[논문]내전형연축성 발성장애 음성에 대한 켑스트럼과 스펙트럼 분석

심희정; 정훈; 최병흔; 허정화; 고도흥

doi:10.13064/ksss.2016.8.2.073

내전형연축성 발성장애 음성에 대한 켑스트럼과 스펙트럼 분석
Cepstral and spectral analysis of voices with adductor spasmodic dysphonia 원문보기

말소리와 음성과학 = Phonetics and speech sciences, v.8 no.2, 2016년, pp.73 - 80

심희정 (한림대학교 언어병리청각학과) , 정훈 (구미대학교 언어재활과) , , 최병흔 (명이비인후과의원) , 허정화 (명이비인후과의원) , 고도흥 (한림대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to analyze perceptual and spectral/cepstral measurements in patients with adductor spasmodic dysphonia(ADSD). Sixty participants with gender and age matched individuals(30 ADSD and 30 controls) were recorded in reading a sentence and sustained the vowel /a/. Acoustic data were analyzed acoustically by measuring CPP, L/H ratio, mean CPP F0 and CSID, and auditory-perceptual ratings were measured using GRBAS. The main results can be summarized as below: (a) the CSID for the connected speech was significantly higher than for the sustained vowel (b) the G, R and S for the connected speech were significantly higher than for the sustained vowel (c) Spectral/cepstral parameters were significantly correlated with the perceptual parameters, and (d) the ROC analysis showed that the threshold of 13.491 for the CSID achieved a good classification for ADSD, with 86.7% sensitivity and 96.7% specificity. Spectral and cepstral analysis for the connected speech is especially meaningful on cases where perceptual analysis and clinical evaluation alone are insufficient.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 스펙트럼과 켑스트럼 분석을 적용하여 발화과제(모음연장발성, 문장읽기)에 따른 ADSD 음성의 음향음성학적 특성을 살펴보고, 그 결과가 기존에 ADSD 환자의 감별진단에 주로 시행되어 온 청지각적 평가와 어떠한 상관성을 갖는지 보고자 하였다. 또한 스펙트럼과 켑스트럼 측정치들이 ADSD 환자 음성을 감별할 때 진단예측력을 갖는지 알아보고자 하였다.
본 연구는 ADSD 여성 환자 30명과 성별과 연령을 일치시킨 정상 화자 30명, 총 60명을 대상으로 /a/ 모음연장발성과 산책문단의 첫 번째 문장 읽기 과제를 수행하여 ADSD 환자의 과제의존도 특성을 객관적으로 살펴보고자 하였다.
본 연구는 스펙트럼과 켑스트럼 분석을 적용하여 발화과제(모음연장발성, 문장읽기)에 따른 ADSD 음성의 음향음성학적 특성을 살펴보고, 그 결과가 기존에 ADSD 환자의 감별진단에 주로 시행되어 온 청지각적 평가와 어떠한 상관성을 갖는지 보고자 하였다. 또한 스펙트럼과 켑스트럼 측정치들이 ADSD 환자 음성을 감별할 때 진단예측력을 갖는지 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 ADSD 환자들의 발화과제에 따른 음성증상을 객관적으로 설명하고자 켑스트럼과 스펙트럼 분석을 적용하여 임상적 진단 유용성과 분석의 활용 가능성을 살펴보았다. 이는 ADSD 진단에 주요한 정보를 제공하는 연결발화에 대한 객관적 음질분석에 제한점을 해결할 방향을 제시하며, 기존에 주관적 평가 위주로 이루어졌던 ADSD의 감별진단에 객관적 접근의 가능성을 제시해주었다.
지금까지 과제에 따른 ADSD의 음질 특성에 관한 연구들은 주관적인 청지각적 평가 결과 위주로 보고되어 왔으며, 객관적 평가의 경우 문장 내 자음과 모음이 갖는 다양한 주파수의 영향으로 ADSD 환자의 연결발화에 대한 음향학적 분석이 제한을 받아왔다. 스펙트럼과 켑스트럼 분석은 소음과 배음에너지의 정도를 분리해서 배음의 정도를 설명해줄 수 있는 분석 방법이기 때문에, 기존의 분석 방법이 갖던 문장 내 음질 분석에 제한점을 해결할 수 있는 방안을 마련해 준다. 또한 ADSD의 진단 시 특히 발화과제에 따라 나타나는 음성증상이 주요한 정보가 되기 때문에, 이에 켑스트럼과 스펙트럼 분석이 갖는 강점을 적용하는 것은 ADSD의 음성 중증도를 객관적으로 평가할 수 있는 방향을 제시한다고 볼 수 있다.
본 연구에서는 ADSD 환자들의 발화과제에 따른 음성증상을 객관적으로 설명하고자 켑스트럼과 스펙트럼 분석을 적용하여 임상적 진단 유용성과 분석의 활용 가능성을 살펴보았다. 이는 ADSD 진단에 주요한 정보를 제공하는 연결발화에 대한 객관적 음질분석에 제한점을 해결할 방향을 제시하며, 기존에 주관적 평가 위주로 이루어졌던 ADSD의 감별진단에 객관적 접근의 가능성을 제시해주었다.

