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Hearing sciences
Korean Journal of Audiology 2002;6(1):41-44.
Competing Feature Discrimination in Electrical Stimulation
Dukhwan Lim, Chong Sun Kim, Sun O Chang, Seungha Oh
Department of Otolaryngology, College of Medicine, Seoul National University, Seoul, Korea
전기자극에서 음성신호의 특징추출 및 변별
임덕환, 김종선, 장선오, 오승하
서울대학교 의과대학 이비인후과학교실
Abstract

The cochlear implant patients often have difficulty in improving the level of speech intelligibility in electrical stimulation. This speech discrimination is likely to be influenced by spectral compositions among perceptually related acoustic variables. The components in a speech sound can affect each other significantly. We investigated effects of these discriminating interactions between competing stimulus features in cochlear implantees. Stimuli consisted of simultaneous and sequential combinations of two tones synthesized from vowel and consonant test sets. While selected acoustic features were systematically adjusted, patients were asked to choose answers in a closed set test and correct responses were scored in the scale of intelligibility. Participants showed various levels of intelligibility in the measured scale. These results had clinical implications that favored speech coding strategies appeared to have some degree of correlation with high-scored feature representation schemes. This method of testing effective range of stimulus parameters was proposed as a quantitative tool of refining the mapping strategies in the cochlear implanting devices. Individualized testing procedures can be incorporated in the rehabilitation programs of cochlear implantees.

Keywords: Electrical stimulation;Acoustic features;Discrimination;Sequential combination;Simultaneous combination.

교신저자:임덕환, 110-744 서울 종로구 연건동 28번지
            전화) (02) 760-2445 · 전송) (02) 745-2387 · E-mail:wavelet@plaza.snu.ac.kr

서     론


인공와우 이식환자에게서 흔히 시행되고 있는 자/모음의 변별 검사 중에서 비슷한 형태를 갖는 자극들의 변별은 상당히 어려운 과제이다.6) 이러한 어려운 점 들은 전기자극과 음향자극의 근본적 차이점과 청신경계의 비선형 반응특성에 기인한 것으로 추정되고 있다.2)5)7) 인공와우 이식기에 의한 재활과정 중에서 언어처리방식 선택 및 인공와우 적합과정(mapping)은 이러한 전기자극에서 일어나는 변별의 난점을 개선하기위한 과정의 한 부분이라고 볼 수가 있다.4)6) 언어는 일반적으로 알려진 복잡한 특징들을 가지고 있으며, 이러한 다양한 복합성이 또한 전기자극에서 인식과정의 분석을 어렵게 하기도 한다. 이러한 여러 가지 조건들을 비교하여 볼 때, 우선은 복합음을 이루는 비교적 간단한 특징들에 대한 분석이 적합한 언어처리방식을 찾는 데 도움이 되리라고 판단된다. 그러나 이러한 비교적 단순한 음향특징과 관련된 전기자극 반응 특성이 체계적으로 연구되어진 자료가 없는 실정이다. 관련된 언어의 형태적인 요인들은 주파수와 시공간 상에서 통계적 처리를 통하여 보다 기본적인 특징으로 간소화될 수가 있다. 언어에서 나타나는 기본적 특징들 중 일부를 비선형 동시조합과 순차적 조합반응으로 구분하여 볼 수가 있으며, 본 연구에서는 전기자극에서 이러한 특징들의 변별을 정량적으로 분석하고자 하였다.

