[논문]언어치료환자를 위한 비음측정기 모듈의 구조가 비음치 산출에 미치는 영향

우승탁; 박영빈; 김주영; 오다희; 하지완; 나승대; 김명남

doi:10.9717/kmms.2019.22.2.157

언어치료환자를 위한 비음측정기 모듈의 구조가 비음치 산출에 미치는 영향
Influence of Nasometer Structure on Nasalance for Speech Therapy 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.22 no.2, 2019년, pp.157 - 166

우승탁 (Gyeongbuk Institute of IT Convergence Industry Technology) , 박영빈 (Gyeongbuk Institute of IT Convergence Industry Technology) , 김주영 (Gyeongbuk Institute of IT Convergence Industry Technology) , 오다희 (Dept. of Rehabilitation Science, Graduate School, Daegu University) , 하지완 (Dept. of Speech Pathology, Daegu University) , 나승대 (Dept. of Biomedical Eng., Kyungpook National Univeristy Hospital) , 김명남 (Dept. of Biomedical Eng., School of Medicine, Kyungpook National University)

Abstract ▼ AI-Helper

With the development of medical technology, interest in rehabilitation devices is increasing and various devices are being studied. In particular, devices for speech disorders such as hearing impairment and cleft palate are attracting attention. In general, the nasometer is used for patients with flaccid dysarthria and velopharyngeal incompetence(VPI). However, in the case of the conventional separator type nasometer, that has an acoustic feedback problem between the oral and nasal sounds. In recent, the mask type nasometer has been developed which is insensitive to acoustic feedback. But, still not popularized. In this paper, the nasometer characteristics of the conventional separation type and mask type are analyzed. Also, We were obtained clinical acoustic data from the 6 subjects and examined the significant differences in the structure of the separation type and mask type nasometer. Through experiments, it was confirmed that the measurement was about 3~15% higher in the mask type nasometer than the conventional nasometer having a separator type. Also, We was considered the necessity of nasometer signal processing for acoustic feedback reduction and nasalance calculation optimization.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic of the conventional nasometer for a patient.
그림 Fig. 2. Experimental schematic of the conventional nasometer.
그림 Fig. 3. Experimental environment (a) picture and (b) results of the microphone sensitivity at the nasometer.
그림 Fig. 4. FFT results (a) nasal microphone at the separation type nasometer, and (b) oral microphone.
그림 Fig. 5. Experimental results (a) blockdiagram and (b) the acoustic feedback effect.
표 Table 1. The distortion and maximum input level of nasal and oral microphone.
그림 Fig. 6. (a) Experimental schematic and (b) environment using the separation type nasometer, and (c) closed field mask type nasometer.
표 Table 2. The imformation of subject for nasalance analysis
그림 Fig. 7. Measured spectrum about vocal signal of male using the separation type nasometer (a) /α/, (b) /mama/, (c) /mimi/, and measured spectrum about vocal signal of male using the mask type nasometer (d) /α/, (e) /mama/, (f) /mimi/.
그림 Fig. 8. Measured spectrum about vocal signal of female using the separation type nasometer (a) /α/, (b) /mama/, (c) /mimi/, and measured spectrum about vocal signal of female using the mask type nasometer (d) /α/, (e) /mama/, (f) /mimi/.
표 Table 3. The imformation of subject for nasalance analysis.
그림 Fig. 9. Nasalance results comparison (a) males and (b) females, correlation coefficient results comparison (c) males and (d) females.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 공명장애환자를 위해 일부 사용되는 범용의 나조미터 특성을 분석하였으며, 분리판 형태의 기존 나조미터가 가지는 구조적 문제점에 대해 고찰하였다. 특히, 분리판 구조가 가져오는 음향피드백의 영향을 확인하였으며, 실험결과 약 6∼12dB의 크기로 비강 마이크로폰에 간섭영향을 미치는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 범용적으로 사용되는 분리판 형태 나조미터가 가지는 구조적 문제점과 구강 및 비강음 사이에서 발생하는 음향피드백의 영향을 고찰하였으며, 나조미터내 마이크로폰의 감도 및 THD(total harmonic distortion) 특성을 분석하였다.
본 논문에서는 분리판 형태의 Glottal社 나조미터를 이용하여 마이크로폰 특성을 분석하였다. 나조미터의 구성요소중 가장 중요한 부품은 외부의 소리신호를 포집하여 신호처리 장치로 전달하는 마이크로폰이며, 마이크로폰은 입력장치로서 우수한 감도(Sensitivity) 및 넓은 주파수 대역이 요구된다.