제안 방법

ADSD 환자의 발화과제에 따른 음향음성학적 특성을 살펴보기 위해, KayPENTAX사의 ADSV™(Analysis of Dysphonia in Speech and Voice Model 5109, 이하 ADSV)를 사용하여 환자의 음성을 녹음 및 디지털화하였다(그림 1).
ADSD는 Cannito & Woodson (2000)의 진단기준에 따라 후두 내시경(stroboscopy)과 초고속 성대촬영(HSDI)을 포함한 전반적인 음성평가를 통하여 마비말장애 증상을 보이지 않고, 발성동안 쥐어짜는 소리 또는 발성일탈을 보이고, 가끔씩 정상 음성을 산출하며, 비구어 발성 또는 높은 음도로 발성할 때 다소 음질 향상을 보이는 자를 ADSD로 진단하였다.
검사자는 소음이 40dB 이하인 음성검사실에서 연구 대상자들의 음성을 녹음하였다. 음성 녹음은 90도 각도로 고정된 마이크에 화자의 입과 7cm 떨어진 위치에서 음성과제를 수행하도록 안내하였다.
또한 화자에게 최대한 편안하고 자연스러운 상태에서 모음 /a/를 1회 2초 이상 연장발성한 뒤, 한국어 자음이 42개로 56.76%(유성자음 25개 59.52%+무성자음 17개 40.48%), 모음이 32개로 43.24% 비율로 구성된 ‘산책 문장(정옥란, 1993)’의 첫 번째 문장(예: 높은 산에 올라가 맑은 공기를 마시며 소리를 지르면 가슴이 활짝 열리는 듯하다)을 1회 읽게 하였다.
마지막으로 과제에 따른 스펙트럼과 켑스트럼 측정치들이 정상 화자 음성과 비교하여 ADSD 음성을 얼마만큼 감별할 수 있는지 진단예측력을 살펴보고자 ROC 분석(Receiver Operation Characteristic Curve, 이하 ROC)을 실시하였다.
모든 음성자료의 음향음성학적 분석은 KayPENTAX사의 ADSV™를 사용하여 진행되었다. 먼저 /a/ 모음연장발성 녹음 파일은 환자가 발성한 전체 데이터 중 음도와 강도가 일정하게 수평이 되는 안정구간 2초 이상을 편집하였으며, 문장 읽기 과제의 음성 분석은 산책 문장 12어절(32음절) 전체가 포함된 문장을 편집한 뒤, 분석프로그램이 자동으로 잡아주는 구간을 분석해주는 (Apply Automatic Data selection) 기능을 활용하였다. 자료 분석을 통해 본 연구에서 살펴본 스펙트럼과 켑스트럼 관련 측정치들은 <표 2>에 제시하였다.
먼저 ADSD의 과제에 따른 스펙트럼과 켑스트럼 측정치들의 특성을 파악하고, ADSD의 과제에 따른 청지각적 특성을 GRBAS로 살펴본 뒤, 음향학적 특성과 청지각적 특성의 상관성을 파악한 후, ROC분석을 통하여 ADSD의 진단예측에 있어 유용한 과제의 음향학적 측정치와 그 준거를 제공하고자 하였다.
모든 대상자들은 호흡, 시각, 청각 및 언어 문제, 후두의 신경학적, 구조적 이상이 없으며, 인구통계학적 정보는 에 제시하였다.
모음연장발성과 읽기 과제 수행 시, ADSD의 음성중증도를 청지각적 평가를 통해 살펴보고자 3년 이상의 임상 경력이 있는 음성언어치료사 3명이 GRBAS를 사용하여 0(정상)에서 3점(심도)까지 4점 척도로 환자의 음성중증도를 평가하였으며, 평가 결과는 평균하여 통계에 적용하였다. 청지각적 평가는 음성언어치료사들에게 환자에 대한 어떠한 정보도 제공하지 않은 채 녹음된 음성 샘플 60개(ADSD 모음연장발성 과제 30개 + ADSD 문장 읽기 과제 30개)를 듣고 평가하도록 요청하였다.
음성샘플의 구성은 연구자가 임의로 모음과 문장 과제에 관련 없이 무작위 순서화시켜 다음과 같은 음성샘플의 제목으로 치료사들에게 메일을 통해 온라인상으로 평가 의뢰하였다(예: 1_KJI_SV. 2_HHO_CS, 3_SEH_SV … 60_LYK_CS).
읽기 과제 횟수는 음성장애환자의 음성 피로도(vocal fatigue)를 증가시킬 수 있음을 고려하여 1회로 제한하였다. 글 자료는 50pt 이상의 크기로 출력한 코팅재질의 자료로 제시하였다.

