Hearing Aid Component and Its Characteristics

Moon, Sung-Kyun

Review

Hearing aids

Korean Journal of Audiology 1998;2(1):3-9.

Hearing Aid Component and Its Characteristics

Sung-Kyun Moon

Department of Otorhinolaryngology, College of Medicine, Yonsei University, Seoul, Korea

보청기의 기본구조와 특성

문성균

연세대학교 의과대학 이비인후과학교실

서론 청력장애는 적절히 재활이 안될 경우 환자가 심리적인 좌절을 느끼며 사회적으로 고립될 수 있기 때문에 적극적인 치료와 재활이 필요하다. 그러나, 지금까지는 난청환자의 치료에 있어 약물복용과 수술적 처치를 통해 염증을 치료하고 중이의 기능을 회복시키는 것에만 관심을 갖고 수술후에 남은 기골도 차이(air-bone gap)나 감각신경성 난청에 대해서는 단순히 보청기 착용을 권하고 환자자신도 보청기의 착용을 거부하거나 그 성능에 대해 불신감을 갖고 있었다. 과거의 보청기는 주로 전음성 난청환자에서만 부분적으로 청력재활 효과가 있고 감각신경성 난청환자의 경우 소리가 조금만 커져도 도리어 불쾌감만 줄뿐이었으며 적응증에 따라 적절히 조절된 보청기도 일정한 적응 기간이 필요함에도 불구하고 충분한 시간이 지나지 않아 효과를 판단하거나 환자의 기대가 너무 컸던 경우 쉽게 실망하여 보청기의 사용을 포기하는 경우가 종종 있었다. 그러나, 최근 보청기의 성능이 향상되고 소형화되어 과거와는 비교할 수 없게 많은 난청 환자들에게 도움을 줄 수 있기 때문에 여러 가지 청력재활 방법의 하나인 보청기의 처방과 조절에 있어 이비인후과 전문의의 적극적인 참여와 함께 보청기의 기본구조에 대한 이해가 필요하다고 생각한다. 보청기의 역사는 1800년대 나팔처럼 생긴 장치로 음향신호를 증폭했던 일종의 집음기로 거슬러 올라가는데 이러한 장치는 약 15dB정도의 증폭이 가능했으며 전기장치가 장착된 보청기가 개발될 때까지 사용되었다. 최초로 전기장치가 장착된 보청기는 1896년 Alexander Graham Bell에 의해 개발되었으나 증폭기가 없는 형태로 20 dB이상의 증폭은 불가능했다. 그 후 1920년대 증폭기로 진공관을 장착한 보청기가 개발되었으나 크기가 너무 크고 가격이 비싸 실용화되지 못하다가 1938년 소형 진공관과 소형 crystal 마이크와 리시버의 개발로 비로소 몸에 지니고 다닐 수 있는 보청기가 개발되었다. 1950년대에 트랜지스터가 보청기에 도입되면서 보청기의 크기는 더 작아져서 담배갑정도의 크기로 축소시킬 수 있었으며 귀걸이형 트랜지스터 보청기도 개발되었다(Fig. 1A). 트랜지스터 증폭기의 개발과 함께 마이크로폰도 주파수 특성과 집음 성능이 좋은 자석형과 ceramic형이 개발되어 보청기의 성능이 많이 향상되었다. 1980년대에는 고집적회로와 electret 마이크로폰이 보청기에 장착되어 보청기는 외이도 안에 들어가 보이지 않을 정도로 보청기의 크기가 작아 졌으며 증폭기의 성능도 눈부시게 향상되었다(Fig. 1B). 최근에는 보청기와 컴퓨터를 연결하여 증폭기의 특성을 조절할 수 있게 되었으며 신호처리를 디지털방식으로 하는 디지털보청기가 상용화되었다. 또한 multichannel 증폭기 및 multimemory 증폭기 등 편리하고 성능이 우수한 증폭기가 장착된 보청기가 개발되어 난청환자의 청력재활에 많은 도움이 되고 있다. 보청기의 기본구조 과거의 성능이 떨어지는 보청기나 최근의 진보된 보청기나 기본적으로 동일한 구조를 가지고 있다. 음향신호를 전기신호로 전환하는 일종의 전환기인 입력장치(마이크로폰)와 전환된 전기신호를 증폭하는 증폭기, 증폭기의 특성을 조절하는 조절기, 증폭기에 전기에너지를 공급하는 전원 및 증폭된 전기신호를 다시 음향신호로 변환하는 출력장치(리시버)로 구성되어 있다(Fig. 2). 이 외에 리시버의 음향신호를 외이도로 전달해주는 earmold나 tube도 보청기의 구성요소가 될 수 있다. 입력장치 입력장치는 크게 음향신호를 전기신호로 변환하는 마이크로폰과 전화기의 수화기에서 나오는 자기장을 전기신호로 변환하는 telecoil로 나눌 수 있다. 