[논문]공기 전도형 출력을 갖는 정원창 자극형 인공중이의 출력방식 제안

성기웅; 이규엽; 김명남; 조진호

doi:10.9717/kmms.2018.21.6.678

공기 전도형 출력을 갖는 정원창 자극형 인공중이의 출력방식 제안
A Proposal of Output Method of Round Window Stimulation Type Middle Ear Implants using Acoustic Transmission 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.21 no.6, 2018년, pp.678 - 684

성기웅 (Dept. of Biomedical Eng., Kyungpook National University Hospital) , 이규엽 (Dept. of Otorhinolaryngology, Head and Neck Surgery, School of Medicine, Kyungpook National University) , 김명남 (Dept. of Biomedical Eng., School of Medicine, Kyungpook National University) , 조진호 (Biomedical Engineering Institute, Kyungpook National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to broaden the indication of middle ear implant, research has been actively conducted on the reverse output method that stimulates the round window. However, it is very difficult to transmit the vibration output effectively because the indivisual anatomical difference of the round window niche is very large and also the visual field is not secured even by a skilled otolaryngologic surgeon. In this paper, we propose a new reverse stimulation method of middle ear implants that transmits energy to the inner ear by using air as a medium. This can compensate for the disadvantages of the conventional method of transmitting vibration energy and minimizes the energy transfer efficiency interference due to the combination of the excitation point and the output device. It was shown that forward and backward transfer characteristics were obtained by cadaveric experiments, and it was shown that it can overcome the acoustical impedance of high round window and transmit energy to inner ear. The receiver, which is the output device of the conventional hearing aids, can generate a constant volume velocity, so it can have a high output at a limited volume, such as a round window niche. So, suggested method can overcome the high acoustical impedance of the round window and deliver acoustic energy to the inner ear.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

정원창은 고막보다 매우 높은 음향 임피던스를 가지고 있어 공기를 매질로 하는 기도형 보청기의 출력 방식 적용이 어려 울 것으로 예상되지만 이와 관련된 연구는 부재하였다. 따라서, 본 연구에서는 기도형 보청기의 출력 방식을 정원창 자극형의 인공중이에 적용하기 위한 기반 연구로서 사체실험을 수행하였다.
본 논문에서는 공기를 매질로 하여 내이로 에너지를 전달하는 새로운 인공중이의 역방향 자극 방식을 제안하였다. 이는 진동 에너지를 전달하는 기존의 방식이 갖는 단점들을 보완할 수 있으며, 자극점인 정원창과 출력장치의 결합 방식에 따른 에너지 전달효율 간섭이 최소화된다.
본 논문에서는 역방향 자극방식의 출력을 갖는 이식형 인공중이의 출력장치를 제안한다. 제안한 출력장치는 음향을 출력으로 가짐으로 정원창과 출력장치의 접근 각도에 따라 전달 효율의 차이를 갖지 않는다.
본 연구에서는 3 개의 인체 측두골을 사용하여 순방향 자극 및 역방향 자극에 대한 보청기 출력의 전달 특성을 특정하고 이를 바탕으로 정원창 음향 자극의 가능성에 대해 타진해 보았다. 실험에 사용된 3개의 측두골은 Anatomy Gift Registry로부터 기증받아 TB1, TB2 및 TB3으로 명명하였으며, TB1과 TB2는 각각 62 세 Caucasoid 남성의 좌우측 측두골이며 TB3는 82 세 남성의 좌측 측두골이었다.
음향 임피던스는 체적 속도 (vS)에 반비례하기 때문에 외이도와 정원창 소와의 부피 비에 따라 같은 크기의 음압으로 구동할 경우 정원창의 음향 임피던스는 외이도 음향 임피던스의 200 배가 되어야 한다. 본 연구에서는 정원창에 음향을 전달하는 MEIs의 출력장치를 일정한 체적속도의 출력을 갖는 기도형보청기의 리시버와 직경 1.3 ㎜의 황동 도파관을 이용해 구성하고 이를 이용하여 제한된 부피에서 같은 전력에서 구동되는 음향 리시버가 출력단의 부피에 따라 발생시키는 음압의 크기를 조사하였다. 실험에서 리시버는 10 ㎷_peak로 구동되었으며 도파관 끝단에의 음압을 보정하기 위해 레퍼런스 마이크로폰을 사용하였다.