제안 방법

또한, 구강과 비강 음을 측정하기 위한 나조미터의 음향포집구조 형태에 따른 비음치 산출 연구 결과는 보고된 바 없다. 따라서, 본 논문에서는 기존 분리판 형태의 나조미터와 마스크 형태의 나조미터의 음향포집특성을 비교하였으며, 측정된 음성신호의 상관계수 및 비음치 산출을 통해 유의미한 결과를 확인하였다.
나조미터내 두 개의 마이크로폰 주파수 특성은 유사하며 7 kHz대역 이후에서 6 dB 이상의 차이를 보였다. 또한, 나조미터 마이크로폰 포집신호의 왜곡도를 평가하기 위해 0.5, 1, 2, 4 kHz 대역에서의 THD를 측정하였다. 일반적으로 마이크로폰의 THD는 인가된 기준신호 이외에 주파수 대역에서 분산된 불필요한 고조파 성분으로 인한 왜곡도를 평가하는 지표로 사용되며, 식 (2)와 같이 표현 된다.
또한, 성인남녀 각각 3명의 피시험자를 통해 표준 단어를 발화하였을 때 나조미터내 비강 및 구강 마이크로폰을 통해 포집되는 음성신호의 주파수특성, 상관계수 및 비음치를 분석하였으며, 최근 주목받고 있는 차폐된 마스크형태의 나조미터와 특성을 비교하였다.
본 논문에서는 범용의 분리판 형태 나조미터와 차폐된 마스크 형태의 나조미터를 이용하여 발화에 따른 음성신호의 주파수 특성, 상관계수 및 비음치를 산출하여 분석하였으며, 두 가지 모듈이 가지는 유의미한 차이점을 고찰하였다. 음성발화를 위한 실험대상자는 남녀 각각 3명으로 대상자 정보는 Table 2와 같다.
일반적으로 상관계수는 두 신호 x, y의 표본 평균 #, #, 그리고 표준 편차를 이용하여 상관계수를 구할 수 있다[16]. 상관계수의 비교는 동일 단어 발화시에 구강 및 비강 마이크로폰을 통해 측정된 두 음성신호를 이용하여 분석하였다.
음향피드백의 영향분석을 위해 표준스피커를 통해 0.1∼10 kHz 대역, 94 dB SPL의 pure tone 음을 구강 마이크로폰으로 인가하였으며, 이때 음향피드백을 통해 비강 마이크로폰으로 포집되는 신호의 크기를 측정하여 구강 마이크로폰신호와의 차이를 산출하였다.
특히, 모음연장발성단어 /α/, 표준 비음 단어 /mama/, /mimi/를 피시험자 남녀 각각 3명을 통해 발화하여 임상적 유용성을 가지는 음성데이터를 취득하였으며, 주파수변환분석을 통해 음향포집구조에 따른 주파수 억제 특성을 확인하였다.
표준 스피커(FR16WP, Visaton)를 통해 0.1∼10kHz대역, 94 dB SPL의 pure tone 음을 1m거리에 있는 나조미터의 마이크로폰 및 기준 마이크로폰(ER10B, Etymotic.)에 인가하였으며, 신호발생 및 수집장치(NI DAQ-9137, National Instruments)를 통해 각각의 마이크로폰 감도를 측정하였다.

대상 데이터

시험대상자는 모음연장발성 검사어 /α/, 비음단어 /mama/ 및 /mimi/를 발화하였으며, 나조미터의 구강 및 비강 마이크로폰을 통해 발화된 음성신호를 포집하였다.
본 논문에서는 범용의 분리판 형태 나조미터와 차폐된 마스크 형태의 나조미터를 이용하여 발화에 따른 음성신호의 주파수 특성, 상관계수 및 비음치를 산출하여 분석하였으며, 두 가지 모듈이 가지는 유의미한 차이점을 고찰하였다. 음성발화를 위한 실험대상자는 남녀 각각 3명으로 대상자 정보는 Table 2와 같다.

데이터처리

분리판 및 마스크형태의 나조미터내 구강 및 비강 마이크로폰으로부터 각각 측정된 음성신호는 MATLAB 프로그램을 이용하여 주파수 분석되었으며, 분석결과는 Fig. 7, 8과 같다.

