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Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 1997;40(8): 1156-1161. |
| Effects of Aging and Smoking on Acoustic Characteristics of Voice. |
| Soon Yuhl Nam, Eui Cheol Nam, Kwang Sun Lee |
| Department of Otolaryngology, College of Medicine, University of Ulsan, Seoul, Korea. |
| 노화와 흡연에 따른 음성의 변화 |
| 남순열 · 남의철 · 이광선 |
| 울산대학교 의과대학 서울중앙병원 이비인후과학교실 |
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| ABSTRACT |
OBJECTIVE: To evaluate aging and smoking effects on acoustic characteristics of voice.
MATERIALS AND METHODS:
Sixty men and sixty women representing two chronological age Groups(young and elderly, i.e. 20-35 and over 60). A computerized acoustic analysis program(CSL-MDVP) was used to measure mean fundamental frequency(Fo), jitter, shimmer, and noise to harmonics ratio(NHR) from voice samples of sustained phonation of vowel /a/.
RESULTS:
The elderly females showed lower Fo than young females, but produced similar jitter, shimmer and NHR. In male groups, the elderly had about 10Hz higher voice than young males and produced more jitter and shimmer. And multiple regression analysis showed both aging and smoking had significant correlation with increase of jitter and shimmer. The values of NHR showed no significant difference between any groups. Intersubject difference was larger in elderly groups, and was most apparent in the elderly-smoking group.
CONCLUSION:
While chronological aging is undoubtedly a contributor to such changes in the characteristics of voice, these results suggest that the onset of vocal aging could be different between the subjects of same age and the effect of smoking must be considered in the acoustic analysis of voice. |
| Keywords:
AgingㆍSmokingㆍVoice |
서론
노화에 따라, 음성 발성 기전을 구성하는 호흡계, 후두 및 후두 상부의 구조물들은 생리적인, 그리고 해부학적인 변화를 겪게된다. 호흡계에서는 흉곽의 경직, 호흡근의 약화, 흉막 탄성의 저하 등에 의해 폐 잔류량이 증가하고, 폐활량이 감소하며 호기량과 호기류율도 감소한다.1)2) 후두에서는 연골의 골화, 근육의 위축 및 성대 점막의 고유층이 가늘어지고, 노년 남성의 성대의 단축, 여성 성대 점막의 부종 등의 변화가 일어난다. 연구자에 따라 차이는 있으나 일반적으로 남성에서는 성대 점막이 가장 두꺼워지는 40∼50대에 음성의 기본 주파수가 평균 10Hz정도 낮아지나 연령이 고령화됨에 따라 성대가 가늘어지고 경직성이 증가하므로 기본 주파수가 점차 증가하여 고령에서는 평균 35Hz 증가한다고 한다. 여성의 경우에는 폐경기까지는 일정한 상태를 유지하다가 그 이후 10∼50Hz의 감소를 보인다.3)4) 발성 주기마다 주파수의 불규칙한 정도를 의미하는 jitter와 주기마다 강도의 불규칙성인 shimmer와 같은 음성의 동요(pertubation) 변수 및 noise to harmonics ratio(NHR) 등은 그 증가하는 정도가 연령뿐 아니라 피검자의 전신 건강상태와 관련이 있다고 알려져 있다.5) 또한 Woo등6)은 발성장애(dysphonia)를 주소로 하는 60세 이상의 남자환자 151례 중에서 그 원인이 노화 자체로 밝혀진 것은 단 6례에 불과했다고 하였다. 최근 평균 수명의 연장에 따라 노년층 인구가 증가한 상태이나, 이제까지 국내에서 노화에 따른 음성 변화에 대한 연구 보고는 거의 없었다. 본 연구는 한국인에 있어서 노년에서 발생하는 음성의 변화를 객관적인 측정이 가능한 음향 변수들을 통해 조사함으로써, 노령에 의한 생리적인 변화와 병리적 상태의 감별을 위한 지표를 제시하는 데 그 목적이 있다. 또한 우리 나라의 남성군은 흡연자의 비율이 높고, 흡연은 성대 점막의 발적, 부종을 일으키며, 만성 흡연의 경우 만성 후두염, Reinke씨 부종, 후두암의 원인으로 알려져 있으나7)8), 흡연이 음성에 미치는 영향을 분석한 연구 보고가 없어, 본 연구에서는 흡연이 음성에 미치는 영향을 조사하였다.