대상 데이터

본 연구는 대구지역에 소재한 M이비인후과 병원에서 이비인후과 전문의와 언어치료사에게 ADSD로 진단받은 환자군 30명(F=30)을 대상으로 하였으며, ADSD를 정상 화자와 비교하여 진단할 때 켑스트럼과 스펙트럼 측정치들이 어떠한 진단예측력을 가지고 있는지 살펴보고자 환자군과 성별과 연령을 일치시킨 정상군 30명(F=30), 총 60명을 모집하였다.

데이터처리

다음으로 모음연장발성과제와 문장읽기과제의 spectral & cepstral 측정치가 GRBAS와 상관성이 있는지 Pearson 상관분석(Pearson Product Moment Correlation, 이하 PPMC)을 시행하였다.
먼저 ADSD 환자의 발화과제에 따른 음향학적 측정값과 청지각적 평가에 차이가 있는지 살펴보기 위해 모음과 문장과제에 따른 대응표본 t-검정(paired t-test)을 실시하였다.
본 연구의 통계 분석은 SPSS version 19.0(IBM Co., New York, NY, USA)을 이용하여 시행되었으며, 모든 측정값은 평균±표준편차로 표기하였고, 유의수준이 .05 이하인 경우, 통계적으로 유의한 차이가 있다고 평가하였다.
본 연구의 통계방법은 표본의 갯수가 충분히 큰 경우(n>30) 표본의 분포는 정규분포에 근사한다는 중심극한이론에 근거하여 모수 통계 분석을 실시하였다.

이론/모형

ADSD 환자의 발화과제에 따른 음향음성학적 특성을 살펴보기 위해, KayPENTAX사의 ADSV™(Analysis of Dysphonia in Speech and Voice Model 5109, 이하 ADSV)를 사용하여 환자의 음성을 녹음 및 디지털화하였다(그림 1). 또한 ADSD 환자의 청지각적인 음질 특성을 살펴보기 위해 GRBAS(Hirano, 1981)를 사용하여 4점 척도로 평가 하였다.
모든 음성자료의 음향음성학적 분석은 KayPENTAX사의 ADSV™를 사용하여 진행되었다.

