 경감을 위한 측두골 이식형 마이크로폰의 설계

우승탁; 정의성; 임형규; 이윤정; 성기웅; 이정현; 조진호

doi:10.5369/jsst.2012.21.2.144

저작운동으로 인한 진동 잡음 신호의 경감을 위한 측두골 이식형 마이크로폰의 설계
The Design of Temporal Bone Type Implantable Microphone for Reduction of the Vibrational Noise due to Masticatory Movement 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.21 no.2, 2012년, pp.144 - 150

우승탁 (경북대학교 대학원 전자.전기.컴퓨터학부) , 정의성 (경북대학교 의공학연구소) , 임형규 (경북대학교 대학원 전자.전기.컴퓨터학부) , 이윤정 (경북대학교 대학원 의용생체공학과) , 성기웅 (경북대학교병원 의공학과) , 이정현 (경북대학교병원 의공학과) , 조진호 (경북대학교 대학원 전자.전기.컴퓨터학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A microphone for fully implantable hearing device was generally implanted under the skin of the temporal bone. So, the implanted microphone's characteristics can be affected by the accompanying noise due to masticatory movement. In this paper, the implantable microphone with 2-channels structure was designed for reduction of the generated noise signal by masticatory movement. And an experimental model for generation of the noise by masticatory movement was developed with considering the characteristics of human temporal bone and skin. Using the model, the speech signal by a speaker and the artificial noise by a vibrator were supplied simultaneously into the experimental model, the electrical signals were measured at the proposed microphone. The collected signals were processed using a general adaptive filter with least mean square(LMS) algorithm. To confirm performance of the proposed methods, the correlation coefficient and the signal to noise ratio(SNR) before and after the signal processing were calculated. Finally, the results were compared each other.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

제작된 이식형 마이크로폰의 성능 평가는 실제 사람이나 동물 등에 이식되어 수행되는 것이 가장 좋은 방법이지만, 다루기 매우 어려울 뿐 아니라 낮은 재현성 등의 문제가 따른다. 따라서 기초 연구단계에서 용이한 실험을 위해 인체의 특성을 고려한 실험모델을 제작하였다. 제작된 실험모델은 Fig.
따라서 본 논문에서는 저작운동으로 인한 진동이 이식형 마이크로폰에 미칠 수 있는 영향을 조사하기 위해 다음과 같은 기초실험을 수행하였다. 이를 위해 두개골 모형과 사람피부의 음향 임피던스를 고려하여 제작한 인조피부를 이용하여 실험모델을 제작하였으며, 제작된 실험모델의 유양돌기 부위에 표준스피커를 통해 일반 대화음 크기인 74 dB SPL 의 순음을 인가하였다[10].
본 논문에서는 저작운동으로 인해 발생된 진동 잡음 신호의 경감을 위해 2 채널 측두골 이식형 마이크로폰을 제안하였다. 그리고 제안한 마이크로폰의 성능을 검증하기에 앞서, 인조피부, 인조뼈, 제작된 마이크로폰을 이용하여 실험모델을 제작하였고, Jenkins 등의 연구와 실험적 검증을 통해 저작운동으로 인한 진동이 측두골 이식형 마이크로폰에 미치는 영향에 대하여 분석하였다.
본 논문에서는 저작운동으로 인해 발생된 진동 잡음이 측두골에 이식된 마이크로폰에 미칠 수 있는 영향에 대해 Jenkins 등의 연구와 기초실험을 근거로 조사하였다. 또한, 저작운동으로 인한 진동 잡음 신호의 경감시키기 위해 하나의 케이스에 두 개의 ECM이 삽입되는 구조인 2채널 이식형 마이크로폰(implantable microphone)을 제작하였다.

