Digitalized Stimulus Synthesis System for Audiological Evaluation.

Lim, Duk hwan

Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery > Volume 42(7); 1999 > Article

Original Article

Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 1999;42(7): 816-819.

Digitalized Stimulus Synthesis System for Audiological Evaluation.

Duk hwan Lim

Department of Otolaryngology, College of Medicine, Seoul National University, Seoul, Korea. wavelet@plaza.snu.ac.kr

청각기능검사를 위한 다기능 디지털 전산 자극음 합성 시스템

임덕환

서울대학교 의과대학 이비인후과학교실

주제어: 음자극ㆍ청각ㆍ주파수ㆍ디지털 전산 합성ㆍ청력검사.

ABSTRACT

Background and Objective: Fast and reliable methods of synthesizing various auditory stimuli have been demanded both in clinical and in experimental auditory evaluations. Computerized digital stimulus synthesis system was developed to achieve the accuracy of stimulus waveforms, the simplicity of controlling stimulus parameters, and the flexibility of generating complex stimuli.
MATERIALS AND METHODS:
The system consisted of an AD / DA Board (GW Instrument), Macintosh computer system (Apple Computer Inc), and custom-made timing devices to digitally synthesize auditory stimuli. Developed programs controlled various parameters of this hardware system in real time.
RESULTS:
The system generated pure tones (default frequency range: 0.001-25000 Hz), harmonic stacks (components up to 10 tones), white noises (with various Gaussian variances). These synthesized stimuli were controlled by systematically varying presentation parameters such as rise / fall times, presentation duration, repetition rates, and phase relationship between frequencies.
Conclusion
s: This stimulus synthesis tool was fast, exact, and versatile in generating and controlling stimuli for the audiological evaluation.

