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문제 정의
- 이렇게 함으로써 하드웨어의 수정 없이 청성뇌간반응 검사와 청성지속반응 검사를 함께 시행할 수 있었다. 객관적 지표로 측정 결과가 나타나기 때문에 검사 결과를 판독하는데 도움이 되었다. 한 번의 전극 부착으로 두 가지 검사를 모두 시행할 수 있는 편리성을 제공하였다.
- 본 연구에서는 청성뇌간반응 검사와 청성지속반응 검사의 상호 간의 단점을 보완하고자 두 가지 검사를 모두 실시할 수 있는 시스템을 제안하였다. 그리고 현재까지 검증된 객관적 측정 지표를 활용하여 검사 결과를 정량적으로 표현하였다.
제안 방법
- 청성뇌간반응 검사에서와 동일한 피검자에 대하여 반송 주파수는 1kHz, 변조 주파수는 90Hz, 그리고 반송 신호의 크기는 70dBHL인 자극음을 가하면서 뇌파를 측정하였다. 1회 FFT를 하기 위해 8192(=2^13) 샘플 데이터를 이용하여 주파수의 해상도를 0.122Hz가 되도록 하고, 총 64회를 평균하였다. 이러한 이유로 측정시간은 청성뇌간반응 검사보다는 긴 평균 8∼9분 소요되었다.
- 본 연구에서는 청성뇌간반응 검사와 청성지속반응 검사의 상호 간의 단점을 보완하고자 두 가지 검사를 모두 실시할 수 있는 시스템을 제안하였다. 그리고 현재까지 검증된 객관적 측정 지표를 활용하여 검사 결과를 정량적으로 표현하였다.
- 이보다 작은 이득으로 할 경우 AD620의 동상 모드 제어비가 조금 낮아지고, 너무 크게 할 경우 반 전지 전위(half cell potential)와 접촉 저항의 불균형에 따른 두 전극 간 DC 옵셋 전위 차이로 인하여 포화되기 쉽기 때문이다[12]. 다음 증폭단의 이득은 아날로그 스위치(CD4051B, Texas instruments, USA)를 이용하여 10배에서 1000배까지 조절 가능하도록 설계하였다. 스위치 연결 저항(turn on resistance)이 10Ω으로 크기 때문에 이득 조절 저항의 크기를 결정할때 이를 고려하였다[13～14].
- 클릭음과 뇌파 신호를 동기화하여 클릭음 이후 10ms 구간 내의 신호만을 계속하여 앙상블 평균하였다. 반복 횟수는 최소 1000번에서 최대 1500번으로 설정하고, 신호의 품질을 평가하는 Fsp 분석알고리즘을 구현함으로써 청력역치가 존재하는지 자동으로 판독하도록 하였다. Fsp의 기준 값은 사용자가 여러 경험을 통하여 설정할 수 있으나 김시찬과 노형욱 등의 논문에서 언급된 1.
- 반송 주파수로(carrier frequency)는 500Hz, 1kHz, 2kHz, 그리고 4kHz를 주로 사용하며 양쪽 귀를 동시에 측정할 수도 있으나 제안한 시스템은 1채널이므로 한쪽 귀에 대한 분석을 하였다. 변조 주파수(modulation frequency)의 경우 수면 중에도 안정적인 반응을 측정하기 위해서는 70Hz이상을 권장하고 있기에 제안한 시스템에는 90Hz를 이용하였다[4].
- 범용 생체 전위 증폭기의 기능도 하면서 청성뇌간반응 검사와 청성지속반응 검사를 동시에 측정할 수 있도록 이득과 주파수 특성을 고려하여 설계하였다. 초단 증폭기(AD620, Analog devices, USA)의 이득은 동상 신호(common mode signal)를 최대한 억제하기 위하여 100배로 고정하였다.
- 설계된 시스템을 검증하기 위하여 내이 및 중이질환의 소견이 없는 정상인 10명(27±8세)을 대상으로 일회용 Ag/AgCl 표면 전극(3M Red Dot, 3M, USA)을 부착한 후 청성뇌간반응 검사 후 곧바로 프로그램 설정만 변경하여 청성지속반응 검사를 시행하였다.
- 또한 증폭기와 DAQ 보드의 소비 전력 역시 두 개를 합쳐도 500mA 이상 소비되지는 않기 때문에 제안한 시스템의 휴대성에 큰 영향을 주지 않는다. 소프트웨어 제어는 LabVIEW(ver 2011, National Instruments, USA)로 구현하였다.