제안 방법

5 mm 이며, 진동막의 유효직경은 8 mm 이다. 그리고 각 접합 부분은 생체 적합 본드(Medicure-222, Dymax)를 이용하여 밀봉 처리 하였다.
또한, 저작운동으로 인한 진동 잡음 신호의 경감시키기 위해 하나의 케이스에 두 개의 ECM이 삽입되는 구조인 2채널 이식형 마이크로폰(implantable microphone)을 제작하였다. 그리고 기초 연구 단계에서의 용이한 실험을 위해, 피부의 음향 임피던스를 고려하여 제작한 인조피부(artificial skin), 인조뼈(artificial bone), 제작된 이식형 마이크로폰을 이용하여 실험모델을 제작하였다. 마지막으로 실험을 통해 측정된 데이터를 신호처리하고 분석함으로써 설계된 이식형 마이크로폰의 유용성을 검증하였다.
본 논문에서는 저작운동으로 인해 발생된 진동 잡음 신호의 경감을 위해 2 채널 측두골 이식형 마이크로폰을 제안하였다. 그리고 제안한 마이크로폰의 성능을 검증하기에 앞서, 인조피부, 인조뼈, 제작된 마이크로폰을 이용하여 실험모델을 제작하였고, Jenkins 등의 연구와 실험적 검증을 통해 저작운동으로 인한 진동이 측두골 이식형 마이크로폰에 미치는 영향에 대하여 분석하였다.
본 논문에서는 저작운동으로 인해 발생된 진동 잡음이 측두골에 이식된 마이크로폰에 미칠 수 있는 영향에 대해 Jenkins 등의 연구와 기초실험을 근거로 조사하였다. 또한, 저작운동으로 인한 진동 잡음 신호의 경감시키기 위해 하나의 케이스에 두 개의 ECM이 삽입되는 구조인 2채널 이식형 마이크로폰(implantable microphone)을 제작하였다. 그리고 기초 연구 단계에서의 용이한 실험을 위해, 피부의 음향 임피던스를 고려하여 제작한 인조피부(artificial skin), 인조뼈(artificial bone), 제작된 이식형 마이크로폰을 이용하여 실험모델을 제작하였다.
본 논문의 적응필터에서는 스텝 사이즈 파라미터(step size parameter) μ를 0.5, 필터차수 (filter order)를 128로 설정하였다.
실험은 배경 잡음(background noise)이 20 dB SPL 인 음향챔버 내에서 수행하였다. 컴퓨터와 연결되는 음향 신호 분석기(fastultra track 8R, M-Audio)를 통해 표준 스피커(FX120, Fostex)와 진동 발생 장치를 구동하였으며, 실험모델에 이식된 마이크로폰으로부터 집음된 신호를 수집하였다.
실험은 표준 스피커를 통해 제작한 실험모델 앞에서 약 90 dB SPL 의 크기를 갖도록 음압측정기(B&K-4952, B&K)로 유지하면서 음성신호를 인가하였고, 실험모델 뒷부분의 인조뼈에 전자기형 진동 발생 장치를 부착하고 백색잡음을 주어 진동을 인가하였다.
실험을 위해 인조뼈에 제작된 마이크로폰을 고정시키고, 그 위에 인조피부를 위치시켜 제작하였다. 인조피부의 두께는 실제 사람의 측두골 피부의 두께와 유사한 6 mm 가 되게 제작하였으며, 인조뼈의 두께는 3 mm 로 제작하였다[12].
따라서 본 논문에서는 저작운동으로 인한 진동이 이식형 마이크로폰에 미칠 수 있는 영향을 조사하기 위해 다음과 같은 기초실험을 수행하였다. 이를 위해 두개골 모형과 사람피부의 음향 임피던스를 고려하여 제작한 인조피부를 이용하여 실험모델을 제작하였으며, 제작된 실험모델의 유양돌기 부위에 표준스피커를 통해 일반 대화음 크기인 74 dB SPL 의 순음을 인가하였다[10]. 그리고 제작된 실험 모델의 유양돌기 아래 인조 피부 변위를 5회에 걸쳐 측정하였으며, 측정된 실험 결과의 평균값과 Jenkins 등이 측정한 결과를 변위로 변환하여 비교하였다.
저작운동으로 인해 발생되는 진동 잡음을 감소시키기 위하여 새로운 구조의 이식형 마이크로폰을 제안하였다. 이것은 하나의 케이스에 두 개의 ECM이 서로 반대 방향으로 위치하는 2채널 측두골 이식형 마이크로폰이다.
실험은 배경 잡음(background noise)이 20 dB SPL 인 음향챔버 내에서 수행하였다. 컴퓨터와 연결되는 음향 신호 분석기(fastultra track 8R, M-Audio)를 통해 표준 스피커(FX120, Fostex)와 진동 발생 장치를 구동하였으며, 실험모델에 이식된 마이크로폰으로부터 집음된 신호를 수집하였다. 실험은 표준 스피커를 통해 제작한 실험모델 앞에서 약 90 dB SPL 의 크기를 갖도록 음압측정기(B&K-4952, B&K)로 유지하면서 음성신호를 인가하였고, 실험모델 뒷부분의 인조뼈에 전자기형 진동 발생 장치를 부착하고 백색잡음을 주어 진동을 인가하였다.