재료 및 방법

실험을 위하여 본원에서 사용되는 언어 검사도구에서 자음과 모음의 구성 성분이 분석되었으며, time series를 이용하여 두개의 순음으로 음의 특징들을 단순화시켰다(Fig. 1).1) 이 과정에서 두 순음이 least square approximation 방식에 의하여 해당된 모음의 특징을 모방하도록 처리되었다.
추출된 음들은 전산화된 음자극 합성 시스템을 통하여 단일 순음 및 두 가지 순음이 복합된 음 자극들로 합성되었다.3) 음 특징 추출에서 음의 주파수간 조합과 시간상의 순서가 주 변수로 사용되었다. 동시자극에서는 두 주파수사이의 차이가 사용되었는데, 이 간격을 단계적으로 변화시키면서 변별력에 미치는 영향을 조사하였다. 순차적인 자극에서는 같은 그룹에서 시간적인 주파수의 순서를 변화시키면서 그 반응을 조사하였다. 두 순음의 주파수 차이는 단계적으로 변화되면서, 직접 인공와우 이식기에 전달되었으며, 이 검사 과정을 synthetic frequency discrimination test(SFDT)로 분류하였다. 같은 방식으로 두 순음의 시간적 순차에 대한 반응 특성도 조사되었으며, 이 검사는 synthetic sequence discrimination test(SST)군에서 시행되었다. 이 분석에 사용된 모음을 이용한 변별 결과도 수집되었으며, 이 과정은 vowel discrimination test(VDT)로 구분되었다. 같은 방법으로, 자음 그룹에 대한 결과는 consonant discrimination test(CDT)에서 수집되었다. 최종적으로 이들 결과간의 상관관계가 통계적으로 분석되었다. 본 실험에서는 다섯 명의 인공와우 이식환자가 참여하였으며, 연령분포는 6
~17세 사이였다. 모든 대상자가 Spectra 22언어처리기를 착용하였고, SPEAK처리방식을 사용하고 있었다. 언급된 실험과정은 Fig. 1에 나타난 시스템 상에서 진행 되었다. 본 검사에 사용된 합성 순음은 모두 프로그램모듈에 의하여 디지털로 전산 합성되었으며, 자/모음 들은 디지털화 된 후에 파일로 저장되어 실험 중에 사용되었다.3) 반응은 주어진 조건에서 무작위 순서로 선택된 자극에 대하여 맞는 답을 선택하도록 하였다. 

결     과

실험 결과는 변별력으로 표시되었으며, 이 변별력은 normalized factor analysis를 이용하여 0에서 1까지 값을 갖는 비선형 단위의 수치로 정량화 되었다.1) 비교를 위한 기본 그룹으로 vowel sequence test(VST)와 consonant discrimination test(CDT)가 사용되었다. 비슷한 방법으로 합성음에 대한 결과가 얻어졌으며, 합성음 실험은 SFDT와 SST를 사용하였다. 각 검사 그룹에서 변별성적은 약 40
~70% 사이의 분포를 보였다. 분석 결과들을 보면, SFDT는 주로 VDT, VST, CDT에 영향을 주었다. 이 자료 중에서 VDT와 SFDT가 반응 정확도 축에서 가장 높은 상관 관계를 보였다(Fig. 2).
같은 자료에서, SST는 또한 VDT와 VST, CDT 결과와 관련성을 보여주었다. 이 중에서, SST와 CDT가 가장 높은 상관관계를 보였다(Fig. 3).
이 자료들에 의하면, 비교적 간단한 특징에 대한 변별능력이 보다 복잡한 특징의 변별에 영향을 미치고 있음이 나타났다. 여기서 복잡한 변별 능력은 분석의 목적상, 모음변별, 자음변별, 모음 순서 변별로 제한 되었다. 종합해보면, SFDT의 합성 주파수 변별력은 VDT나 CDT에 많은 영향을 미치는 결과를 나타냈고, 합성음의 순차 변별력도 VDT나 CDT에 영향을 미치고 있었다. 통계적으로 동시조합이나 순차적 조합 변별력 모두 VDT, VST, CDT와 높은 상관관계를 보여주었다.
본 결과를 통해서, 동시에 존재하는 주파수 자극들을 변별하는 능력이 모음의 변별에 중요한 역할을 하고 있는 것으로 나타났다. 한편, 주파수 순서를 변별하는 능력이 자음의 변별에도 관여하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 전기자극에서 사용되는 상호 간섭반응을 일으키는 복합 자극신호 들의 처리는 이러한 비교적 간단한 동시적 조합이나 순차적 조합의 결과를 분석함으로써 부분적으로 최적화할 수 있을 것으로 기대된다.