- 신호의 분석과 자극음의 생성을 맡은 소프트웨어부는 DAQ 보드(USB-6215, National Instruments, USA)를 사용하여 양자화(최대 16bit 400kS/s)하고, 보드 내의 디지털 I/O 단자(최대 32 I/O)를 이용하여 이득 및 차단 주파수를 제어하고 아날로그 출력(16bit 250kS/s)을 이용하여 자극음을 생성하였다. 사용한 보드는 자체 절연 기능이 있어 별도의 신호 및 전원의 절연 소자를 사용하지 않아도 되는 편리함이 있다[17].
- 제작된 증폭기의 내부와 사양은 각각 그림 1과 표 1과 같다. 이득이나 필터의 차단 주파수는 앞서 언급한 것과 같이 아날로그 스위치를 소프트웨어적으로 설정이 가능할 뿐만 아니라 사용자 편의를 위해 기계적인 회전 스위치를 이용하여 수동으로도 조절 가능하도록 하였다. Twin-T 구조의 60Hz 노치 필터(notch filter)를 삽입하였으나 위상 왜곡을 많이 시키기 때문에 사용여부는 사용자가 목적에 따라 on/off 가능하도록 하였다[15].
- 저역통과(low-pass)와 고역통과(high-pass) 필터는 MFB(multiple feedback) 구조 대신 이득의 정확도가 우수한 Sallen-Key 구조를 갖는 2차 필터를 2개 연속 사용하여 4차로 구현하였다[15]. 필터 계수 결정은 FilterPro(ver 2.
- 0, Texas instruments, USA)를 활용하였다[16]. 저역통과필터와 고역통과필터의 차단 주파수는 사용 목적에 따라 저항 값을 조정하여 변경이 가능하도록 설계하였고, 저항의 선택은 증폭기의 이득 조절 때와 같이 아날로그 스위치(CD4051B)를 사용하였다.
- vi”를 “Continuous Samples” 모드로 구동하였다. 지속적인 소리 자극과 동기화된 뇌파로부터 신호의 주파수와 위상 정보를 분석하였다. 객관적인 분석방법으로 phase coherence, magnitude squared coherence, 그리고 F-test 등이 있다.
- 청성뇌간반응 검사에서와 동일한 피검자에 대하여 반송 주파수는 1kHz, 변조 주파수는 90Hz, 그리고 반송 신호의 크기는 70dBHL인 자극음을 가하면서 뇌파를 측정하였다. 1회 FFT를 하기 위해 8192(=2^13) 샘플 데이터를 이용하여 주파수의 해상도를 0.
- 청성뇌간반응 신호를 획득하기 위해서 그림 2와 같이 피검자에게 전극을 부착하였으며, 증폭기 이득은 100,000배, 고역통과 필터와 저역통과 필터의 차단 주파수는 각각 100Hz와 3kHz로 설정하였다. 클릭음을 이용하여 한쪽 귀를 자극하고, 이 자극과 동기화하여 뇌파를 계속하여 측정한다.
- 범용 생체 전위 증폭기의 기능도 하면서 청성뇌간반응 검사와 청성지속반응 검사를 동시에 측정할 수 있도록 이득과 주파수 특성을 고려하여 설계하였다. 초단 증폭기(AD620, Analog devices, USA)의 이득은 동상 신호(common mode signal)를 최대한 억제하기 위하여 100배로 고정하였다. 이보다 작은 이득으로 할 경우 AD620의 동상 모드 제어비가 조금 낮아지고, 너무 크게 할 경우 반 전지 전위(half cell potential)와 접촉 저항의 불균형에 따른 두 전극 간 DC 옵셋 전위 차이로 인하여 포화되기 쉽기 때문이다[12].
- 클릭음과 뇌파 신호를 동기화하여 클릭음 이후 10ms 구간 내의 신호만을 계속하여 앙상블 평균하였다. 반복 횟수는 최소 1000번에서 최대 1500번으로 설정하고, 신호의 품질을 평가하는 Fsp 분석알고리즘을 구현함으로써 청력역치가 존재하는지 자동으로 판독하도록 하였다.
- 청성뇌간반응 신호를 획득하기 위해서 그림 2와 같이 피검자에게 전극을 부착하였으며, 증폭기 이득은 100,000배, 고역통과 필터와 저역통과 필터의 차단 주파수는 각각 100Hz와 3kHz로 설정하였다. 클릭음을 이용하여 한쪽 귀를 자극하고, 이 자극과 동기화하여 뇌파를 계속하여 측정한다. 그림 2에서 점선 박스는 제안한 시스템에 포함된 하드웨어는 아니지만, 검사자가 필요할 경우 함수 발생기로 임의의 소리 자극 신호를 가하면서 뇌파 신호를 오실로스코프로 관찰 할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 실험 전 소리 자극의 크기는 오디오 미터(2250, Brüel & Kjaer, Denmark)와 커플러(2CC DB0138, Brüel & Kjaer, Denmark)를 사용하여 보정하였다.