마이크는 비교적 넓은 주파수대의 음을 고르게 집음하는 성능이 요구되는데 현재 보청기에서 사용되고 있는 electret 마이크로폰은 과거의 자석형이나 ceramic형보다 성능이 좋으며 크기가 소형으로 현재의 보청기 소형화에 일조를 했다. 또한, 마이크로폰의 음입구(sound inlet)를 두 개 만들어 각각의 입구로 들어간 음향신호가 서로 간섭하여 전방의 음향신호를 선택적으로 집음하게하는 directional 마이크로폰도 실용화되어 있다(Fig. 3A). Telecoil은 보청기 착용자가 전화기를 사용할 때 주위의 소음에 방해받지 않고 편리하게 사용할 수 있는 장치로 음향신호인 소음은 전기신호로 변환되지 않고 전화기의 자기장 신호만 전환되나 주위에 강력한 자기장이 있을 경우 사용에 제한을 받을 수 있다. 특수한 형태의 입력장치로서 마이크로폰으로 변환된 전기신호가 FM 시스템이나 UV 시스템을 이용해 무선으로 증폭기에 전달되도록 하는 FM 보청기나 UV 보청기가 있다(Fig. 3B). 이러한 보청기는 주위 소음이나 거리에 의해 음지각능력이 떨어지는 것을 방지하여 난청환자가 회의실이나 학교에서 사용할 수 있도록 개발되었다. 증폭기 보청기의 가장 중요한 부분으로 기본적으로 두 가지 기능이 요구된다. 즉 마이크에서 변환된 전기신호를 왜곡(distortion)현상 없이 원음의 형태를 유지(high fidelity)하면서 증폭하는 증폭(amplification)기능과 환자의 불쾌수준(uncomfortable level)이상으로 과도하게 증폭된 음향신호가 환자에게 불쾌감을 주거나 내이에 손상을 주지 않도록 출력을 제한하는 출력제한(output limitation)기능이 필요하다. 보청기는 출력제한 방법, 신호처리 방법, 입출력 곡선의 형태, channel 수 및 memory 수 등에 따라 여러 가지 종류로 분류된다. 출력제한방법에 따른 분류 출력을 제한하는 방법에는 크게 peak clipping법과 압축법(compression)이 있다. Peak clipping 법은 어떤 기준이상으로는 신호가 무조건 증폭되지 못하도록 하는 방법으로 회로가 간단하고 크기가 작으며 전류소모가 적은 장점이 있는 반면 음의 왜곡현상이 심하고 환자의 dynamic range가 좁아져 있는 경우 효과적인 증폭이 어려운 단점이 있다. Peak clipping법에는 hard peak clipping과 soft peak clipping이 있으며 hard peak clipping은 비대칭형과 대칭형으로 구분된다(Fig. 4). 비대칭 peak clipping법은 회로가 간단한 반면 왜곡현상이 심하게 일어나며 대칭 peak clipping법이나 soft peak clipping법은 비대칭 peak clipping법에 비해 왜곡현상이 적으나 회로가 복잡하고 증폭기의 크기가 커지는 단점이 있다. Peak clipping법의 단점을 보완하고자 개발된 압축법은 출력이 포화되기 전에 일정한 크기(compression threshold)가 되면 증폭도를 감소시켜 음의 왜곡을 최대한 감소시키는 방법으로서 이 회로의 개발로 dynamic range가 감소되어 있는 감각신경성 난청 환자도 보청기의 도움을 받을 수 있게 되었다. 압축회로는 압축을 시작하도록 하는 feedback회로의 위치에 따라 입력 압축형과 출력 압축형으로 나눌 수 있는데 볼륨을 변화시킬 때 각각 특징적인 입출력곡선을 나타낸다. 즉 입력 압축형은 볼륨을 증가시키면 입력 압축 역치가 일정하게 유지된 상태에서 출력이 증가하며 출력 압축형의 경우 출력 압축 역치가 일정하게 유지된다. 또한, 압축회로는 압축 역치가 낮고 압축율이 낮은 dynamic range 압축형과 그 반대경우인 compression limiting형이 있어 전자는 dynamic range가 좁아져 있는 환자에서 적당한 방법이며 후자는 비교적 dynamic range가 유지되어 있는 난청환자에서 알맞은 방법이다. 입출력 곡선의 형태에 따른 분류 증폭기는 출력이 포화되기 전까지의 입출력 그래프 형태가 선형이면 선형 증폭기, 꺾여 있거나 곡선이면 비선형 증폭기로 나눌 수 있다(Fig. 5). 