음성, 성문 및 호흡의 통합 검사 장치 개발

Abstract

[한글]언어구사는 의사 전달내용의 계획으로부터 호흡, 발성 및 공명과 조음 등의 일련 된 과정을 거친 결과이다. 좋은 발성의 조건을 위해 호흡, 발성, 공명과 조음기관이 유기적으로 기능을 잘 해야 하므로, 종합적으로 분석할 필요성이 있다. 이를 위해 많은 장비들과 분석 프로그램들이 개발되어 왔다. 그러나 기존의 통합 검사 장비들은 음성과 EGG, 음성과 스트로보스코프, 음성과 호흡 등 두 개의 기관을 동시에 측정하여 분석할 수 있게 되어 있으나, 발성 중 3개 기관을 동시에 측정 분석하지는 못한다.

본 논문에서는 발성 시 마이크 입력을 통해 음성의 음향학적 분석, 4전극 방식의 EGG를 이용한 성대의 분석, 2 채널 인덕턴스 호흡측정기 (RIP : respiratory inductive plethysmography) 이용하여 음성의 공기역학적 검사가 동시에 가능한 4 채널 통합 검사 장치를 개발하였다.

EGG는 스트로보스코피나 후두근전도에 비해 성대의 검사에 있어서 비관혈적이며 검사방법이 간단하며 저렴하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 피부와의 접촉 임피던스 영향을 줄이고 감도가 좋은 4 전극 방식을 사용하였다.

호흡은 발성의 에너지원으로서 중요하다. 대부분의 호흡측정기는 측정방법이 복잡하거나 고가이다. 또한, 마스크나 마우스피스를 입에 대는 경우는 음성 신호의 왜곡이나 측정 자세가 제한되기 때문에 정상 발성 중의 호흡 기능에 대한 정보를 얻기 힘들다. 좋은 발성을 위해서는 복근 훈련 및 여러 가지 호흡 훈련을 통해 효율적인 복식 호흡 훈련을 유지하도록 한다. 그러나, 구강을 통해 배출되는 흡기와 호기만으로 호흡을 측정하기 때문에 흉식과 복식 호흡에 대한 구분을 할 수 없다. 2 채널 RIP는 흉부와 복부에 각각 밴드를 착용함으로써 자세 변화나 음성의 왜곡 없이 호흡을 측정할 수 있었다.

측정된 데이터는 음성분석의 기본 파라미터가 되는 피치(pitch), 주파수 변동율(jitter), 진폭 변동율(shimmer), 신호대 잡음 비율(HNR : harmonics to noise ratio), 포만트(formant), 스펙트로그램(spectrogram) 등, EGG의 기본 파라미터가 되는 피치(pith), 주파수 변동율(jitter), 진폭 변동율(shimmer), 신호대 잡음 비율(HNR), CQ(close quotient), SQ(speed quotient) 등, 호흡에서는 흡기 및 호기 시간, 변동율 및 빈도, 흉부와 복부의 호흡 비율 등의 분석이 가능하였다. 또한 데이터의 수집 화면에서는 개인의 최대 흉식 호흡 범위와 최대 복식 호흡 범위에 대하여 호흡 시 흉식과 복식 호흡의 비율을 시각적으로 보여줌으로써, 복식 호흡 훈련에 대한 피드백으로 활용이 가능하다.

또한 자기 상관법을 사용하여 피치를 계산하는 과정에서 피치 계산을 위한 윈도우의 크기와 윈도우 이동에 대한 설정이 필요 없이 모든 피치 프레임을 검출하는 방법과 HNR 계산에 있어서 피치 변화에 대한 정규화를 위해 일반적으로 사용하는 DWT(dynamic warping transform)와 음성의 진폭 변화가 심한 구간에서도 정확한 추정이 가능하도록 진폭을 정규화하는 과정을 제시하였다.

본 논문에서 개발된 시스템으로 발성 시 피검자의 자세나 조음기관에 영향을 주지 않으면서 음성, EGG, RIP를 통한 흉식과 복식 호흡의 동시 관찰이 가능해 졌다. 앞으로 호흡량의 물리적인 값과의 보정 및 분석 프로그램의 보완을 통해 좀 더 유용한 수단이 될 것으로 사료된다. 이러한 음성의 통합 분석 시스템을 활용하면 음성장애 연구와 음성치료 및 음성훈련에 긴요하게 쓰일 것으로 기대한다.

[영문]The voice is a result from communication plan, respiration, vocalization, and resonance and articulation. The good vocal sound is made by systematic interaction of respiratory, vocal, and resonance and articulation organ. Many integrated equipments have developed for assessment of voice. But most of them combined voice analyser with EGG(electroglottography) or strobescopy, and they cannot assessed the respiration, vocal fold, and resonance and articulation simultaneously.

In this study, 4 channel integrated system were developed for acoustic analysis using microphone, vocal fold vibratory analysis using 4-electrode EGG, and aerodynamic analysis using 2 channel RIP(respiratory inductive plethysmography).

EGG is non-invasive method to examine vocal fold vibration, and it is much cheaper and easier to use than strobescopy and laryngeal electromyogrphy. 4-electrode system was used to reduce skin impedance effect and higher sensitivity in this study.

Respiration analysis is important in vocalization as a energy source of voice. 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 is need to measure the portion of abdominal respiration in total respiration. 2 channel RIP used inductive bands on chest and abdomen, respectively, and it could measure indirectly chest and abdominal respiration pattern without voice distortion and position restriction even during normal speaking.

The measured data could be analyzed by follow parameters; pitch, jitter, shimmer, HNR(harmonics to noise ratio), formants, and spectrogram in voice channel; EGG pitch, jitter, shimmer, HNR, CQ(close quotient), and SQ(speed quotient) in EGG channel; and inspiration

expiration time and rate in chest and abdomen RIP channel, and ratio of chest and abdomen. Because the chest and abdomen respiration percentage are calculated and displayed during data acquisition, the visual feedback is also available.

To calculate pitch in voice, the autocorrelation method was adapted. By using the adaptive variable window size and widow shift, it was possible to detect at every pitch frame not in window frame without setting up window size. DTW(dynamic time warping), general method to reduce to pitch perturbations, was used to calculate HNR. And amplitude normalization was proposed to reduce amplitude perturbations.

By using this integrated analysis system, it was possible to measure voice, EGG, and chest and abdomen respiration, simultaneously, without limitation of normal speaking. But it is need to supplement the analysis program and the database of normal and pathological voice using this developed system. It is expected that the developed system would be useful tools in assessment of voice disorder, voice therapy, voice training, and etc.