Keywords: Auditory stimulusㆍFrequencyㆍAudiometryㆍDigital synthesis

서론 임상적으로 흔히 쓰이는 순음검사는 한가지 주파수 성분을 갖는 단순음이 주종을 이루고 있다. 보통 상품화된 임상검사기기에서는 이러한 단순음의 주파수범위나 자극 변수 조절이 상당히 제한되어있다. 더구나 최근에 관심과 연구가 진행되고 있는 복합음 청력검사나 이명재활에 쉽게 사용할 수 있는 상품화된 음자극 기기는 구할 수가 없는 실정이다.1-4) 예를 들면, 여러 가지 순음성분의 조합에 대한 청력검사를 하는 경우에는 적절한 자극음 합성기가 필요한데, 기존의 아날로그 시스템으로 직접 구성하는 경우에는 임의의 변수조절이나 정확도면에서 상당히 기술적으로 어려운 문제점들을 해결해야 한다. 본 연구에서는 기존의 순음뿐 아니라 여러 순음이 동시에 존재하는 복합순음과 백색잡음을 전산 합성할 수 있는 시스템을 개발하였다. 이때 음의 주파수 범위는 가청영역을 모두 포함시키고, 그 진폭과 초기위상도 독립적으로 조절하며 다음과 같은 음자극의 변수들을 조절 가능하게 하고자 하였다. 첫째, 음의 Rise/Fall time의 조절을 임의의 값으로 쉽게 조절할 수 있게 한다. 둘째, 평균가산시에 필요한 음자극의 반복횟수 등을 임의로 조절 가능하게 한다. 셋째, 여러 순음이 동시에 합성될 경우에 각 순음간의 위상 및 진폭 관계를 정확히 조절할 수 있게 한다. 이러한 목적하에서 사용자의 인터페이스가 쉽게 설계된 개인 컴퓨터를 이용한 디지털 전산 음자극 합성 시스템을 개발하여 순음, 복합음, 백색잡음과 같은 음자극 신호들을 합성하였다. 재료 및 방법 본 시스템은 하드웨어 기반으로 사용자 인터페이스가 비교적 안정된 Macintosh 컴퓨터(Apple Computer Inc)를 이용하였다. 그리고, 디지털 신호 및 아날로그 신호간의 변환을 위하여 A / D & D / A Board(GW Instrument)를 사용하였다. 그리고 이들 기기의 연결 및 조정을 위하여 별도의 timing circuit들이 개발 제작되어 사용되었다. 이들의 하드웨어적인 구성은 다음과 같다(Fig. 1). 여기서 합성음의 sampling rate는 기본값을 50kHz로 하였고, 음자극 합성 시스템의 디지털-아날로그 변환의 최종단에는 아날로그 방식의 Low Pass Filter가 제작되어 연결되었다. 최종 신호크기의 조절은 attenuator(HP Corp)를 사용하여 1 dB 단위로 조절되게 하였다. 이 시스템에서 합성되는 음들은 다음과 같은 합성과정을 거치게 하였다(Fig. 2). 본 시스템에서 합성가능한 자극음들은 단일 주파수 성분의 순음과 여러 순음이 동시에 조합된 harmonic stack, 그리고 통계적으로 Gaussian 분포를 갖는 백색잡음들로 이루어져 있다. 우선 음자극 길이변수가 정해져서 합성되면, 음의 시작과 끝부분을 조절하는 rise / fall time이 조절되게 된다. 이 변수 조정이 끝나면, 다음 과정으로 자극음의 반복횟수를 조절하는 repetition rate가 조절된다. 모든 자극발생과 변수조절은 C 언어와 기계어를 중심으로 프로그래밍되었고 최종 자극음은 음압측정 시스템을 통해서 calibration되었다.5) 결과 본 과제를 통해서 개발된 디지털 전산합성 시스템은 다음과 같은 특징들이 확인되었다. 첫째, 시스템 메모리의 크기가 허용하는 범위 내에서 자극음의 길이가 자유롭게 조정될 수 있었다. 음자극 길이의 기본 최대값은 10초로 고정되었다. 둘째, 단순음의 경우에 음의 주파수는 기본범위로 0.001 Hz에서 25 kHz까지, 진폭의 dynamic range는 120 dB까지, 그리고 순음의 초기위상은 0에서 360도 까지 임의의 값으로 연속적으로 조정 할 수 있었다. 이러한 특징들이 시간에 따라서 변화하지 않는 것이 확인되었다. 셋째, harmonic stack의 경우에 구성 주파수 값과 각 주파수간의 위상 및 진폭관계를 정확하게 조정할 수 있었다. 이러한 점들은 기존의 아나로그 시스템에서는 얻기 어려운 결과들 이었다. 넷째, 실시간으로 합성되는 백색잡음은 진폭특성이 분산에 의해서 조정되었고, 백색잡음의 특성이 정확한 Gaussian 통계분포가 되도록 조절할 수 있었다. 다섯째, 어음과 같은 자연음을 자극음으로 쓰기위한 방법으로, 자극음 파일 처리가 가능하게 하였다. AD / DA변환회로를 이용해서 임의의 자연음을 그 기본 조정 범위 주파수 성분이 25 kHz 이내인 조건을 만족하는 해당 자극음 파일로 만들고 이 자극음을 수정, 편집할 수 있으며, 이러한 자극들은 순음, 복합순음, 백색잡음의 경우에서와 같이 여러 자극 변수들이(rise / fall time, 합성순서, 반복횟수, 주파수 성분 변조) 조정되어질 수 있게 하였다. 다음은 합성된 순음의 한 예이다(Fig. 3). 이 순음자극의 주파수는 45.38 Hz 이고, 음의 지속 길이는 500 msec 이다. 자극의 시작과 끝의 모양을 결정하는 rise/fall time은 연속된 값 중에서 100 msec 로 하였다. 이 합성된 파형은 sam-pling rate를 50 kHz로 한 경우에 얻어진 파형이다. 이러한 연속적인 임의의 주파수, rise / fall time, 그리고 음자극 길이는 기존의 청력검사기기에서는 얻기 어려운 값들이다. 다음은 여러가지 순음을 합성한 harmonic stack의 예이다(Fig. 4). 합성된 구성 순음들은 10, 20, 30, 40, 120, 130 Hz 이고 이들 순음간의 위상차는 0°이다. 이 예에서 자극음의 지속시간은 500 msec이고 rise / fall time은 100 msec로 하였다. 이러한 여러변수들은 어떠한 값으로도 쉽게 변환될 수 있었다. 이러한 합성음의 특징은 주파수간의 관계가 정배수로 이루어져 있다는 점이다. 다음은 각 주파수 관계가 정배수가 아닌 파형을 합성한 결과이다(Fig. 5). 이 파형에서 구성주파수는 17, 31, 79, 459 Hz 이고 이들 위상간의 차이는 임의의 여러 연속값 중에서 0°로 하였다. 이 음자극 길이는 500 msec 이고 rise / fall time은 100 msec 이다. 청력검사에서 흔히 쓰이는 백색잡음의 경우는 그 통계적 특성이 중요한데, 본 시스템에서 이러한 분포 값을 자유롭게 정의할 수 있었다(Fig. 6). 