연구대상 및 방법
1. 연구대상
젊은군은 20세에서 35세까지, 고령군은 60세 이상으로, 무작위 추출된 정상 성인을 남녀 각 30명씩 총 120명을 선택하였고, 기왕력상 폐, 후두, 신경계의 질환이 없으며 간접 후두경을 포함한 이비인후과적 검사상 정상의 발성 기관과 일상적인 대화에 지장이 없는 정도의 청력을 가진 사람들을 대상으로 하였다. 여성군은 모두 비흡연자였고, 남성군은 검사 당시의 흡연 여부에 따라 흡연군과 비흡연군으로 분류하였는데, 각 군에서의 흡연력은 Table 1과 같다.
2. 음성 발성
피검자들은 마이크에서 10cm 떨어진 거리에서 가장 편안한 높이와 크기의 목소리로 2∼3초간 ‘/a/’의 발성을 3회 반복하도록 하였다.
3. 기본 주파수, jitter, shimmer의 분석
발성된 음성은 25kHz의 측정률로 채취하였고, 3회 측정한 음성 표본 중에서 가장 안정된 것을 골라 jitter가 가장 낮은 수치를 보이는 연속된 500msec 구간을 분석하였다. 발성의 시작과 종료에 의해 jitter와 shimmer값이 영향을 받지 않도록 발성이 시작되는 곳과 끝나는 곳이 포함된 구간은 제외하였다. 분석은 CSL 4300B(KAY elemetrics Corp.)의 MDVP(multidimensional voice program)를 이용하여 기본 주파수(Fo, fundamental frequency), jitter, shimmer, NHR(noise to harmonics ratio)을 분석하였다. MDVP의 soft ware에서 각 변수의 값은 아래와 같은 방식으로 산출되었다.
1) 기본 주파수는 분석 구간내의 성문 주기수를 시간으로 나눈 값으로 구하였다.
2) Jitter는 Davis9)가 제안한 방식에 의해 jitter의 상대값인 RAP(relative average pertubation of pitch period)를 구하여 산출하였다.
RAP=1/N-2 N-1 ∑ i=2 ｜To(i-1) + To(i) + To(i+1) / 3 - To(i) ｜ / 1 / N N ∑ i＝1 To(i)
N＝number of extracted periods
To(i)(i＝1, 2 ... N)＝extracted pitch period data
이 공식에서 분자는 동요량의 평균 절대값이고 분모는 평균 주기수가 된다. 또한 세 곳에서의 이동 평균값으로부터 산출되므로 주파수가 낮아짐에 따라 jitter값이 커지는 문제를 해결하였다.
3) Shimmer는 jitter와 같은 공식을 응용하였으나 단위를 dB로 구하였다.
ShdB=1 / N-1 N-1 ∑ i=1｜20 log (A(i+1) / A(i))｜
N＝number of extracted periods
A(i)(i＝1, 2 ... N)＝extracted peak-to-peak amplitude data
4) NHR은 harmonic component의 음향 에너지에 대한 noise component의 음향 에너지의 비율로서, Yumoto10)가 제안한 방식을 따라 구하였다.
4. 통계분석
고령군과 젊은군 사이의 각 음향 변수의 차이는 unpaired t-test를 이용하여 분석하고, 여성군은 모두 비흡연자였으므로 남성군에서만 고령군과 젊은군을 흡연군과 비흡연군으로 다시 나누어 비교하였다. 연령과 흡연 여부가 각 변수에 미치는 영향은 다변량 회귀분석(multiple regression)으로 분석하였다. Multiple regression에서 연령은 그대로 실제의 숫자를 이용하였으나, 흡연자의 경우, 흡연력이 연령과 함께 연관되어 증가하는 경향이 있어 흡연력 대신에 흡연 여부만을 1, 2의 가변수(dummy variable)로 표시하여 처리하였다.