대상 데이터

실험모델의 인조피부는 수급과 제작이 용이한 젤라틴(gelatine),글리세린(glycerin), 증류수(distilled water)를 혼합하여 제작하였고, 실험모델의 인조뼈는 미국 재료 시험 협회 표준 규격(ASTM standard specification F1839-08)에 의거한 폴리우레탄 발포재료(polyurethane foam, Pacific Research Laboratories Instrument)를 이용하였다.
체내 이식을 위해 안정성이 고려된 생체 적합 재질인 스테인리스강(SUS316L)을 이용하여 케이스, 캡, 진동막을 제작하였으며, 케이스 내에 감도 -30 dB(0 dB = 1 V/Pa)의 ECM(R-BGO27L30, BSE)을 삽입하였다. 제작된 마이크로폰의 사이즈는 직경 11.5 mm, 높이 6.5 mm 이며, 진동막의 유효직경은 8 mm 이다. 그리고 각 접합 부분은 생체 적합 본드(Medicure-222, Dymax)를 이용하여 밀봉 처리 하였다.
따라서 기초 연구단계에서 용이한 실험을 위해 인체의 특성을 고려한 실험모델을 제작하였다. 제작된 실험모델은 Fig. 5 와 같으며 인조피부, 인조뼈, 제작된 마이크로폰으로 구성하였다.
체내 이식을 위해 안정성이 고려된 생체 적합 재질인 스테인리스강(SUS316L)을 이용하여 케이스, 캡, 진동막을 제작하였으며, 케이스 내에 감도 -30 dB(0 dB = 1 V/Pa)의 ECM(R-BGO27L30, BSE)을 삽입하였다. 제작된 마이크로폰의 사이즈는 직경 11.

데이터처리

이를 위해 두개골 모형과 사람피부의 음향 임피던스를 고려하여 제작한 인조피부를 이용하여 실험모델을 제작하였으며, 제작된 실험모델의 유양돌기 부위에 표준스피커를 통해 일반 대화음 크기인 74 dB SPL 의 순음을 인가하였다[10]. 그리고 제작된 실험 모델의 유양돌기 아래 인조 피부 변위를 5회에 걸쳐 측정하였으며, 측정된 실험 결과의 평균값과 Jenkins 등이 측정한 결과를 변위로 변환하여 비교하였다.
또한, 제안한 방법의 정량적인 평가를 위해 신호처리 전·후 데이터간의 상관계수와 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 구하였으며, 결과는 각각 Table 2, Table 3과 같다.
또한, 제작된 마이크로폰을 통해 측정된 출력을 LMS 알고리즘기반의 적응필터를 사용하여 신호처리를 하였으며, 제안한 마이크로폰 구조의 유용성을 정량적으로 평가하기 위해 신호처리 전·후의 상관계수 및 신호 대 잡음비를 계산하였다.
실험모델의 이식형 마이크로폰에 삽입된 두 개의 ECM으로부터 집음된 신호는 MATLAB 프로그램을 이용하여 LMS 알고리즘을 기반으로 한 적응필터를 구현한 다음 신호처리 하였다. 사용한 적응필터의 블록도는 Fig.

