[논문]청력검사와 적합 프로파일 기반의 청력 보정 시스템

김형욱; 이영록; 박동규; 한창용

doi:10.9717/kmms.2018.21.9.1110

문제 정의

본 논문에서는 정확하고 정밀한 청력검사를 위해 순음청력검사의 알고리즘을 정확하게 해석하고, 청력검사 매체들 사이의 캘리브레이션 기능을 더한 알고리즘을 구상하였다. 본 논문에서 개발한 청력검사 어플리케이션은 안드로이드 운영체제 환경에서 개발되었으며 본 논문에서는 안드로이드 운영체제 환경의 순음발생 알고리즘을 위주로 소개하고자 한다.
본 논문은 난청의 초기예방단계에서 난청상태의 개선과 예방에 도움을 줄 수 있는 청력 보정 디바이스에 관한 연구이다. 개인의 난청을 예방하고 청력개선을 위해서는 정확한 청력 측정이 필요하기 때문에 스마트폰에서 수행되는 청력검사 애플리케이션과 캘리브레이션된 측정 헤드셋을 이용하였다.
개인의 난청을 예방하고 청력개선을 위해서는 정확한 청력 측정이 필요하기 때문에 스마트폰에서 수행되는 청력검사 애플리케이션과 캘리브레이션된 측정 헤드셋을 이용하였다. 본 연구에서는 이렇게 측정한 개인의 청력검사 결과를 기반으로 이퀄라이저를 통해 피팅된 음악을 제공하는 소프트웨어 및 디바이스를 제안하고 구현하였다. 본 연구의 청력검사 소프트웨어는 개인이 언제든 이용할 수 있는 안드로이드 기반의 모바일 앱으로 개발하였으며, 이 청력검사 역치 값을 제어하는 수식을 통해 이퀄라이저의 조정값을 변환시켜서 변환된 조정 값을 블루투스 통신을 통해 외부 디바이스로 전송하고, 재생되는 음향을 해당 조정 값으로 피팅하여 들려주도록 설계하였다.
기존 연구개발된 시스템에서는 주로 스마트폰에 내장된 이퀄라이저를 이용하여 피팅을 수행하는데, 이 경우 현재 스마트폰의 프레임워크에서 제공하는 주파수 범위가 7개 이내로 제한되어 있기 때문에 청력개선에 한계가 있다. 본 연구에서는 이를 극복하고자 외부 디바이스를 통하여 좌/우 각각 12개의 범위(총 24개의 밴드)로 이퀄라이저를 설정하여 조금 더 사용자의 청력 상태에 적합한 상세 피팅을 수행하여 개인화된 음향 재생이 가능하도록 하였다.
또한 전 주파수 대역에서 음이 발생하는 핑크노이즈를 테스트에 사용하여 전체 주파수(이득주파수 범위)를 측정하였다. 여기서 핑크노이즈는 노이즈 생성기를 통해 출력하였으며, 전음역대 이퀄라이저 보정기능을 확인하는 목적으로 사용하였다. Fig.
따라서 하드웨어의 볼륨이 너무 작거나 클 경우 0-100dB의 음압레벨은 정확할 수 없다. 이를 위해 본 연구에서는 모바일 단말기와 이어폰 사이에 균일한 소리를 발생시켜주고 모바일 단말기의 제한적인 음향 출력레벨을 극복하기 위한 USB 연결 음향장치를 개발하였다. 또한 USB 음향 장치가 정확한 레벨의 음압을 발생시킬 수 있도록 캘리브레이션을 시켰다.