결과
젊은 남성군과 고령 남성군의 평균 나이는 28.6(25∼32)세와 67.7(60∼83)세였고, 여성군은 각각 24.2(20∼30)세와 68.1(60∼80)세였다. Fo의 평균값은 남성군에서는 고령군이 젊은군보다 약10Hz 증가하였으나, 여성군에서는 40Hz 정도의 감소를 보였다. Jitter와 shimmer는 여성군에서는 연령에 따른 차이가 크지 않았으나 남성군에서는 고령군이 평균 0.938%와 0.252dB로 젊은군의 평균값인 0.464%와 0.170dB보다 통계적으로 유의한 증가를 보였다. NHR은 남녀 모두 연령군 간의 차이를 보이지 않았다(Table 2). 남성군에서 고령군과 젊은군을 다시 흡연군과 비흡연군으로 나누어 비교한 결과, Fo는 젊은군과 고령군 모두 흡연군이 비흡연군보다 감소하였고, jitter와 shimmer는 모두 흡연군에서 증가하였다. 흡연 여부에 따른 세 변수의 변화의 정도는 고령군이 젊은 군보다 큰 것으 로 나타났다. NHR은 흡연군-비흡연군 간에 차이가 없었다(Table 3). 다변량 회귀 분석을 통해 남성군을 분석한 결과, Fo는 연령에만 관련이 있고 흡연과는 무관한 것으로 나타났고, jitter와 shimmer는 연령과 흡연에 모두 영향을 받는 것으로 나타났다.
NHR은 연령과 흡연중 어느 것과도 무관하였다(Table 4).
고찰
여성에 있어서 폐경후에 오는 생리적인 변화의 일부로서 성대 점막의 부종성 변화가 발생하며 이에 따라 음성이 저음화됨이 알려져 있다.1)4) Russell등3)이 호주 여성을 대상으로 longitudinal study를 시행하여, 18∼25세의 여성이 52∼60세가 된 후 Fo가 평균 50Hz의 감소를 나타내었다는 보고와 본 연구에서 40Hz 정도의 감소를 보인 것은 비록 검사 대상이 서로 다르고, longitudinal study가 아닌 점을 감안하더라도 매우 유사한 결과로 보인다. 남성군에서는 고령군이 10Hz정도 증가하였는데, 이는 노화에 따른 조직 학적인 변화로 탄성섬유와 교원성 섬유의 퇴행성 변화(degeneration of elastic and collagen fibers)가 여성에서보다 뚜렷하여 성대의 위축성 변화를 보인다1)4)는 점과 부합 되는 결과이다. 또한 폐경과 같은 극적인 변화를 겪지 않는 남성군은 보다 점진적인 기본 주파수의 변화를 보인다고 한다.4) 흡연이 기본 주파수에 미치는 영향에 대해서 Christopher등11)은 17년 이상의 흡연력을 가진 만성 흡연자들에 대해 단지 40시간의 금연을 시킴으로써 Fo가 성과 연령이 같게 짝지어진 비흡연 대조군과 비슷한 수준까지 상승한다고 보고하였다. 본 연구에서도 젊은 군과 고령군 모두 비흡연군의 평균 기본 주파수가 같은 연령군의 흡연군보다 높은것으로 보였으나(Table 3), 다변량 회귀 분석에서는 연령만이 기본 주파수를 의미있게 변화시키는 것으로 분석되었다(Table 4).
Jitter와 shimmer를 발생시키는 원인에 대해서는(1) 성대 점막에 붙은 점액의 움직임,(2) 호기되는 공기 흐름의 와류,(3) 비대칭적인 성대 운동,(4) 성대 근육과 호흡근에 대한 신경성 조절 등이 알려져 있고12)13), 그중 jitter의 신경학적인 근원에 대해서, Titze14)는 수학적 모델을 통해 갑상피열근이 더욱 부드러운 움직임을 하려면 동원되는 운동 단위(motor unit)의 수와 운동 단위의 자극 속도(firing rate)가 증가해야 하고, 이에 따라 jitter값이 감소됨을 증명하였다. 이러한 사실은, “Jitter와 shimmer의 결과를 알고 feedback-practice를 시켰던 여성군에서, 결과를 모르게 한 대조군보다 재측정한 jitter값이 현저히 개선-shimmer는 변화하지 않았다.