성능/효과

9 (c)와 같이 신호처리를 통해 얻은 결과를 보면 Fig. 9 (a)에 비해 진동 잡음 신호가 경감된 것을 확인하였으며, 진동 잡음 신호가 경감되어 수렴하기까지 약 0.5 sec 의 시간이 소요되는 것을 알 수 있다.
51로 증가하였다. 따라서 제안한 2 채널 측두골 이식형 마이크로폰은 저작운동으로 인한 진동 잡음 신호를 효과적으로 제거시킬 수 있는 구조임을 확인하였다.
그리고 기초 연구 단계에서의 용이한 실험을 위해, 피부의 음향 임피던스를 고려하여 제작한 인조피부(artificial skin), 인조뼈(artificial bone), 제작된 이식형 마이크로폰을 이용하여 실험모델을 제작하였다. 마지막으로 실험을 통해 측정된 데이터를 신호처리하고 분석함으로써 설계된 이식형 마이크로폰의 유용성을 검증하였다.
위의 연구에서는 저작운동으로 인한 진동에 대해 측두골 피부에서의 진동 가속도 크기만을 측정하였으며, 이러한 실험결과를 통하여 생체 내 진동이 피부 및 주변 조직에 상당한 잡음을 일으킬 정도로 크게 발생된다는 점을 알려주었다. 그러나 이식형 마이크로폰의 집음에 미치는 간섭영향에 대해서는 분석되지 않았고 그에 대한 해결책도 제시하지 않았다.
측정된 데이터는 약 9초 동안 수집되었으며, 후면 마이크로폰에서는 음성신호가 거의 집음되지 않았다. 다음으로 실험모델의 인조피부 변위가 약 600 nm 의 최대 변위를 가지도록 진동을 인가한 상태에서 90 dB SPL 의 음성신호를 인가했을 때, 제안한 마이크로폰 전·후에서의 출력은 Fig.

후속연구

향후에는 저작운동이 아닌 다양한 원인의 진동 잡음에 대해서도 연구가 수행될 필요가 있으며, 이에 맞추어 마이크로폰의 구조 및 신호처리 알고리즘 등을 개선할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	청각 보조기는 어떻게 발전하고 있는가?	의료기술의 발전과 더불어 공기 전도형 보청기에서 이식형 보청기에 이르기까지 난청자들을 위한 청각 보조기가 지속적으로 개발되고 있다[1-3]. 그 중에서도 청각 보조기의 구성요소들이 체내에 모두 이식되는 완전 이식형 보청기가 주목 받고 있는데, 이러한 완전 이식형 보청기는 음향 궤환에 따른 음의 왜곡현상 및 장치 착용의 불편함 등 기존 보청기의 문제점을 보완하기 위하여 연구되고 있다[4, 5].
	완전 이식형 보청기의 문제점은?	의료기술의 발전과 더불어 공기 전도형 보청기에서 이식형 보청기에 이르기까지 난청자들을 위한 청각 보조기가 지속적으로 개발되고 있다[1-3]. 그 중에서도 청각 보조기의 구성요소들이 체내에 모두 이식되는 완전 이식형 보청기가 주목 받고 있는데, 이러한 완전 이식형 보청기는 음향 궤환에 따른 음의 왜곡현상 및 장치 착용의 불편함 등 기존 보청기의 문제점을 보완하기 위하여 연구되고 있다[4, 5].
	완전 이식형 보청기의 입력장치를 설계할 때 주의해야할 점은?	완전 이식형 보청기의 입력장치는 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰(electret condenser microphone, ECM) 또는 압전형(piezoelectric) 소자를 이용하여 제작된 이식형 마이크로폰이 사용되며, 일반적으로 측두골 피하에 이식된다[6]. 이러한 측두골 이식형 마이크로폰의 설계에 있어 고려해야 할 요소 중 하나는 음식을 먹거나 치아 마찰 등의 저작운동으로 인해 발생된 진동이 이식된 마이크로폰에 미치는 영향이다. 저작운동으로 인해 발생된 진동은 측두골에 이식된 마이크로폰의 진동막을 진동시켜 원치 않는 잡음신호를 발생시킬 수 있으며, 이렇게 발생된 잡음 신호는 측두골에 이식된 마이크로폰이 외부 음향 신호를 집음할 때 영향을 미칠 수 있다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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상세보기
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원문보기 상세보기
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상세보기
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상세보기
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정의성, 고주파 이득 보상을 위한 나선형 음향관 방식의 이식형 마이크로폰 설계, 박사학위논문, 경북대학교, 2011.
S. Haykin, Adaptive Filter Theory, Prentice Hall, New York, pp. 365-444, 2002.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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