성능/효과

ADSD 환자의 음성장애 진단 시, 스펙트럼과 켑스트럼 측정치가 갖는 진단예측력의 정도와 진단 준거를 살펴보기 위해서 ROC 분석하여 곡선 아래 면적을 살펴본 결과, 모음의 CPP .412, L/H ratio .578, CPP F0 .344, CSID .689, 문장의 CPP .086, L/H ratio .312, CPP F0 .199, CSID .908로(표 6), 문장과제의 CSID가 ADSD 환자의 음향음성학적 음질 진단예측력이 높은 변수였다(그림 2). 문장읽기과제의 CSID 최적 역치값은 13.
ADSD의 과제에 따른 음향학적 측정치에 차이를 살펴보고자 대응표본 t-검정을 시행한 결과, CPP, L/H ratio, CSID값에 통계적으로 유의한 차이를 보였다(표 3). CPP와 L/H ratio는 문장에서 낮은 양상을 보인 반면, CSID는 문장에서 높은 양상을 보였다.
ADSD의 과제에 따른 청지각적 결과에 차이를 살펴보고자 대응표본 t-검정을 시행한 결과, G, R, S에 통계적으로 유의한 차이를 보였으며, 전반적으로 문장에서의 청지각적인 음성중증도가 높은 양상을 보였다(표 4).
ADSD의 모음과 문장 과제의 음향학적 측정치와 청지각적 결과의 Pearson 상관분석을 시행한 결과, 모음과제에서 전반적인 음성중증도(G), 노력성(S)이 높아질수록 CPP와 L/H ratio가 감소하는 부적 상관을 보였고, CSID는 증가하는 정적 상관이 관찰되었다. 문장읽기 과제에서는 전반적인 음성중증도(G), 조조성(R), 기식성(B), 노력성(S)이 높아질수록 CPP와 L/H ratio가 감소하는 부적 상관을 보였고, CSID는 증가하는 정적 상관이 관찰되었다(표 5).
ADSD의 모음과 문장 과제의 음향학적 측정치와 청지각적 결과의 Pearson 상관분석을 시행한 결과, 모음과제에서 전반적인 음성중증도(G), 노력성(S)이 높아질수록 CPP와 L/H ratio가 감소하는 부적 상관을 보였고, CSID는 증가하는 정적 상관이 관찰되었다. 문장읽기 과제에서는 전반적인 음성중증도(G), 조조성(R), 기식성(B), 노력성(S)이 높아질수록 CPP와 L/H ratio가 감소하는 부적 상관을 보였고, CSID는 증가하는 정적 상관이 관찰되었다(표 5). 전반적으로 모음과제에 비해 문장과제의 음향학적 분석결과와 청지각적 평가 결과의 상관이 높은 양상을 보였다.
908로(표 6), 문장과제의 CSID가 ADSD 환자의 음향음성학적 음질 진단예측력이 높은 변수였다(그림 2). 문장읽기과제의 CSID 최적 역치값은 13.491로 민감도와 특이도는 각각 .867, 967이였으며 정상 음성으로부터 ADSD의 음질을 감별할 수 있는 역치로 사용할 수 있음을 확인하였다.
발화과제에 따른 ADSD 환자의 음성을 음향학적으로 분석 결과, 문장과제에서 CPP와 L/H ratio는 낮았지만 CSID는 높은 양상을 보였다. 이는 CPP가 배음 정도를 나타내는 측정치이기 때문에 연속적으로 유성음을 산출하는 모음연장발성 시 주기성이 잘 형성되어 배음 구조가 잘 형성되어 CPP값이 더 높게 나타난 것을 의미한다.
연결발화의 CPP와 L/H ratio는 특히 음성장애환자들의 기식성(B) 특성을 잘 반영한다고 알려져 과소기능적 음성장애를 감별 진단할 때 유용한 측정치로 사용된다[17, 19, 20]. 본 연구 결과도 연결발화에서만 기식성(B) 척도가 CPP, L/H ratio와 상관성을 보였는데, 이는 모음과제 수행에 비해 문장과제에서 환자의 음성증상이 더 두드러지게 나타난다고 보고된 ADSD 환자의 독특한 특성이 반영된 것으로 논의할 수 있겠다. 연결발화에서 마비말장애의 G, B, S 척도가 smoothed CPP, CPP F0와 .