제안 방법

현재까지 음향기기의 사용자들은 음악을 들을 시에 자신의 청력상태와 상관없이 기존에 설정되어있는 이퀄라이저 설정 값을 사용하여 음악을 청취하였다. 본 논문에서는 1) 사용자 개인의 주파수별 청력을 자동 혹은 수동으로 검사하여 청력역치 값을 구하는 모바일 시스템, 2) 정확한 청력검사를 위한 캘리브레이션된 순음 생성장치, 3)청력검사결과 프로파일을 바탕으로 보정된 음향을 들려주는 음향재생기기, 4) 모바일 시스템을 통한 음향기기의 제어와 사용시간을 증대시키기 위한 저전력 무선통신 시스템을 설계하고 구현하여 테스트를 진행하였다.
스마트폰을 이용한 청력검사와 이를 기반으로 한 피팅을 음향 보조기기에 적용하기 위하여 본 연구에서는 1) 순음청력검사를 위한 스마트폰 시스템, 2) 캘리브레이션된 청력검사용 음향생성장치, 3) 프로파일 기반의 음향재생기기, 4) 음향기기의 제어와 사용시간을 증대시키기 위한 저전력 무선통신 시스템을 구현하였다.
Nordic 칩을 이용한 디바이스는 스마트폰 앱과 블루투스 장치로 구성되어 있는데, 본 연구의 청력검사 결과를 바탕으로 개인에 최적화된 주파수별 증폭 레벨 곡선을 계산하여 블루투스 LE를 통해 디바이스로 데이터를 전송한다. 디바이스는 전송되어온 주파수 별 증폭 레벨 곡선은 이퀄라이저 제어기를 통해서 좌우 각각 12밴드의 주파수 밴드 값으로 조정한다.
본 논문은 난청의 초기예방단계에서 난청상태의 개선과 예방에 도움을 줄 수 있는 청력 보정 디바이스에 관한 연구이다. 개인의 난청을 예방하고 청력개선을 위해서는 정확한 청력 측정이 필요하기 때문에 스마트폰에서 수행되는 청력검사 애플리케이션과 캘리브레이션된 측정 헤드셋을 이용하였다. 본 연구에서는 이렇게 측정한 개인의 청력검사 결과를 기반으로 이퀄라이저를 통해 피팅된 음악을 제공하는 소프트웨어 및 디바이스를 제안하고 구현하였다.
또한 USB 음향 장치가 정확한 레벨의 음압을 발생시킬 수 있도록 캘리브레이션을 시켰다.
정확한 시험 결과를 위해 음향측정기기를 사운드 캘리브레이터를 이용하여 마이크 음압 감도를 캘리브레이션하였다. 또한 전 주파수 대역에서 음이 발생하는 핑크노이즈를 테스트에 사용하여 전체 주파수(이득주파수 범위)를 측정하였다. 여기서 핑크노이즈는 노이즈 생성기를 통해 출력하였으며, 전음역대 이퀄라이저 보정기능을 확인하는 목적으로 사용하였다.
본 논문에서는 수식 (1)과 같이 보건복지부 권장 6분법을 이용하여 500Hz의 역치(σ500Hz ), 1000Hz의 역치(σ1000Hz ), 2000Hz의 역치(σ2000Hz ), 4000Hz의 역치 값(σ4000Hz )을 사용하여 평균 청력역치 σm을 구하였다.
본 논문에서는 정확하고 정밀한 청력검사를 위해 순음청력검사의 알고리즘을 정확하게 해석하고, 청력검사 매체들 사이의 캘리브레이션 기능을 더한 알고리즘을 구상하였다. 본 논문에서 개발한 청력검사 어플리케이션은 안드로이드 운영체제 환경에서 개발되었으며 본 논문에서는 안드로이드 운영체제 환경의 순음발생 알고리즘을 위주로 소개하고자 한다.
본 연구에서 실시한 청력검사 모바일 어플리케이션은 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1,000Hz, 2,000Hz, 3,000Hz, 4,000Hz, 6,000Hz, 8,000Hz의 총 9개의 주파수별로 왼쪽/오른쪽 귀의 역치 값을 구하였는데, 이는 표준청력검사 주파수로 임상적으로 널리 사용되는 주파수 분류에 따른 것이다. 본 연구에서는 평균 청력역치 σ_m를 바탕으로 수식 (2)와 같이 평균 청력역치와 각 주파수 밴드별 역치의 차이를 구하여 G 프로파일 값을 얻었다.
본 연구에서 청력검사를 수행할 때 사용되는 주파수의 순서는 1000Hz, 2000Hz, 3000Hz, 4000Hz, 8000Hz, 1000Hz, 500Hz, 250Hz, 125Hz 순으로 시행되며 하강법과 상승법이 섞인 혼합법으로 청력검사를 실시한다. 청력검사 시스템의 절차로는 Fig.