가설 설정

본 논문에서는 역방향 자극방식의 출력을 갖는 이식형 인공중이의 출력장치를 제안한다. 제안한 출력장치는 음향을 출력으로 가짐으로 정원창과 출력장치의 접근 각도에 따라 전달 효율의 차이를 갖지 않는다. 다만, 자극점의 음향 임피던스에 따라 전달 특성을 달리함으로 3 개의 인체 측두골에 대해 ASTMF2504[16]에 따라 순방향 및 역방향 전달특성 측정하고 이에 대한 음향 임피던스의 차이를 조사하였다.

제안 방법

순방향 및 역방향 자극 실험에서 리시버에서 발생된 음향을 각각 인공 외이도와 정원창으로 인가하고 LDV로 등자뼈 족판의 진동속도를 측정하였다. 각각의 경우 리시버에서 발생된 음향의 크기를 자극 점인 고막과 정원창 앞에 놓인 프루브 마이크로폰을 이용하여 인가된 음압의 수준을 기록하였다. 특히, 정원창 자극에 있어서는 외부로 음향이 유출되지 않게하기 위해서 정원창 소와와 도파관의 맞닿은 면을 근막(fascia)을 이용해 기밀을 유지하도록 노력하였다.
외이도 자극 시에 자극음이 중이강을 통해 정원창으로 입사되지 못하도록 외이도 입구를 얇은 유리막으로 차폐하였다. 또, 등자뼈 족판(stapes footplate)의 진동 속도를 LDV(laser Doppler vibrometer)로 측정하기 위하여 직경 0.1 ㎜의 광반사 비즈를 족판의 중앙에 부착하였다.
중이강 개방을 위해 숙련된 전문의의 유양돌기 절제술(mastiod tympanotomy)이 시행되었고, 측두골은 실험 기간 동안 수분의 증발로 인한 특성의 변화를 최소화 하기 위하여 점토로 감싸 수분의 증발을 최소화하였다. 또, 실험의 재현성 확보를 위해 정원창 소와는 막의 손상이 없는 범위에서 최대한 깎아 내어 사체별 구조적 특성을 유사하게 가공하였고, 각 측두골은 외이도의 연조직을 완전히 제거하고 지름 10 ㎜, 길이 25 ㎜의 원통형 플라스틱 튜브로 만든 인공 외이도 (artificial ear canal, AEC)를 부착하였다. 외이도 자극 시에 자극음이 중이강을 통해 정원창으로 입사되지 못하도록 외이도 입구를 얇은 유리막으로 차폐하였다.
순방향 및 역방향 자극 실험에서 리시버에서 발생된 음향을 각각 인공 외이도와 정원창으로 인가하고 LDV로 등자뼈 족판의 진동속도를 측정하였다. 각각의 경우 리시버에서 발생된 음향의 크기를 자극 점인 고막과 정원창 앞에 놓인 프루브 마이크로폰을 이용하여 인가된 음압의 수준을 기록하였다.
3 ㎜의 황동 도파관을 이용해 구성하고 이를 이용하여 제한된 부피에서 같은 전력에서 구동되는 음향 리시버가 출력단의 부피에 따라 발생시키는 음압의 크기를 조사하였다. 실험에서 리시버는 10 ㎷_peak로 구동되었으며 도파관 끝단에의 음압을 보정하기 위해 레퍼런스 마이크로폰을 사용하였다. 100에서 8000 ㎐의 범위에서 10 ㎷_peak로 구동되는 리시버의 출력은 Fig.
LDV와 프로브 마이크 시스템으로부터 획득 된 신호는 평균 10 회 고속 푸리에 변환을 사용하여 4096 포인트로 분석되었습니다. 정방향 및 역방향 자극에 대하여 등자뼈 족판의 진동속도(V_st), 고막 앞의 음압(P_ec) 및 정원창 앞의 음압(P_rw)를 기록하였다.
사체는 사망 후 48 시간 내에 측두골을 체취하고 급속냉동하였고, 실험은 사체를 해동한 후 72 시간 이내에 완료되었다. 중이강 개방을 위해 숙련된 전문의의 유양돌기 절제술(mastiod tympanotomy)이 시행되었고, 측두골은 실험 기간 동안 수분의 증발로 인한 특성의 변화를 최소화 하기 위하여 점토로 감싸 수분의 증발을 최소화하였다. 또, 실험의 재현성 확보를 위해 정원창 소와는 막의 손상이 없는 범위에서 최대한 깎아 내어 사체별 구조적 특성을 유사하게 가공하였고, 각 측두골은 외이도의 연조직을 완전히 제거하고 지름 10 ㎜, 길이 25 ㎜의 원통형 플라스틱 튜브로 만든 인공 외이도 (artificial ear canal, AEC)를 부착하였다.
각각의 경우 리시버에서 발생된 음향의 크기를 자극 점인 고막과 정원창 앞에 놓인 프루브 마이크로폰을 이용하여 인가된 음압의 수준을 기록하였다. 특히, 정원창 자극에 있어서는 외부로 음향이 유출되지 않게하기 위해서 정원창 소와와 도파관의 맞닿은 면을 근막(fascia)을 이용해 기밀을 유지하도록 노력하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 3 개의 인체 측두골을 사용하여 순방향 자극 및 역방향 자극에 대한 보청기 출력의 전달 특성을 특정하고 이를 바탕으로 정원창 음향 자극의 가능성에 대해 타진해 보았다. 실험에 사용된 3개의 측두골은 Anatomy Gift Registry로부터 기증받아 TB1, TB2 및 TB3으로 명명하였으며, TB1과 TB2는 각각 62 세 Caucasoid 남성의 좌우측 측두골이며 TB3는 82 세 남성의 좌측 측두골이었다. 사체는 사망 후 48 시간 내에 측두골을 체취하고 급속냉동하였고, 실험은 사체를 해동한 후 72 시간 이내에 완료되었다.
실험의 셋업은 컨트롤러(SYSiD 7.1, Stanford University, USA), 오디오 앰프(D75, Crown HARMAN Inc, USA), LDV (HLV-1000, Polytek GmbH, GER), 리시버(GQ-30783, Knowles Inc., USA) 및 레퍼런스마이크로폰(ER-7C, Etymotic Research Inc., USA)등으로 구성되었으며 실험 셋업의 상세 블록다이어그램은 Fig. 2에서와 같다. 컨트롤러는 음향 신호의 생성과 포집을 동시에 수행할 있으며 발생된 음향신호를 오디오 앰프로 인가하고 증폭된 전기신호를 리시버에 인하여 고막 또는 정원창을 자극할 수 있게한다.