대부분의 선형 증폭기는 peak clipping법으로 출력을 제한하게 되는데 그 종류는 비대칭 peak clipping 의 class A 증폭기, 대칭 peak clipping의 class B 증폭기와 이와는 다른 방법인 pulse width modulation법으로 출력을 제한하는 class D 증폭기 등이 있다. 선형 증폭기 중에서 현재 많이 쓰이는 것은 class D 증폭기로 증폭율이 높고 증폭된 음의 왜곡현상이 적고 전원소모가 적으며 리시버와 일체형으로 제작이 가능하기 때문에 크기를 작게 제작할 수 있는 장점이 있다. 비선형 증폭기는 soft peak clipping하는 증폭기를 제외하고 출력제한을 모두 압축법으로 하게 되며 현재 많은 보청기에서 사용되고 있다. 신호처리 방식에 따른 분류 증폭기의 신호처리 방식은 아나로그, 디지털 및 두방식의 혼합형인 hybrid방식이 있다(Fig. 6). 아나로그 방식은 기존의 보청기의 증폭기로서 그 특성을 조절하는데 많은 제한이 있었다. Hybrid방식은 신호의 증폭은 아나로그방식으로 하지만 그 조절은 디지털방식으로 하는 증폭기로 최근의 programmable 보청기가 그 대표적인 예이다. Hybrid 방식은 증폭기의 특성을 비교적 자유롭게 조절이 가능하기 때문에 환자의 난청형태에 맞도록 섬세한 조절이 가능하며 환자의 청력이 변화할 경우 증폭기의 특성도 변화시킬 수 있는 장점이 있다. 디지털 방식은 신호를 아나로그 / 디지털 변환기로 변환하여 디지털상태의 신호를 증폭하는 방식으로 신호를 여러 개의 주파수대로 세분하여 조절이 가능하기 때문에 환자의 난청형태에 맞도록 조절이 가능하며 자유자재로 그 특성을 변화시킬 수 있다. 또한 소음제거회로와 feedback억제회로를 추가시킬 수 있어 보다 좋은 음질의 증폭음을 제공할 수 있다. 그러나, 디지털 보청기는 회로의 크기가 너무 크고 전원소모가 커 최근에야 상용화되기 시작하였으며 그 가격도 기존의 보청기에 비해 매우 높은 편이다. 주파수 반응(frequency response)에 따른 분류 입력신호의 강도에 상관없이 주파수대를 일률적으로 증폭하는 fixed frequency response 증폭기로는 어음판별력에 주로 기여하는 고주파수대를 강조하기가 어려웠다. 입력신호의 강도에 따라 특정 주파수대의 증폭도를 변화시키는 level dependent frequency response(LDFR) 증폭기의 개발로 어음판별력이 향상된 보청기를 제작할 수 있게 되었다. LDFR 증폭기는 강조하는 주파수대에 따라 base increment at low level(BILL), ttrebleincrement at low level(TILL) 및 programmable increment at low level(PILL)로 구분된다. BILL 증폭기는 주위 소음이 주로 저주파인 것에 착안하여 입력신호가 강할 경우 저주파를 감소시켜 어음판별력을 향상시키고자 하였으나 효과가 좋지않아 현재 별로 쓰이고 있지 않다. TILL은 입력신호가 약할 경우 어음판별력에 주로 기여하는 고주파를 강조하는 증폭기로 어음판별력 향상 효과가 좋아 현재도 사용되고 있다. PILL은 BILL이나 TILL에 비해 자유롭게 주파수대를 강조할 수 있는 증폭기로 현재의 programmable 보청기가 해당된다. 이와는 다른 형태의 증폭기로 frequency transposing 증폭기는 고도 난청자의 잔청을 이용하여 다른 주파수대의 소리를 듣도록 고안되었으나 이 증폭기의 사용을 위해서는 오랜 시간의 훈련이 필요하고 효과도 좋지 않아 개발된 후 오랫동안 사용되지 않다가 최근에 개선된 회로가 개발되어 다시 시도되고 있다. Channel 및 memory 수에 따른 분류 1개의 증폭기가 모든 주파수대를 담당할 경우 single channel 증폭기라 하며 주파수대를 몇 개의 주파수대로 나누어 각 주파수대를 각각의 증폭기가 담당하게 할 경우 multichannel 증폭기라 한다. Multichannel 증폭기는 single channel 증폭기에 비해 환자의 난청형태에 맞도록 세밀하게 조절이 가능하다. 증폭기에 몇 개의 증폭특성을 기억시켜 놓은 multimemory 증폭기는 환자가 리모콘이나 보청기에 부착된 스위치로 주위 상황에 맞는 증폭특성을 선택할 수 있어 주위 소음의 변화가 심한 환경에서 생활하는 착용자의 경우 편리한 증폭기이다(Fig. 7). 