Smaart DI 프로그램을 통해서 측정되는 주파수와 음압의 레벨(dB)을 확인하고 원하는 크기의 음압레벨이 나올때까지 앰프값의 크기를 변경하면서 측정하는 것을 반복한다. 본 연구에서는 각 주파수별로 0dB에서 100dB까지 5dB 단위로 해당하는 앰프값을 측정해서 데이터베이스화하였다. 이때 사용된 이어폰은 플랫타입 케이블 갤럭시 S6/S7모델 번들 이어폰인 EG920WB in ear fit 모델이며 12mm 다이내믹 드라이버를 적용하는 제품이다.
본 연구에서는 식 (3)와 같이 평균 역치 값과 주파수 밴드별 청력검사 역치 값의 차이를 각 주파수 밴드의 조정 값으로 변환하였으며, 평균 역치 값과 주파수 별 역치 값의 차이가 –12dB～12dB 범위를 벗어나는 경우 -12dB 이하는 조정 값을 -12dB으로, 12dB 이상은 12dB으로 CLAMP() 함수를 사용하여 설정하였다.
본 연구에서는 의료기기로 분류되는 보청기가 아닌 음향 보조기기 상에서 사용자별 청력검사를 통해 얻은 최적의 피팅값을 적용하여 좌우 귀에 대해 각각 12개의 밴드에 대한 선형보정을 수행하는 시스템을 구현하였다.
본 연구에서는 평균 청력역치 σm를 바탕으로 수식 (2)와 같이 평균 청력역치와 각 주파수 밴드별 역치의 차이를 구하여 G 프로파일 값을 얻었다.
본 연구에서는 이렇게 측정한 개인의 청력검사 결과를 기반으로 이퀄라이저를 통해 피팅된 음악을 제공하는 소프트웨어 및 디바이스를 제안하고 구현하였다. 본 연구의 청력검사 소프트웨어는 개인이 언제든 이용할 수 있는 안드로이드 기반의 모바일 앱으로 개발하였으며, 이 청력검사 역치 값을 제어하는 수식을 통해 이퀄라이저의 조정값을 변환시켜서 변환된 조정 값을 블루투스 통신을 통해 외부 디바이스로 전송하고, 재생되는 음향을 해당 조정 값으로 피팅하여 들려주도록 설계하였다.
이런 과정을 통해 순음청력검사에 필요한 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1kHz, 2kHz, 3kHz, 4kHz, 6kHz, 8kHz의 모든 주파수에서 0dB～100dB의 음압레벨을 가지는 순음 생성을 하였다. 그러나 운영체제에서 생성한 순음은 재생하는 헤드폰의 성능에 따라 데시벨 값이 일정하지 않기 때문에 캘리브레이션 과정이 필요하다.
본 연구에서는 식 (3)와 같이 평균 역치 값과 주파수 밴드별 청력검사 역치 값의 차이를 각 주파수 밴드의 조정 값으로 변환하였으며, 평균 역치 값과 주파수 별 역치 값의 차이가 –12dB～12dB 범위를 벗어나는 경우 -12dB 이하는 조정 값을 -12dB으로, 12dB 이상은 12dB으로 CLAMP() 함수를 사용하여 설정하였다. 이와 같이 입력된 청력검사 결과 값으로 정해진 수식에 의해 계산한 조정 값 이용하여 이퀄라이저를 함으로써 G_cal과 같은 보정된 게인값으로 사용자의 청력 상태에 피팅할 수 있는 소프트웨어를 구현하였다. 30～50dB의 큰 증폭값을 필요로 하는 보청기와 달리 청력보정용 음향기기는 이어폰이나 헤드폰, 스피커등 음향장치의 음질을 향상시키는 역할을 하므로 이러한 보정을 통하여 청력이 저하된 사용자에게 보다 명료한 음질을 제공할 수 있다.
정확한 시험 결과를 위해 음향측정기기를 사운드 캘리브레이터를 이용하여 마이크 음압 감도를 캘리브레이션하였다. 또한 전 주파수 대역에서 음이 발생하는 핑크노이즈를 테스트에 사용하여 전체 주파수(이득주파수 범위)를 측정하였다.
출력된 검사음에 응답하였을 경우에는 10dB을 감소하여 다음 검사 음을 출력하도록 하고, 응답하지 않았을 경우에는 20dB을 증가하여 다음 검사음을 출력한다. 첫 응답 이후 두 번째 응답부터는 응답부재의 경우에 5dB을 증가시키면서 세밀하게 검사를 시행하도록 한다. 또한 같은 값으로 3번 응답했을 경우 그 값을 역치로 저장하고 다음 주파수로 넘어간다.
현재 우리나라는 위의 역치값을 바탕으로 장애등급을 판정하며 본 연구에서는 위의 검사결과를 바탕으로 “경도 난청”부터 “심도 난청” 등의 결과를 출력하였다.