성능/효과

7, 8의 (d), (e), (f))들은 분리판 형태의 나조미터를 통해 측정된 음성신호(Fig. 7, 8의 (a), (b), (c))들 보다 상대적으로 200Hz 기준 이상의 고주파 대역에서 성분이 억제되었으며, 200Hz 이하 대역의 성분은 증가하였다. 이는 나조미터의 마스크 구조가 가지는 주파수 필터 특성을 반영한 결과이며, 상대적으로 분리판 형태보다 음향피드백의 영향에 둔감한 특성을 보인 것으로 볼 수 있다.
)에 인가하였으며, 신호발생 및 수집장치(NI DAQ-9137, National Instruments)를 통해 각각의 마이크로폰 감도를 측정하였다. 구강 및 비강 마이크로폰은 각각 약 1 kHz구간에서 공진이 발생하였으며, 구강 마이크로폰은 평균 -45dB, 비강 마이크로폰은 평균 -42dB(0dB=1V/Pa)의 감도특성을 보였다. 나조미터내 두 개의 마이크로폰 주파수 특성은 유사하며 7 kHz대역 이후에서 6 dB 이상의 차이를 보였다.
구강 및 비강 음성신호간의 남자 평균 상관계수의 경우 분리판보다 마스크형태의 나조미터에서 약 0.20∼0.45(/α/, /mama/) 높게 산출되었으며, /mimi/단어의 경우 약 0.01 미약하게 높은 결과를 보였다.
그리고 상관도가 높아짐으로써 피시험자의 비음치는 분리판 형태의 나조미터 결과보다 약 5∼15% 정도 낮게 나오는 결과를 보인다.
나조미터내 비강 및 구강 마이크로폰은 94 dB SPL입력 신호에 대하여 0.5, 1, 2, 4 kHz 대역 각각 0.098∼0.447의 왜율을 보였으며 특히, 1 kHz 공진 대역에서 높은 왜율을 보였다.
또한, 본 연구를 통해서 피시험자의 단어발화시 설단의 위치에 따라 비음치가 달라지는 것을 확인하였다.
또한, 왜율 1%로 기준하였을 때 최대 입력 레벨은 100.99∼114.12 dB SPL의 특성을 보였다.
특히, 모음연장발성단어 /α/, 표준 비음 단어 /mama/, /mimi/를 피시험자 남녀 각각 3명을 통해 발화하여 임상적 유용성을 가지는 음성데이터를 취득하였으며, 주파수변환분석을 통해 음향포집구조에 따른 주파수 억제 특성을 확인하였다. 마스크 형태가 가지는 차폐구조는 약 200Hz 대역을 기준으로 저역통과필터 특성을 보이며, 이를 통해 분리판 형태의 나조미터보다 구강 및 비강 음 간의 상관도를 높이고 비음치가 상대적으로 낮게 측정되는 결과를 보인다.
실험 및 비교를 통해 범용의 분리판 형태를 가지는 나조미터보다 마스크 형태의 나조미터에서 약 3∼15% 높게 측정된 것을 확인하였으며, 향후 음향피드백 경감 및 비음치 산출 최적화를 위한 나조미터용 신호처리 기법의 필요성을 고찰하였다.
실험대역인 0.1∼10 kHz 대역에서 평균 약 8dB의 간섭영향을 확인하였으며, 2 kHz 대역 이상에서 다소 높아지는 특성을 보였다.
특히, 분리판 구조가 가져오는 음향피드백의 영향을 확인하였으며, 실험결과 약 6∼12dB의 크기로 비강 마이크로폰에 간섭영향을 미치는 것을 확인하였다.

후속연구

따라서, /α/, /e/, /i/, /o/, /u/ 등의 모음에 따른 설단 위치를 분석하고 나조미터의 비음치 산출에 미치는 영향에 대한 연구가 추가적으로 필요하다.
설단의 위치는 해부학적으로 비강과 구강 사이 개폐 또는 차폐를 결정짓게 되며, 이러한 기전은 자연스럽게 비음치 산출에 영향을 미치게 된다. 본 연구결과는 나조미터의 음향포집구조에 따른 비음치 산출 영향에 대해 고찰하였으며, 향후 다양한 임상 유용성을 가지는 실험과 신호처리 알고리즘의 구현을 통해 한국형 나조미터 연구에 적용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연인두기능부전의 정의는?	근긴장저하(hypotonia), 약증(weakness) 등의 임상적 특성을 갖는 이완형 마비말장애(flacciddysarthrias), 입술 또는 입천장이 완전하게 융합되지 못한 구순구개열 환자들은 정상인에 비해 비강음 수치가 높게 나타난다. 특히 연인두매커니즘이 정상적으로 작동하지 않는 연인두기능부전(velopharyngeal incompetence, VPI) 환자의 경우 성대진동에 의해 만들어진 후두음원이 기질적·기능적 결함으로 인해 비정상적으로 증폭되어 공명장애의 하위유형인 과다비성을 초래할 수 있다[6-11]. 이와 같이 구어산출매커니즘의 한 요소인 공명에 장애가 발생할 경우, 일상적인 의사소통에 어려움을 갖게 된다.
	공명장애치료의 한계점은?	공명장애치료를 위해서는 구강 및 비강음에 해당하는 정확한 크기의 음향신호를 포집하여야 하며, 특히, 구강 및 비강음 사이의 간섭영향이 없어야 한다. 하지만, 기존의 나조미터의 경우 구강음이 비강음을 포집하는 마이크로폰에 영향을 미치는 음향 피드백에 대한 영향 및 신호처리기법이 미비한 실정이며, 대부분 음향피드백을 간과하고 측정된 데이터 및 치료사들의 주관적인 판단에 의존하고 있다. 이러한 음향 피드백의 영향은 구강에서 발생된 음향신호가 비강 마이크로폰에 영향을 미침으로서 비음치(nasa-lance) 연산에 낮은 신뢰도를 야기시킨다[12].
	공명장애치료를 위한 조건은?	공명장애치료를 위해서는 구강 및 비강음에 해당하는 정확한 크기의 음향신호를 포집하여야 하며, 특히, 구강 및 비강음 사이의 간섭영향이 없어야 한다. 하지만, 기존의 나조미터의 경우 구강음이 비강음을 포집하는 마이크로폰에 영향을 미치는 음향 피드백에 대한 영향 및 신호처리기법이 미비한 실정이며, 대부분 음향피드백을 간과하고 측정된 데이터 및 치료사들의 주관적인 판단에 의존하고 있다.