본 연구는 과제에 따라 음성증상에 차이를 보이는 ADSD 환자의 특성을 활용하여 정상화자와 비교하여 감별할 때 진단예측력이 높은 켑스트럼과 스펙트럼 측정치가 무엇인지 찾기 위해 ROC 분석을 실시한 결과, 문장과제의 CSID가 민감도 86.7%, 특이도 96.7%로 ADSD의 음성을 예측할 때 가장 주요한 정보를 제공하는 측정치임을 확인하였다. 이는 ADSD의 감별진단 시 문장과제의 켑스트럼과 스펙트럼 측정치 CSID에 주목해야 함을 의미한다.
발화과제에 따른 청지각 평가 소견은 ADSD의 진단에 중요하게 적용된다[5-6, 10]. 본 연구에서 ADSD 환자들이 모음에 비해 문장과제에서 쉰 목소리 (G), 긴장되고 거칠고 (R), 쥐어짜는 듯한 음성 (S)이 두드러지는 양상을 보였는데, 이는 ADSD 환자의 과제 의존도 특성이 청지각 평가에서도 드러난 것을 의미한다.
본 연구에서 살펴본 스펙트럼과 켑스트럼 관련 측정치들의 특성을 살펴보면 CPP, L/H ratio, mean CPP F0, CSID를 꼽을 수 있다. CPP(cepstral peak prominence, 이하 CPP)는 배음 정도를 하나의 피크(peak)로 나타내기 때문에 정상 화자는 주기성이 잘 형성되어 배음 구조가 잘 나타나기 때문에 높은 CPP 값을 보이지만, 음성장애 환자는 주기성이 규칙적으로 형성되지 않아 낮은 캡스트럴 피크를 나타내게 된다[17].
본 연구에서는 모음연장발성 과제에서 G, S가 높아질수록 CPP와 L/H ratio가 감소하고 CSID는 증가하였으며, 문장읽기 과제에서 G, R, B, S가 높아질수록 CPP와 L/H ratio가 감소하고 CSID는 증가하여, 전반적으로 문장과제의 음향학적 분석와 청지각적 평가가 상관계수 ±.380 ~ .680까지 통계적으로 유의한 상관성을 보였다.
음향학적 분석의 평가자 내 신뢰도를 측정하고자 전체 샘플의 20% (12개, 환자 6개+정상 6개)를 임의로 선정하여 재분석 한 뒤 피어슨 상관분석을 실사한 결과, 1.000으로 높은 평가자 내 신뢰도를 보였다(p<0.001).
문장읽기 과제에서는 전반적인 음성중증도(G), 조조성(R), 기식성(B), 노력성(S)이 높아질수록 CPP와 L/H ratio가 감소하는 부적 상관을 보였고, CSID는 증가하는 정적 상관이 관찰되었다(표 5). 전반적으로 모음과제에 비해 문장과제의 음향학적 분석결과와 청지각적 평가 결과의 상관이 높은 양상을 보였다.
음성장애 환자들의 음성중재 전/후를 음향학적, 청지각적 평가를 통해 종단적으로 모니터링한 [18]은 음성치료 후에 배음의 정도를 나타내는 CPP가 증가하고, 음성중증도와 관련성이 매우 높은 CPP SD가 유의하게 감소되어 음향학적 측정값을 통해 언어치료의 중재효과를 보고하였다. 환자의 음성개선은 음향학적인 평가뿐만 아니라 전반적인 음질 중증도를 나타내는 시각적 아날로그 척도(VAS)를 사용하였을 때도 음성치료 후 환자의 음성중증도가 전반적으로 개선됨을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 스펙트럼과 켑스트럼 측정치들이 청지각적 평가와 밀접한 상관성을 갖으며, 음성장애 환자의 중재과정을 모니터링하는데 유용한 정보를 제공함을 의미한다.

