음성, 성문 및 호흡 통합 검사 시스템의 개발

Abstract

[한글]음성은 의사소통의 기본 수단으로서 호흡기관에서 공기를 압축해서 성대와 식도, 후두개, 연구개를 거친 후 구강을 통해 배출시킴으로써 음성 신호를 만들어 낸다. 즉 음성은 호흡기관(폐, 흉곽, 호흡관련 근육)과 발성기관(성대)과 조음· 공명기관(인두, 구강, 비강)의 상호작용에 의하여 만들어지며, 각 기관은 뇌의 언어 중추 명령에 의해 제어된다. 이와 같이 음성을 만들기 위해서는 호흡, 발성, 공명 조음 기관이 종합적으로 관여를 하며, 어느 한 부분에 문제가 생기거나 혹은 복합적으로 문제가 생겼을 경우 음성장애 및 언어장애를 다양하게 발생시킬 수 있다. 또한 음성은 호흡과 매우 밀접한 관계가 있어 음성, 성대의 진동, 호흡 관계를 종합적으로 관찰할 필요가 있다. 현재 임상에서 음성 분석을 위해 사용되는 시스템은 대부분 성대의 진동을 측정하기 위해 스트로보스코프, EGG (electroglottography), 후두근전도 중의 한 방법과 음성 분석을 위한 분석 프로그램으로 구성되어 있어서 호흡 관계에 대한 측정이 배제되어 있거나, 별도로 측정해야한다. 호흡은 질병이나 기타 기능적 또는 뇌혈관 장애에 의한 음성장애 등이 있을 경우 패턴이 변화되므로 발성 기능 검사로 호흡기능을 분할할 필요가 있으며 흡기/호기의 타이밍 문제는 특히 중요하다. 본 논문에서는 선행된 연구에 의해 개발 된 음성, 성문 및 호흡 통합 측정 장치에 의해 데이터를 수집하였다. 음향학적 분석을 위해 마이크로폰으로 음성을 수집하고 음성 신호 처리를 하였으며 분석 파라미터로는 기본 주파수(pitch), 주파수 변동율(jitter), 진폭 변동율(shimmer), 소음대배음 비율(NHR : noise to harmonics ratio)및 포만트(formant)로 하였다. 성대 검사의 방법으로는 발성 시의 성대 점막의 개폐 양상을 측정할 수 있는 EGG 방법으로 데이터를 수집하고 분석 파라미터는 pitch, jitter, shimmer, NHR, 성대폐쇄비율(CQ : close quotient), 개폐속도비율(SQ : speed quotient) 및 개폐속도지수(SI : speed index)로 하였다. 호흡의 측정은 기존 장비들이 안면 전면에 마스크나 종이 대롱을 착용하여 기류를 직접 측정하는 방법을 사용하고 있어서, 정상적인 발성 혹은 조음에 지장이 초래되기 때문에 산출되는 음성 혹은 조음에 대한 객관적인 측정이나 평가의 어려움이 있었다. 본 논문에서는 흉부와 복부에 piezo respiratory belt를 착용하여 호흡에 의해 변화되는 흉부와 복부의 둘레 변화에 비례하는 전압을 감지하여 정상적인 발성과 조음 시의 호흡의 변화를 관찰 하였으며, 흉식호흡과 복식호흡의 패턴 및 복식 호흡 비율을 분석 하였다. 본 논문에서 개발된 프로그램은 음성, 성대의 진동 및 호흡 신호를 동시에 수집하고 수집된 데이터를 저장관리 할 수 있도록 구성하였다. 각 분석 화면에서 다른 신호가 피드백이 되도록 하였다. 또한 저장된 데이터에 대한 관리 화면을 구현하여 인적사항 및 측정 날짜를 나타내어 음성의 호전상황을 비교할 수 있도록 하였다. 이와 같이 본 연구에서 개발 된 시스템은 음향학적 분석, 성대의 진동상태에서의 분석 및 호흡의 측정을 동시에 측정할 뿐 아니라 각 기관을 분석하고 분석치를 동시에 출력하며 환자 관리를 할 수 있다. 앞으로 분석된 수치의 보정에 의해 정상인과 환자의 판별이 가능하거나 음성 질환에 따른 수치 분류에 의해 각 질환의 판별이 가능할 것이다. 또한 저장된 데이터의 관리에 의해 학습에 대한 활용도를 높일 수 있으리라 기대하며 실질적으로 임상에서 사용 가능하리라고 기대한다.

[영문]The voice results from communication plan, respiration, vocalization, resonance and articulation. The good vocal sound is made by systematic interaction of respiratory organs, phonatory organs, and resonance and articulation organs. Each of these organs are controlled by speech center of the brain. If a specific problem occurs on more than one of these organs, it may cause various voice and language disorders. Comprehensive examination of relationship between voice, vibration of vocal cords, and respiration need to be performed since these parameters are closely related. Many integrated systems have developed for assessment of voice. But most of them combined voice analyser with EGG (electroglottography) or stroboscope, and they cannot simultaneously assessed respiration, vocal fold, resonance and articulation.Respiration is particularly important because change in voice pattern reflects the voice disorder caused from various reasons.In this study, data was collected from the previously developed integrated system of voice, EGG, and Respiration. Parameters used for the analysis were pitch, jitter, shimmer, noise to harmonics ratio (NHR) and formant. EGG method was used to examine the vocal fold vibration and parameters used for analysis were pitch, jitter, shimmer, NHR, CQ (close quotient), SQ(speed quotient) and SI (speed index). Most of respiration analysers are complex to use or highly cost. Some of them have to be used with mouth piece or mask. Therefore, the voice measuring would be distorted or patient's position should be restricted during normal speaking. And the respiration analyser which measure only air flow from the mouth cannot know information of chest and abdominal respiration. Because the abdominal respiration is important in voice training, it needs to measure the portion of abdominal respiration in total respiration. In this study. Piezo respiratory belt was used on chest and abdominal to measure chest and abdominal respiration pattern without voice distortion and position restriction even during normal speaking.In this study, Data aquisition and analysis program was developed in order to simultaneously collect the signal of voice, EGG, and respiration. By using developed program, collected data could be saved and managed in effective way.Feedback of different signal could be done on each analysis window. Developed patient management feature contains detailed information such as sex, age and date of measurement. And this would help clinicians to keep the track of patients's voice recovery progression. By using developed integrated system and software, it was possible to simultaneously measure and analyze voice, EGG, and chest and abdominal respiration. Normal and patient could be distinguished by correcting the analyzed data and use of developed system in the clinics could enhance the learning of voice, EGG and respiration by managing the collected data.