데이터처리

3과 4에 나타내었다. 3 개의 측두골을 이용하여 각 측두골 당 2회의 반복 측정을 수행하였으며, Fig. 4에 고막 및 정원창 자극에 대한 전체 측정 평균과 평균의 표준오차(standard error of the mean, SEM)를 에러바로 표현하였으며, 이 때 94 ㏈의 음압을 고막으로 인가한 경우에 대해 족판의 진동 속도는 MEIs의 전달 특성을 표현하는 전달함수가 된다[15].

이론/모형

제안한 출력장치는 음향을 출력으로 가짐으로 정원창과 출력장치의 접근 각도에 따라 전달 효율의 차이를 갖지 않는다. 다만, 자극점의 음향 임피던스에 따라 전달 특성을 달리함으로 3 개의 인체 측두골에 대해 ASTMF2504[16]에 따라 순방향 및 역방향 전달특성 측정하고 이에 대한 음향 임피던스의 차이를 조사하였다. 음향 임피던스의 차이는 기도형 보청기와 같은 크기의 출력을 갖기 위해서 역방향 자극 방식의 MEIs에 필요한 음향 출력의 크기를 보여주는 척도가 되고, 이는 MEIs가 기존의 진동 전달 방식을 탈피하여 이식의 유연성을 갖는 새로운 음향 출력장치를 설계할 때에 핵심 변수가 될 수 있다.