고     찰

본 실험에서 사용된 단순한 형태의 순음과 복합음 간의 관계를 인공와우 이식 적합화(mapping) 과정에서 응용해볼 수가 있다. 임상적으로, mapping과정은 각 채널의 전기자극 역치 값이나 most comfortable level (MCL)등을 조정함으로써 해당 언어처리기의 초기 변별력을 최적화하고자 하는 단계가 포함된다. 이후에는 초기의 이런 조절과정이 전기 신호특징 추출 능력 변화에 따라서 조절되어야 한다. 그러나 현재까지의 적합과정은 전기신호로 변화된 음 특징과 변별사이의 관계가 명백하지 못하거나, 정량화 되어 있지 않아서, 사용자 입장에서 맞게 조절하기 어려운 경우가 많았다. 이 과정에서 본 실험에서 사용된 비교적 단순한 합성음을 이용한 음 특징 변별에 관한 지침이 사용될 수가 있다. 현재 이 실험결과에서 얻어진 자료는 Nucleus 22기기에 한정된 것이지만, 비슷하게 방법을 다른 인공와우처리 시스템에서도 적용할 수가 있다. 이를 위하여, 실험을 통해서 여러 가지 다른 언어처리 방식에 대하여서도 음 특징 처리 및 변별에 관한 자료를 얻어서 비교해야 할 것으로 판단된다.

요약 및 결론

현재, 제한된 전기 자극으로 청력재활을 시도하는 와우이식 시스템을 사용하는 경우에 음향 특징의 구별이 어려운 경우가 많다. 전기적 자극에서 어떤 음향적 특징의 차이가 언어적 요소의 변별과 관계가 있는지는 중요한 문제이지만, 확인된 관계가 적은 실정이다. 이러한 자료를 단계별로 얻고자, 와우 이식환자에게서 어떤 음 특징들이 언어특징과 관계가 있는지를 분석하고자 하였다. 와우이식 환자들을 대상으로 자/모음을 인지하는 능력을 평가하였고, 그 구성 성분들을 분석하고 합성하여 변수화 하였다. 이를 위하여 대상 자/모음들이 우선 음향학적으로 분석되었고, 그 결과에서 검사에 사용될 구성 성분들이 통계적으로 결정되었다. 기본 구조인 동시적인 성분과 시차적인 성분들이 선별되어 사용되었으며, 이들의 언어적 요소들과 상관관계가 분석되었다. 사용된 모든 합성 음은 전산 합성되었으며 파일 형태로 처리되었다. 최종적으로 동시적 그리고 시차적 자극요소 평가결과와 언어 요소 간의 상관관계를 통계적으로 비교한 결과, 모음 그룹의 경우에는 동시적 성분의 특징의 구별이 중요한 역할을 하는 것으로 나타났고, 자음 그룹은 시차적 성분의 영향도 크게 나타났다. 결과적으로, 비교적 단순한 구조적 특징의 구별이 해당 음소의 구별에 영향을 미치고 있음이 분석되었다. 어음의 여러 특징들 중에서 이런 기본구조의 변별력을 증가시키면, 와우이식 환자의 어음 변별력도 향상되라고 생각된다. 따라서, 재활 프로그램의 언어처리기 조정과정에서 이 기본 특징에 대한 변별력을 높이는 변수들을 고려하면, 임상적으로 도움이 될 것으로 판단된다.


REFERENCES

  1. Branham RL. Scientific Data Analysis:an introduction to overdetermined systems, 1990, Springer-Verlag, New York.

  2. Kiang NYS, Watanabe T, Thomas EC, Clark LF. Discahrge patterns of single fibers in the cat's auditory nerve. MIT Cambridge, 1965.

  3. Lim D. Digitalized stimulus synthesis system for audiological evaluation. Korean J Otolaryngol 1999;42:816-9.

  4. National Institutes of Health. Consensus Statement, Cochlear implants in adults and children. 1995;13(2):14-7.

  5. Pfingst BE, Zwolan TA, Holloway LA. Effects of stimulus configuration on psychophysical operating levels and on speech recognition with cochlear implants, Hearing Research 1997;112:247-60.

  6. Robbins AM, Renshaw JJ, Berry SW. Evaluating meaningful auditory integration in profoundly hearing impaired children, AJO, Supp, 1991;12:144-50.

  7. Sachs MB, Kiang NYS. Two tone inhibition in auditory nerve fibers. J Acoust Soc Am 1968;43:1120-8.



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