-되었던 실험”의 이론적인 근거가 되었다.15) Jitter의 정상 기준치에 대해 Hollien등16)은 0.5∼1.0%를 제시하였고, Wilcox등17)은 남성의 평균값을 젊은군은 0.53%, 60세 이상군에서는 0.84%로 보고하여 본 연구의 결과인 0.464%와 0.938%와 유사한 값을 제시하였으며, 노화에 따른 jitter의 증가에 관여하는 요소로써, 근 긴장도와 근력의 감소, 후두 연골의 골화, 후두 구조의 탄력성 감소, 내분비 기능 저하와 후두 혈관의 경화 등을 문헌 고찰을 통해 제시 하였다.17) 본 연구에서 jitter와 shimmer값이 남성군의 젊은군보다 고령군에서 증가 하였고, 또한 표준 편차가 고령군에서 크게 나타난 것으로 보아 개체간의 차이가 젊은 군보다 크다고 생각된다. 이러한 점에 대해서는 모음 발성시 spectrogram상의 noise가 나이와는 관계없이 전신 건강 상태에만 관련이 있고, 더 나아가 혈압, 심박수, 체지방 두께, 폐활량 등을 기준으로 건강이 양호한 군이 같은 연령의 건강이 불량한 군보다 jitter와 shimmer의 값이 작게 나타났으며, 이러한 개체간의 차이는 고령군에서 훨씬 뚜렷하게 나타난다는 연구 보고가 있었다.5) 본 연구에서는 피검자의 전신 건강 상태를 조사해 보지는 않았으나 남성군중 흡연군과 비흡연군을 비교한 결과 연령과 흡연이 모두 jitter와 shimmer에 영향을 주었고(Table 4), 흡연군에서 젊은군-고령군사이의 jitter값의 차이가 비흡연군에서보다 더욱 크게 나타났다(Table 3). 또한 모두가 비흡연자인 여성 군에서는 노-소간에 평균 jitter와 shimmer값의 차이가 거의 없었다(Table 2). Shimmer의 측정 결과에서는 노화의 영향이 흡연의 영향보다 더 의미있게 크게 나타났는데(Table 3, 4), 이는 비정상 음성의 청각적 인상과 jitter, shimmer, NHR과의 연관성을 조사한 결과, jitter가 거친(rough) 목소리에, shimmer는 기식성(breathy)음성에, NHR은 거친 음성과 기식성 음성이 혼합된 쉰(hoarse) 목소리의 심한 정도와 각각 가장 의미있는 연관성을 보인다는 연구 보고들10)18)19)로 추측해 볼때, 흡연이 객담의 증가와 더불어 성대 점막의 염증성 변화를 일으켜 음성의 roughness에 기여하고, 노화에 의한 점막의 위축과 성대의 bowing, 폐활량과 호기량의 감소에 따라 연장 발성(sustained phonation)시 호기되는 공기 흐름이 불안정해짐으로써 shimmer가 증가하고 음성이 breathy하게 변화한다고 생각된다. Yumoto등10)은 NHR이 jitter의 증가에 영향을 받아 변화하지만 hoarseness의 정도를 jitter보다 더 잘 반영하는 지표라고 주장했다. 본 연구에서 NHR은 모든 피검자에서 Deliyski20)가 정상 성인의 역치로 제시한 0.19 미만의 수치를 보였고, 연령이나 흡연과는 무관한 결과를 보였다. 음향 변수의 변화로써 음성의 질을 평가하는것은 심한 비정상의 음성의 심한 정도를 반영하는 면에서는 신뢰도(reliability)가 떨어지는 한계가 있으나, 정상과 비정상의 screening에서는 청각심리 검사(psychoaoustic evaluation)보다 민감한 변화를 보여준다고 알려져 있다.16)19)
결론
1) Fo는 남성군에서 고령군이 평균 10Hz 증가하였고, 여성 고령군은 평균 40Hz 감소하였다. 흡연에 의한 영향은 통계적인 의미가 없었다.
2) Jitter와 shimmer는 남성군에서만 고령군이 의미있는 증가를 보였고, 연령과 흡연이 모두 연관성을 보였다. 또한 개체간의 차이가 고령군에서 크게 나타났고, 이는 같은 고령의 나이라 하더라도 실질적인 노화의 정도와 흡연 여부가 다른 점이 그 원인으로 생각되었다.
3) 여성군은 모두 비흡연군이었고, jitter와 shimmer가 젊은군과 고령군간의 유의한 차이를 보이지 않았다.
4) NHR은 연령이나 흡연 여부에 무관한 것으로 나타났다.
이상의 결과로부터 노화에 의해 기본 주파수가 변화함을 확인하였고, 흡연이 노화과정과는 독립적으로 음성 동요 변수를 증가시키는 요소임을 알게 되었다. 또한 본 연구의 결과를 연령과 흡연 여부에 따라 적용할 수 있는 정상인의 평균값으로 이용할 수 있을 것으로 생각된다.
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