출력장치(리시버) 보청기의 출력장치는 증폭된 전기신호를 다시 음향신호나 진동으로 전환하는 변환기로 오디오의 스피커에 해당하는 장치이다. 리시버 역시 마이크로폰과 마찬가지로 변환주파수대가 넓고 전기신호를 변형없이 그대로 변환시키는 것이 중요하다. 또한, 최근의 보청기 크기가 작아짐에 따라 리시버의 크기도 작아지게 되었으며 성능도 많이 향상되었다. 대부분의 리시버는 기도형으로서 외이도에 증폭된 음향신호를 전달하지만 특수하게 골도형은 증폭된 전기신호를 진동으로 변환시켜 측두골에 전달하게 된다. 골도형 출력장치는 외이도가 선천적으로 폐쇄되어 있거나 지속적으로 이루가 계속되는 환자에서 사용될 수 있으며 외형은 안경형과 머리띠형이 있다. 조절기 조절기는 증폭기의 특성을 조절하는 장치로 음량(volume), 음질(tone), 압축역치, 압축률 등을 조절하는 조절기와 telecoil과 마이크로폰을 전환할 수 있는 T-switch 등이 있다. 조절기는 외부에 노출된 외부형과 노출이 안된 내부형이 있으며 사용자가 임의로 조절할 수 있는 사용자 조절기(user adjustable control)와 조절자가 조절해야 하는 조절자 조절기(fitter adjustable control)가 있다(Fig. 8A). 또한, 최근의 programmable 보청기는 자체에는 조절기가 없고 컴퓨터 프로그램에 보청기의 특성을 조절할 수 있는 조절기가 있다(Fig. 8B). 전원 전원은 증폭기에 전기에너지를 공급하는 장치로 보청기의 소형화와 함께 크기가 작은 건전지가 개발되어 있다. 지금까지 은전지나 수은전지 등 많은 종류의 건전지가 개발되었으나 그 중 현재 가장 많이 쓰이는 것은 zinc-air 건전지로서 수명이 비교적 길고 자연소모율이 낮으며 수명이 끝날 때까지 전류가 일정하게 유지되는 장점이 있으나 갑자기 큰 전류량이 필요할 경우 그 수요를 맞추지 못해 보청기에서 잡음이 들리는 단점이 있다. Earmold 리시버에서 전환된 음향신호를 외이도까지 전달하는 장치로 귀걸이형 보청기에서는 tube와 함께 중요한 보청기의 구성요소이다. Earmold는 기본적으로 증폭음이 외이도 밖으로 새어나가 feedback현상이 발생되지 않도록 외이도에 잘 맞아야 하며 환자의 난청정도 및 외이도의 특성에 따라 그 재질을 알맞게 선택해야 한다. 부드러운 silicone 재질은 난청이 심해 고도의 증폭이 필요한 경우나 외이도가 단단한 경우 및 소아의 경우에 사용되며 피부가 민감한 경우에는 polyethylene 재질을 사용한다. 그 외의 경우에는 대부분 단단한 Lucite가 사용된다. 과거 증폭기의 특성을 조절하기가 어려울 때는 earmold의 구조를 변화시켜 보청기의 특성을 조절하기도 하였다. 즉 외이도의 압력을 조절하기 위해 만드는 vent는 증폭음의 저주파를 감소시키는 기능이 있으며 tube에 넣는 일종의 저항체인 damper는 중간 주파수대를 감소시켜 증폭음을 부드럽게 할 수 있다. sound bore를 나팔처럼 끝으로 갈수록 넓게 만들면 고주파수대를 강조하는 기능이 있다. 또한 귀걸이형의 tube는 굵고 길수록 고주파수를 강조하는 기능이 있다(Fig. 9). 그러나 최근 귓속형 보청기가 보편화되어 다른 기능은 활용되지 않고 압력조절을 위한 vent만이 이용되고 있다. 귓속형 보청기는 귀걸이형 보청기에 비해 가격이 비싸지만 여러 가지 장점을 가지고 있다. 외부로 노출이 되지 않기 때문에 미용상 환자가 선호하며 전화사용이 편리하고 무엇보다도 외이의 증폭기능을 이용할 수 있는 장점이 있다. 결론 전자공학의 발달과 함께 보청기의 성능이 많이 개선되었으며 크기도 소형화되어 청력재활에 있어 보청기의 역할이 점점 많은 비중을 차지하게 되었다. 특히 최근에 상용화되기 시작한 programmable 보청기와 디지털 보청기는 정교한 조절이 가능하여 보청기에 대한 환자의 만족도가 높아지고 있다. 그러나 아직 소음제거와 어음판별력의 향상은 환자의 기대에 못 미치기 때문에 앞으로 보청기 회로에 대한 연구와 개발이 필요하며 아울러 수명이 길고 출력이 안정적인 전원의 개발도 요구된다.
REFERENCES
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