성능/효과

사체 실험으로 순방향 및 역방향의 전달특성을 도출하였으며, 이를 통해 높은 정원창의 음향 임피던스를 극복하고 내이로 에너지를 전달 할 수 있음을 보였다. 기도형 보청기의 출력장치인 리시버는 일정한 체적 속도를 생성하기 때문에 정원창 소와와 같은 제한된 부피에서 높은 출력을 가질 수 있고 이를 통해 정원창의 높은 음향 임피던스를 극복하고 내이로 에너지를 전달할 수 있었다. 다만, 정원창 소와와 음향 도파관의 기밀 수준에 따른 리시버의 생성 음압이 크게 차이가 있으며 이에 대한 실용화 연구가 필요할 것으로 사료된다.
이는 역방향 자극방식을 채택하는 정원창 음향자극 출력장치가 같은 에너지로 구동되는 기도형 보청기보다 18 ㏈만 높은 출력을 가질 수 있다면 청각재활기기로서 충분히 활용될 가능성을 보여 준다. 다만, 본 실험에서 개인별 정원창의 해부학적 특성을 배제하고자 일정 수준의 드릴링을 하였음에도 불구하고 순방향 자극에서 일정한 수준의 음압을 획득할 수 있었는데 반해 Fig. 5에서와 같이 기밀의 정도에 따라 출력되는 음압의 편차가 매우 큼을 보았다. 기밀의 수준은 특히 저주파에서 큰 영향을 미치며 공기를 매질로 하는 역방향 자극기를 설계함에 있어 주의 깊게 고려해야 할 것으로 보인다.
본 연구를 통해 고막과 정원창의 음향 임피던스가 이론상으로 차이인 46 ㏈보다 훨씬 적은 값임을 알게되었다. 출력장치인 리시버와 음향 도파관의 부피를 감안할 때 그 차이는 25 ㏈로 줄어들고 실험적으로 밝힌 음향 임피던스의 차이는 -18 ㏈ 수준임을 보였다.
이는 진동 에너지를 전달하는 기존의 방식이 갖는 단점들을 보완할 수 있으며, 자극점인 정원창과 출력장치의 결합 방식에 따른 에너지 전달효율 간섭이 최소화된다. 사체 실험으로 순방향 및 역방향의 전달특성을 도출하였으며, 이를 통해 높은 정원창의 음향 임피던스를 극복하고 내이로 에너지를 전달 할 수 있음을 보였다. 기도형 보청기의 출력장치인 리시버는 일정한 체적 속도를 생성하기 때문에 정원창 소와와 같은 제한된 부피에서 높은 출력을 가질 수 있고 이를 통해 정원창의 높은 음향 임피던스를 극복하고 내이로 에너지를 전달할 수 있었다.
실험에 사용된 3개의 측두골은 Anatomy Gift Registry로부터 기증받아 TB1, TB2 및 TB3으로 명명하였으며, TB1과 TB2는 각각 62 세 Caucasoid 남성의 좌우측 측두골이며 TB3는 82 세 남성의 좌측 측두골이었다. 사체는 사망 후 48 시간 내에 측두골을 체취하고 급속냉동하였고, 실험은 사체를 해동한 후 72 시간 이내에 완료되었다. 중이강 개방을 위해 숙련된 전문의의 유양돌기 절제술(mastiod tympanotomy)이 시행되었고, 측두골은 실험 기간 동안 수분의 증발로 인한 특성의 변화를 최소화 하기 위하여 점토로 감싸 수분의 증발을 최소화하였다.
측정된 정방향 자극에 대한 등자뼈의 진동 속도의 평균은 1 ㎑를 기준으로 ±20 ㏈/decade의 기울기를 가지며, 기존의 연구결과(ASTM-F2504)와 잘 부합한 특성을 보여준다[15]. 역방향 자극의 경우는 정방향 자극과 대비하여 측정 구간에서 전체적으로 평균-18 ㏈의 특성을 보였고, 구간별로는 2 ㎑ 이하와 이상에서 각각 평균 -20 ㏈와 -12 ㏈의 특성을 보였다. 이러한 특성은 역방향 자극에서는 고막 대비 정원창의 면적이 작아 높은 음향 임피던스를 가지기 때문으로 Fig.
1에서와 같다. 외이도와 정원창 소와를 대변하는 두 부피에서 발생된 음압의 크기는 측정 범위 내에서 전반적으로 25 ㏈가량의 차이를 보였다. 두 기관의 음향 임피던스 차이를 볼 때 200 배인 46 ㏈의 차이를 가져야 하나 리시버 내부의 부피와 음향 도파관의 부피를 포함하면 그 차이가 크게 줄어 들 것으로 예상 할 수 있다.
본 연구를 통해 고막과 정원창의 음향 임피던스가 이론상으로 차이인 46 ㏈보다 훨씬 적은 값임을 알게되었다. 출력장치인 리시버와 음향 도파관의 부피를 감안할 때 그 차이는 25 ㏈로 줄어들고 실험적으로 밝힌 음향 임피던스의 차이는 -18 ㏈ 수준임을 보였다. 이는 역방향 자극방식을 채택하는 정원창 음향자극 출력장치가 같은 에너지로 구동되는 기도형 보청기보다 18 ㏈만 높은 출력을 가질 수 있다면 청각재활기기로서 충분히 활용될 가능성을 보여 준다.
측정된 정방향 자극에 대한 등자뼈의 진동 속도의 평균은 1 ㎑를 기준으로 ±20 ㏈/decade의 기울기를 가지며, 기존의 연구결과(ASTM-F2504)와 잘 부합한 특성을 보여준다[15].