이 백색잡음은 variance가 0.267로 조정되었으며, 음자극 길이와 rise / fall time은 각각 500 msec와 100 msec로 합성되었다. 본 연구에서 완성된 시스템을 이용하여 합성 가능한 음자극들은 다음과 같은 사양을 보였다. 첫째, 순음의 경우는 0.001 Hz에서 25 kHz까지 합성 가능하였다. 이때 초기위상이나 진폭도 연속적으로 조정하여 정의 할 수 있었다. 둘째, 복합순음(harmonic stack)인 경우는 10개 까지의 구성 순음들을 합성할 수 있었다. 이때 각각의 순음들의 특성도 독립적으로 변수화하여 조절할 수 있었다. 셋째, rise / fall time은 어떤 음자극인 경우에도 음자극 자체의 길이 내에서는 연속적으로 그리고 임의적으로 변환시킬 수 있었다. 넷째, 백색잡음의 variance, duration, rise / fall time도 다른 순음자극의 경우와 마찬가지로 변수를 임으로 연속 조절할 수 있었다. 다섯째, 어음과 같은 자연음은 디지털화된 자극을 파일형태로 바꾸어 전산합성된 순음이나 복합음 경우에서처럼 반복횟수와 같은 자극 변수들을 조절하고 그 동기신호를 발생시킬 수 있었다. 이는 자연음들을 averaged evoked potential을 이용한 청력검사법에도 사용 가능하게 하는 장점이다. 고찰 본 시스템을 이용하여 순음, 복합순음, 백색잡음이 전산합성되었다. 이들 자극 신호는 기존의 청력검사기에서 사용되는 음보다 왜곡이 적은 파형을 정확하게 나타내었고 그 주파수, 위상, 진폭등을 더 넓은 범위에서 연속적으로 변화시킬 수 있었다. 그리고, rise / fall time, repetition rate등과 같은 변수들을 조직적으로 변화 시킬 수 있어 평균가산을 필요로하는 여러가지 청력검사에서도 합성된 자극들이 쉽게 응용될 수 있는 특징이 있었다. 예를 들면, 임의의 순음 주파수를 갖는 고주파수 청력검사나 어음인지와 관련된 구성 순음간의 상호간섭 효과를 분석하는 청력검사에도 이용될 수 있을 것이며,1)3) 이명치료에 쓰이는 특수음을 디지털 파일 형태로 합성 처리할 수도 있다.4) 특히 기존의 아날로그 합성기에서는 할 수 없었던 위상차 조정과 같은 여러 가지 어려운 문제들을 쉽게 해결할 수 있는 장점들이 확인되었다. 현재 기본으로 설정되어 있는 sampling rate를 더 높이면 더욱 정밀한 파형과 더 넓은 주파수 대역의 자극음들이 얻어지는데 가청영역에서는 불필요하고 가청영역보다 더 넓은 대역의 동물을 이용한 실험에서는 유용하리라고 판단된다. 그동안 많은 음자극기들이 있어 왔지만 청력검사를 주 목적으로 개발된 것 중에서 다양하고 간단한 구조를 가진 시스템은 없었다. 기존의 상품화된 아나로그 시스템들은 그 기능이나 변수조정이 단순하거나, 거의 고정되어있었고, 부피를 많이 차지하는 하드웨어들로 복잡하게 연결되는 구조를 이루었다. 더구나, 이러한 시스템들은 시간이 지나면서 그 특성들이 변화되는 경우가 대부분이다. 최근에 볼 수 있는 소수의 상용 디지털 시스템의 경우에는 거의 대부분 하드웨어적인 모듈들이 많이 사용되어서 공간을 많이 차지하고 있거나, 일반 사용자에게는 그 사용법이 복잡하였다. 반면에, 간단한 시스템인 경우에는 자극음 종류나 그 변수조정이 극히 제한된 기능만을 나타내는 경우가 대부분이었다. 본 시스템에서는 가능한 많은 하드웨어적인 부분들을 소프트웨어로 대치하여 음자극기의 부피가 줄어들었고, 여러가지 음자극들을 실시간으로 쉽게 만들고, 그 자극들의 다양한 변수 조절을 조직적으로 할 수 있게 되어있다. 또한, 이러한 음자극들을 다른 검사기기와 동기시킬 수도 있어서, 쉽게 주변 검사기기와 연결될 수 있다는 특징이 있었다. 결론 동물실험이나 임상실험에서 청각과 관련된 검사를 할 때 기존의 상품화된 음자극보다 다양한 형태의 음자극들이 필요한 경우들이 있다. 이러한 자극들을 정확히 그리고 빠르게 합성해내는 디지털 전산합성음 발생 시스템이 개발되었다. 이러한 전산시스템을 통해서 합성된 순음, 복합순음, 백색잡음들은 음향적으로 저 왜곡율과 같은 우수한 특성들을 보여주었고, 그 자극을 조절하는 변수들을 사용자가 쉽게 조정할 수 있었고, 다른 검사기기와도 동기시킬 수 있어서, 청력과 관련된 임상 및 실험 연구에 유용하게 응용되리라고 판단된다.
REFERENCES
1) Sammeth CA, Burkard RF, Hecox KE. Effects of relative starting phase and frequency separation of two-tone stimuli on the brain-stem auditoryevoked response. J Acoust Soc Am 1991;90:1405-9. 2) Sams M, Paavilainen P, Alho K, Naatanen R. Auditory frequency discrimination and event-related potentials. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 1985;62:437-48. 3) Winkler I, Paavilainen P, Alho K, Reinikainen K, Sams M, Naatanen R. The effect of small variation of the frequent auditory stimulus on the event-related brain potential to the infrequent stimulus. Psychophysiology 1990;27:228-35. 4) Penner MJ, Jastreboff PJ. Tinnitus: Psychophysical observations in humans and an animal model. In: Van De Walter TR, Popper AN, Fay RR, editors. Clinical aspects of hearing. New York: Springer-Verlag;1996. p.258-304. 5) Beranek LL, Acoustical Measurements. Revised Edition, Acoustical Society of America;1988.