대상 데이터

5는 음향보정기능을 가진 블루투스 무선 장치의 배터리 부분을 제외한 전체 구성도를 나타낸다. 그림과 같이 본 시스템은 오디오 신호를 수신하는 CSR8635 블루투스 모듈, 이 모듈에서 출력되는 신호를 이퀄라이저하는 LMC835 이퀄라이저, 이퀄라이저의 출력신호를 증폭하는 PAM8406 오디오 증폭기, 안드로이드 앱으로 이퀄라이저의 밴드와 이득을 튜닝할 수 있는 블루투스 모듈로 구성되어 있다.
본 논문에서는 무선으로 음원을 제어하기 위한 통신 하드웨어로 노르딕 세미컨덕트(Nordic Semiconductor)사의 nRF52832 칩을 사용하였으며, 이 디바이스는 블루투스 LE 모듈을 내장한 SOC(System On Chip)이다. 블루투스 LE는 기존의 블루투스 클래식의 단점인 전력소비를 획기적으로 줄여서 극히 적은 전력을 사용하여 무선 통신을 할 수 있다.
본 연구에서는 음향재생을 위하여 내쇼널 세미컨덕트사의 LMC835 이퀄라이저 칩을 사용하였는데, 이 칩의 각 주파수 밴드는 좌우 각각 12밴드로 16Hz, 31.5Hz, 63Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1,000Hz, 2,000Hz, 4,000Hz, 8,000Hz, 16,000Hz, 32,000Hz이다. 따라서, 본 연구의 순음 청력검사를 통해 얻게 된 125Hz 이하의 저주파 밴드인 16Hz, 31.
안드로이드용 앱에서 순음을 발생하기 위해서 오디오 트랙(Audio Track) 라이브러리를 사용하였다. 오디오트랙 라이브러리는 안드로이드 시스템에서 오디오 출력을 담당하는 클래스로구성되어 있는데 파일이나 네트워크로부터 PCM 데이터를 추출한 후, 네이티브 계층으로 PCM 데이터를 전달하여 소리를 출력하는 기능을 한다.
본 연구에서는 각 주파수별로 0dB에서 100dB까지 5dB 단위로 해당하는 앰프값을 측정해서 데이터베이스화하였다. 이때 사용된 이어폰은 플랫타입 케이블 갤럭시 S6/S7모델 번들 이어폰인 EG920WB in ear fit 모델이며 12mm 다이내믹 드라이버를 적용하는 제품이다.