후속연구

기도형 보청기의 출력장치인 리시버는 일정한 체적 속도를 생성하기 때문에 정원창 소와와 같은 제한된 부피에서 높은 출력을 가질 수 있고 이를 통해 정원창의 높은 음향 임피던스를 극복하고 내이로 에너지를 전달할 수 있었다. 다만, 정원창 소와와 음향 도파관의 기밀 수준에 따른 리시버의 생성 음압이 크게 차이가 있으며 이에 대한 실용화 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이식형 인공중이는 무엇인가?	이식형 인공중이(middle ear implants, MEIs)는 기도형 보청기(acoustic hearing aids)의 음향 출력에 상응하는 기계적 진동을 출력으로 갖는 청각재활기기이다. MEIs는 전자기력 혹은 압전력을 힘의 근원으로 하는 진동력 발생장치를 갖고 이로부터 발생된 진동 출력을 자연의 청각 전달 경로(natural auditory pathway) 상의 한 부분, 예컨대 망치뼈 놀이(malleus head) 또는 모루뼈 긴다리(incus long process, ILP)에 전달하며 음향 신호를 내이(choclear)로 전달하게 된다[1-3].
	FMTTM(Med-El GmbH, Austria)를 이용한 정원창 자극의 임상 결과 특징은 무엇인가?	최근, MEIs의 적용증을 넓히기 위한 많은 연구가 진행되었고, 특히 FMTTM(Med-El GmbH, Austria)를 이용한 정원창 자극에 대한 임상 결과들이 보고되고 있다[8][9]. 이 방법은 기존의 순방향 자극에서 자연의 청각 전달 경로를 사용하는 것과는 달리 정원창을 진동력 전달의 매개로 사용하며, 음향 신호 전달경로 상의 유모세포 이후에 자극점을 둔다는 점에서 정원창 자극(round window stimulation) 또는 역방향 자극(reverse stimulation)이라 부르기도 한다[10]. 역방향 자극 방식은 이소골(ossicle chain)이 전체 혹은 일부가 소실된 환자 즉, 전도성 난청자에게 적용 가능하다는 점에서 순방향 자극 보다 넓은 적용증을 가지고 있다.
	MEIs의 음향 전달 방법은?	이식형 인공중이(middle ear implants, MEIs)는 기도형 보청기(acoustic hearing aids)의 음향 출력에 상응하는 기계적 진동을 출력으로 갖는 청각재활기기이다. MEIs는 전자기력 혹은 압전력을 힘의 근원으로 하는 진동력 발생장치를 갖고 이로부터 발생된 진동 출력을 자연의 청각 전달 경로(natural auditory pathway) 상의 한 부분, 예컨대 망치뼈 놀이(malleus head) 또는 모루뼈 긴다리(incus long process, ILP)에 전달하며 음향 신호를 내이(choclear)로 전달하게 된다[1-3]. 전달된 진동 신호는 난원창(oval window)을 거쳐 내이에서 수압(hydropressure)으로 바뀌게 되고 유모세포(hair cell)에 의해 전기적 신호(electric potential)로 변환되어 대뇌로 전달되며, 이때 난원창을 통해 입사된 수압은 정원창(round window)을 통해 해소된다[4].

참고문헌 (16)

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원문보기 상세보기
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상세보기
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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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