참고문헌 (17)

A.E. Aronson, Clinical Voice Disorder , Thieme Station, New York, 1985.
D.R. Borden and S.C. Macfarlane, The Voice and Voice Theraphy, Allyn and Bacon, Boston, 2000.
J.E. Kang, “The Relationship between Speaker Factors and Speech Intelligibility of Children with Cleft Palate,” Communication Sciences and Disorders, Vol. 14, No. 3, pp. 338-348, 2009.
J.N. Lee, G.H. Lee, S.D. Na, K.W. Seong, J.H. Cho, and M.N. Kim, "Noise Cancellation Algorithm of Bone Conduction Speech Signal Using Feature of Noise in Separated Band," Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 19, No. 2, pp. 128-137, 2016.

원문보기 상세보기
H.G. Shin, “Assessment and Treatment of the Cleft Palate Speech Disorder by Use of the Nasometer,” Korean Cleft Lip and Association, Vol. 11, No. 1, pp. 1-11, 2008.
S.E. Lim, "Nasalance Scores of 5 to 7-Year-Old Korean Children," Journal of the Korean Academy of Speech-language Pathology and Audiology, Vol. 10. No. 3, pp. 71-88, 2005.
S.G. Kang, "Study on Nasalance of in Five-age Children," Journal of the Korean Society of Special Education, Vol. 1. No. 2, pp. 12-22, 2000.
S.J. Jang and H.J. Choi, "Effect of Percentage of Correct Consonants and Nasalance Score on the Speech Intelligibility and Acceptability in Adults with Dysarthria," Journal of Rehabilitation International Korea, Vol. 20. No. 3, pp. 67-82, 2016.
G. Ziade, M. Kasti, and D. Sarieddine, "Clinical Application of Nasometry in Patients with Nasal Obstruction," Ear, Nose, and Throat Journal, Vol. 96. No. 10, pp. 1-4, 2017.
H.S. Shim, Treatment Device for Voice Disorders, 10-1114920, Korea, 2012.
National Rehabilitation Center, The Language Rehabilitation Treatment Method and the Language Rehabilitation Treatment Apparatus, 10-1703253, Korea, 2017.
S.T. Woo, Nasometer to Relieve Acoustic Feedback and Method Thereof, 10-0161983, Korea, 2018.
T. Watterson, K. Lewis, and T. Brancamp, "Comparison of Nasalance Scores Obtained with the Nasometer 6200 and the Nasometer II 6400," The Cleft Palate-Craniofacial Journal, Vol. 42. No. 5, pp. 574-579, 2005.

상세보기
H.C. Tou, Smart Nasometer, 15/686,207, USA, 2018.
S.T. Woo, J.H. Han, J.H. Lee, S. Cho, K.W. Seong, M. Chol, et al., "Realization of a High Sensitivity Microphone for a Hearing Aid Using a Graphene-PMMA Laminated Diaphragm," American Chemical Society Applied Materials and Interfaces, Vol. 9. No. 2, pp. 1237-1246, 2017.

상세보기
J. Eargle, The Microphone Book, Butterworth-Heinemann, Oxfordshire, 2005.
L.J. Raphael, Speech Science Primer, Lippincott Williams and Wilkins, Baltimore, 2013.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증