데이터처리

모바일 앱을 이용하여 청력검사를 수행한 후 얻어진 결과는 표준화된 역치계산 방식에 의하여 분석하였다. 본 논문에서는 수식 (1)과 같이 보건복지부 권장 6분법을 이용하여 500Hz의 역치(σ_500Hz ), 1000Hz의 역치(σ_1000Hz ), 2000Hz의 역치(σ_2000Hz), 4000Hz의 역치 값(σ_4000Hz)을 사용하여 평균 청력역치 σm을 구하였다.

이론/모형

0을 사용하였으며, 하드웨어로는 팬리스 무소음 노트북, SMAART 전용 오디오 입출력 인공귀(6cc 커플러, 콘덴서 마이크, 프리앰프)을 사용하였다. 모든 음향학적인 측정은 ANSI S3.1-1999(R2008)을 준수하는 방음실에서 수행하였다[11].
모바일 앱에서 해당 주파수와 앰프값을 입력하고 순음을 발생시킨다. 발생된 순음의 음량은 인공귀(Artificial Ear)에서 1차 측정된 후 래쇼널 어쿠스틱스사에서 개발한 듀얼채널 오디오 분석시스템인 Smaart IO 오디오 인터페이스를 통해 컴퓨터로 입력된다. 이때, 컴퓨터로 입력된 신호는 Smaart DI(Dual-Channel Interface) 프로그램을 통해서 주파수와 음압레벨을 확인할 수 있다.
7은 이 실험환경을 다이어그램으로 나타낸 것이다. 음향측정을 위한 소프트웨어는 래셔널 어쿠스틱스사의 스펙트럼 엔진인 SMAART DI(Dual-Channel Interface) V2.0을 사용하였으며, 하드웨어로는 팬리스 무소음 노트북, SMAART 전용 오디오 입출력 인공귀(6cc 커플러, 콘덴서 마이크, 프리앰프)을 사용하였다. 모든 음향학적인 측정은 ANSI S3.
블루투스 LE는 기존의 블루투스 클래식의 단점인 전력소비를 획기적으로 줄여서 극히 적은 전력을 사용하여 무선 통신을 할 수 있다. 이와 같은 저전력 통신의 장점으로 인하여 최근 출시되고 있는 스마트 밴드, 워치, 글래스 등의 웨어러블 무선통신 기기들의 대부분은 이 블루투스 LE 방식을 이용하여 무선 통신을 한다. nRF52832는 블루투스 LE 모듈뿐만 아니라 프로세서와 메모리까지 내장하고 있어 스마트폰과의 통신과 제어를 동시에 할 수 있는 장점이 있다.