- 클릭음의 주파수는 10.1Hz, 펄스의 폭(duration)은 100us, 그리고 샘플링 주파수는 100kHz로 하여 1회 유발 자극을 가할 때마다 10ms동안 1000 샘플의 데이터를 획득하였다. 클릭음은 LabVIEW의 “pulse generation-frequency.
이론/모형
- 그러므로 외부 잡음이나 피검자의 움직임에 매우 민감하고, 정형화된 신호가 아니기 때문에 측정 결과로부터 청력 역치는 결정하는 것은 쉽지 않다. 이를 해결하고자 본 연구에서는 객관적 지표 중의 하나인 Fsp를 이용하였다. Fsp의 정의는 식 (1)과 같다[20～21].
- 객관적인 분석방법으로 phase coherence, magnitude squared coherence, 그리고 F-test 등이 있다. 이중 본 연구에서는 식 (3)과 같이 F-test 방법을 사용하였다[10, 19, 25～26].
- 자극음의 크기와 모양도 아날로그 출력(analog output, AO) 채널을 이용하여 다중 청성지속유발반응(multiple auditory steady-state evoked response) 검사장비인 MASTER 시스템(Rotman Research Institute, 캐나다)과 같이 소프트웨어적으로 생성되도록 하였다[25]. 식 (2)는 진폭변조한 자극음 생성에 사용한 식을 보여준다.
- . 필터 계수 결정은 FilterPro(ver 2.0, Texas instruments, USA)를 활용하였다[16]. 저역통과필터와 고역통과필터의 차단 주파수는 사용 목적에 따라 저항 값을 조정하여 변경이 가능하도록 설계하였고, 저항의 선택은 증폭기의 이득 조절 때와 같이 아날로그 스위치(CD4051B)를 사용하였다.
성능/효과
- 60Hz와 그것의 고조파 성분인 120과 180Hz에서만 피크들이 관찰되었다. 그림 4(b)는 자극 음은 발생시키지만 피검자가 듣지 못하게 이어폰 끝을 막고 60Hz 노치 필터를 동작시켰을 때 측정한 결과로 그림 4(a)와 같이 변조 신호는 관찰되지 않았고, 다만 60Hz 주파수대만 노치 필터에 의해서 제거됨을 확인할 수 있었다. 이로써 소리 자극 신호 자체가 증폭기에 유입되어 발생한 것이 아니라는 것을 확인하였다.
- 그림 3(b)는 이어폰에 의한 영향의 유무와 함께 난청을 모사하기 위하여 소리 자극을 가하되 피검자가 거의 들리지 않도록 이어폰 끝을 막고서 진행하였다. 그 결과 측정된 신호를 살펴보면 유발 전위가 관측되지 않음을 확인할 수 있었다. 마지막으로 그림 3(c)는 70dBHL의 클릭음을 인가하면서 측정한 것으로 명확하게 유발 전위가 관찰됨을 알 수 있다.
- 그림 4(b)는 자극 음은 발생시키지만 피검자가 듣지 못하게 이어폰 끝을 막고 60Hz 노치 필터를 동작시켰을 때 측정한 결과로 그림 4(a)와 같이 변조 신호는 관찰되지 않았고, 다만 60Hz 주파수대만 노치 필터에 의해서 제거됨을 확인할 수 있었다. 이로써 소리 자극 신호 자체가 증폭기에 유입되어 발생한 것이 아니라는 것을 확인하였다. 난청인 경우에도 동일하게 측정될 것이다.
- 마지막으로 그림 3(c)는 70dBHL의 클릭음을 인가하면서 측정한 것으로 명확하게 유발 전위가 관찰됨을 알 수 있다. 정상적인 실험에서는 피검자 모두에게 거의 동일한 결과를 보였고, Fsp 값도 10명 모두 1.9이상이었다. 피검자 한명을 검사하는데 소요되는 시간은 약 80초에서 150초 사이였다.
- 제안한 시스템은 하드웨어의 부분을 최소화하고 소프트웨어 부분의 기능을 넓혀 다양한 자극 신호의 발생과 데이터 획득 후 신호 처리의 유연성을 높였다. 이렇게 함으로써 하드웨어의 수정 없이 청성뇌간반응 검사와 청성지속반응 검사를 함께 시행할 수 있었다.
후속연구
- 객관적 청력 검사 도구로서 청성뇌간반응 검사나 청성지속반응 검사를 단독으로 사용하는 것보다 상호보완적으로 함께 사용함으로써 고주파뿐만 아니라 저주파 대역의 청력 역치도 객관적으로 얻을 수 있다. 하나의 시스템에 두 가지 기능을 통합함으로써 기기 구입에 대한 중복 투자를 막을 수 있고, 신생아실 내에서 장비를 두고 검사가 이루어진다면 면역성이 약한 신생아들의 외부 출입으로 인한 감염의 가능성도 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
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