후속연구

이러한 결과는 ADSD 환자가 갖는 과제 의존도가 진단 시 주요한 정보를 제공하며, 기존에 ADSD의 진단 지표가 된 주관적인 청지각적 평가에 대해서 객관적인 진단 접근 가능성을 열어둠을 의미한다. 다시 말해 ADSD의 주관적 또는 객관적인 감별진단 시 연결발화과제에 대한 음질분석이 이루어져야 할 것이다.
본 연구는 성별과 음성 과제에 대한 제한점이 있으므로, 후속연구에서는 남성 환자에 대한 보고와 문장의 문맥을 조절하여 ADSD 환자의 음질 특성을 살펴볼 필요가 있다.
환자의 음성개선은 음향학적인 평가뿐만 아니라 전반적인 음질 중증도를 나타내는 시각적 아날로그 척도(VAS)를 사용하였을 때도 음성치료 후 환자의 음성중증도가 전반적으로 개선됨을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 스펙트럼과 켑스트럼 측정치들이 청지각적 평가와 밀접한 상관성을 갖으며, 음성장애 환자의 중재과정을 모니터링하는데 유용한 정보를 제공함을 의미한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내전형 연축성 발성장애란 무엇인가?	내전형 연축성 발성장애(adductor spasmodic dysphonia, 이하 ADSD)는 후두의 국한된 운동 유발성(action induced) 근긴장이상증(dystonia)으로 인한 음성장애이다[1]. ADSD는 발성 도중에 갑작스럽게 또는 지속적으로 진성대의 과내전(hyper-adduction)이 발생하여, 발성일탈(phonatory breaks), 쥐어짜고 긴장된 음성, 음성 떨림 등의 음질 특성을 보이게 된다[2].
	ADSD의 특징은 무엇인가?	내전형 연축성 발성장애(adductor spasmodic dysphonia, 이하 ADSD)는 후두의 국한된 운동 유발성(action induced) 근긴장이상증(dystonia)으로 인한 음성장애이다[1]. ADSD는 발성 도중에 갑작스럽게 또는 지속적으로 진성대의 과내전(hyper-adduction)이 발생하여, 발성일탈(phonatory breaks), 쥐어짜고 긴장된 음성, 음성 떨림 등의 음질 특성을 보이게 된다[2].
	발화과제에 따른 ADSD 환자의 음성을 음향학적으로 분석 결과에서 문장과제에서 CPP와 L/H ratio는 낮았지만 CSID는 높은 양상을 보이는 것이 의미하는 것은 무엇인가?	발화과제에 따른 ADSD 환자의 음성을 음향학적으로 분석 결과, 문장과제에서 CPP와 L/H ratio는 낮았지만 CSID는 높은 양상을 보였다. 이는 CPP가 배음 정도를 나타내는 측정치이기 때문에 연속적으로 유성음을 산출하는 모음연장발성 시 주기성이 잘 형성되어 배음 구조가 잘 형성되어 CPP값이 더 높게 나타난 것을 의미한다. 한편 문장과제는 다양한 무성음과 유성음의 음향학적 영향 때문에 모음에 비해 주기성 형성에 제한을 받아 낮은 CPP 값을 보였다고 논의할 수 있다[17].

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저자의 다른 논문 :

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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