성능/효과

이때, 컴퓨터로 입력된 신호는 Smaart DI(Dual-Channel Interface) 프로그램을 통해서 주파수와 음압레벨을 확인할 수 있다. Smaart DI 프로그램을 통해서 측정되는 주파수와 음압의 레벨(dB)을 확인하고 원하는 크기의 음압레벨이 나올때까지 앰프값의 크기를 변경하면서 측정하는 것을 반복한다. 본 연구에서는 각 주파수별로 0dB에서 100dB까지 5dB 단위로 해당하는 앰프값을 측정해서 데이터베이스화하였다.
5Hz, 63Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1,000Hz, 2,000Hz, 4,000Hz, 8,000Hz, 16,000Hz, 32,000Hz이다. 따라서, 본 연구의 순음 청력검사를 통해 얻게 된 125Hz 이하의 저주파 밴드인 16Hz, 31.5Hz, 63Hz, 125Hz의 역치값은 125Hz와 동일한 값을 주었으며, 8000Hz 이상의 고주파 영역인 8,000Hz, 16,000Hz, 32,000Hz 밴드의 역치 값은 8000Hz와 동일한 이득 값으로 주었다. 이는 인간의 귀가 느끼는 감도가 주파수 별로 비례하지 않으며, 4000Hz 내외에서 가장 민감하게 반응하기 때문이다.
최대출력 음압레벨은 dB SPL 기준 각 주파수별로 104dB SPL～119dB SPL의 음압레벨이 나왔으며, 이득 주파수 범위는 40Hz～16,000Hz 영역의 음향 신호를 가진다. 외이도 개방성은 평가 결과 이어폰 착용 전후 약 10dB SPL～12dB SPL의 음압변화가 있었으며, 이퀄라이저를 제외한 음량조절 범위는 최저 볼륨과 최고 볼륨이 50dB SPL 이상의 차이를 보였다.
8(b)는 디바이스를 이용해 이퀄라이저한 결과 화면으로 (b)의 1은 저음역대 조정 값을 증가시킨 음압레벨, (b)의 2는 기본 핑크노이즈 음압레벨을 나타낸 것이며, (b)의 3은 저음역대 조정 값(이득 값)을 감소시킨 음압레벨을 나타낸 것이다. 이러한 결과를 통해 본 시스템에서 구현한 디바이스를 이용하여 주파수 밴드별 이퀄라이저를 할 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

향후 하드웨어적인 제약으로 인해 –12dB～+12dB로 제한된 이득값을 더욱 증가시키는 개선이 필요하며, 빠르고도 정확한 청력 알고리즘의 개발과 구현이 필요할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정확한 청력검사는 난청의 예방과 치료에 필수적이기는 하지만 무음실과 같은 설비와 정밀한 측정장비, 전문적인 청각사의 경험이 필요하므로 많은 비용과 시간이 소요되는데, 이문제를 극복하기 위해 필요한 것은?	정확한 청력검사는 난청의 예방과 치료에 필수적이기는 하지만 무음실과 같은 설비와 정밀한 측정장비, 전문적인 청각사의 경험이 필요하므로 많은 비용과 시간이 소요된다. 따라서 이 문제를 극복하기 위한 편리한 사용자 인터페이스와 정확한 알고리즘 개발이 필요하다.
	최적의 소리조절을 위해 무엇이 필요한가?	난청은 수술이나 치료가 어려운 질환으로 난청자에게 보청기를 착용하게 하는 것이 보편적으로 사용되는 방법인데, 보청기 착용시에 난청자의 청력 손실 정도를 토대로 최적화를 위한 소리조절작업이 수행되는데 이 과정을 흔히 적합(fitting)작업이라 한다. 최적의 소리조절을 위해서는 개인의 청력상태에 기반한 정확한 청력검사와 이에 따른 프로파일링이 필요한데 이는 매우 오랜 시간과 전문성이 요구되는 작업으로 보청기나 개인용 음향증폭기(PSAP: Personalized Sound Amplification Products)의 가격에 큰 영향을 준다[8].
	최적의 소리조절을 위해서는 개인의 청력상태에 기반한 정확한 청력검사와 이에 따른 프로파일링이 필요한데, 이는 어떠한 작업인가?	난청은 수술이나 치료가 어려운 질환으로 난청자에게 보청기를 착용하게 하는 것이 보편적으로 사용되는 방법인데, 보청기 착용시에 난청자의 청력 손실 정도를 토대로 최적화를 위한 소리조절작업이 수행되는데 이 과정을 흔히 적합(fitting)작업이라 한다. 최적의 소리조절을 위해서는 개인의 청력상태에 기반한 정확한 청력검사와 이에 따른 프로파일링이 필요한데 이는 매우 오랜 시간과 전문성이 요구되는 작업으로 보청기나 개인용 음향증폭기(PSAP: Personalized Sound Amplification Products)의 가격에 큰 영향을 준다[8].

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