청각 장애인 청취자를 위한 자동 음향 위치 측정 시스템

요약

이 프로토콜은 정상 청력 참가자와 단측 난청 참가자를 대상으로 검증된 정밀한 스피커 배치와 통합 반응 분석을 갖춘 자동 음향 위치 측정 시스템을 도입합니다. 이 도구는 공간 청각을 재현 가능한 평가 방법을 제공하며, 국제 기능, 장애 및 건강 분류(ICF) 프레임워크를 사용하여 기능적 분류를 지원합니다.

초록

소리 신호는 청각 지각의 기본 요소이지만, 임상 평가는 기술적으로 여전히 까다롭습니다. 반원형 스피커 배열을 이용한 자유장 위치 측정 테스트가 금본위로 여겨지지만, 많은 기존 프로토콜은 검사관 주도 절차에 의존하며 위치 오류의 기능적 해석에 제한적인 지침을 제공합니다.

표준화된 자극 전달과 반응 습득을 기능 지향 해석 프레임워크와 결합한 자동 음향 위치 추적 프로토콜이 제시됩니다. 자극은 통제된 조건 하에 미리 정의된 방위각 위치에서 제시되며, 참가자 응답은 그래픽 인터페이스를 통해 수집되고, 위치 추적 성과 지표는 테스트 완료 시 자동으로 계산됩니다. 중요하게도, 정량적 위치 오류는 이후 국제기능장애건강분류(ICF) 기반 분류 프레임워크를 사용하여 임상적으로 의미 있는 범주로 변환됩니다.

이 프로토콜은 정상 청력 20명과 일측 청각장애(SSD) 14명을 포함해 34명의 성인에게 적용되었습니다. 참가자들은 표준화된 조건에서 테스트되었으며, 평균 제곱근 오차(RMSE)와 평균 절대 오차(MAE)를 사용하여 수행 수행 능력을 정량화하였습니다. 결과는 ICF 프레임워크에 따라 기능적으로 분류되었습니다. 정상 청취자는 지속적으로 낮은 위치 오류로 무장애 또는 경미한 장애를 보였으며, SSD 그룹은 더 큰 각도 오류와 더 높은 ICF 정의 장애 수준을 보였습니다.

자동 위치 추적 프로토콜과 ICF 기반 해석 척도를 통합함으로써, 이 접근법은 수평 음향 위치 측정의 재현 가능성을 높이고 공간적 청각 결손에 대한 임상적으로 적합한 해석을 가능하게 합니다. 제안된 프레임워크는 평가자 독립적 테스트를 지원하며, 임상 및 연구 환경에서 청취자 집단 및 개입 전반의 현지화 성과를 특징짓는 데 적용될 수 있습니다.

서론

청력 손실은 일반적으로 청력 측정법(pure-tone-audiometry)을 사용하여 측정되며, 이는 청각 임계값을 간단히 측정하고 임상의가 손상의 심각도를 분류하고 일상생활에서의 어려움을 예측할 수 있게 합니다. 그러나 청력 손실의 기능적 결과인 음향 위치 저하 ^{는 쉽게 포}착할 수 없습니다. 임계값 검사와 달리, 국소화는 양청 단서의 통합이 필요하며, 객관적으로 평가하거나 기능적 장애에 따라 분류하는 것이 훨씬 더 어렵습니다.

기존의 자유장 위치 측정은 오랫동안 표준 기준으로 여겨져 왔으나, 여러 한계가 있습니다. 신뢰성 있는 테스트를 보장하기 위해 최소 7개의 스피커를 반원형(-90°에서 90°) 배열로 정확히 배치해야 합니다^. 정밀한 공간 보정과 여러 스피커를 동시에 제어해야 하는 요구 사항 때문에 기술적으로 까다로울 수 있습니다. 또한, 음향 위치 측정 절차는 전통적으로 자극 전달, 반응 모니터링, 결과 기록 등 여러 단계에서 시험관의 상당한 참여에 의존해 왔습니다. 최근 연구에서 자동화의 정도는 다양하게 도입되었지만, 시험 시작 시점부터 완료까지 시험관의 감독이나 수동 개입이 일반적으로 필요합니다 ^5,6. 그 결과, 검사관 의존적 요인과 현장 특정 구현에 의해 현지화 결과가 영향을 받아 시험 실행에 변동성이 발생하고 기관 간 표준화가 제한됩니다. 이러한 어려움은 특히 장시간 검사 세션에서 주의력과 순응을 유지하는 것이 어려운 소아 인구에서 더욱 심각해집니다^. 이러한 요인들은 검사자와 부지 간에 변동성을 초래하여 교차 연구 비교를 복잡하게 만들고 음향 위치 추적 프로토콜의 표준화를 제한합니다 ^1,7.

이러한 문제를 해결하기 위해 효율적이고 검사관과 독립적인 음향 위치 측정을 가능하게 하는 자동화되고 표준화된 시스템이 필요합니다. 이러한 시스템은 검사 절차를 간소화할 뿐만 아니라 임상 및 연구 환경 전반에 걸쳐 재현성을 높일 것입니다. 더 나아가, 각도 오차나 편향을 정량화하는 것을 넘어, 국소화 성능을 기능적 범주로 변환하는 것은 임상적으로 더 의미 있는 해석을 지원할 수 있습니다.

본 연구에서는 자동화된 음향 위치 측정 시스템에 대한 통합 접근법을 제시하고, 국제 기능, 장애 및 건강 분류(ICF) 분류 ^{척도 1}을 사용하여 그 적용을 시연합니다. 이 접근법은 전통적 방법의 실질적 한계를 해결하면서도, 난청 개인의 위치 조절 능력을 평가하는 표준화되고 기능 중심적인 틀을 제공합니다. 제안된 시스템은 수평 음향 위치 측정의 표준화된 평가가 필요한 통제된 임상 및 연구 환경에서 사용하도록 설계되었습니다. 현재 프로토콜은 고정된 머리 위치 조건에서 방위각 위치 지정에 초점을 맞추고 있으며, 머리 움직임이 포함된 수직 위치 또는 동적 청취 시나리오는 다루지 않습니다. 이러한 제약은 불필요한 단서를 최소화하고 시험관과 시험 세션 간에 재현 가능한 평가를 보장하는 데 내재되어 있습니다.

프로토콜

연구 프로토콜은 Hallym University Sacred Heart Hospital의 기관심사위원회(승인번호: HALLYM 2023-07-015-001)의 검토 및 승인을 받았습니다. 모든 참가자는 참여 전에 서면 동의서를 제출했습니다.

1. 악기

참고: 테스트 중 부스 내부의 배경 소음 수준은 약 35 dBA 이하로 유지되어 외부 소음이 음향 위치 측정 성능에 방해가 되지 않도록 했습니다.

방음 부스(내부 치수는 약 3,800 × 2,200 × 2,100 mm)는 최소한의 주변 소음으로 통제된 자유 방음 청취 환경을 제공했습니다. 부스 내부에는 반원형 스피커 거치대가 반경 3,000mm로 설치되었습니다. 7개의 스피커가 −90°에서 +90° 방위각까지 30° 간격으로 설치되었고, 모든 스피커는 동일한 높이(앉았을 때 머리 높이; 약 1,050mm)와 참가자의 머리와 같은 거리에 배치되었습니다(그림 1). 스피커는 밸런스가 맞고 차폐된 XLR 오디오 케이블을 사용해 멀티채널 오디오 인터페이스에 연결되었습니다.

참고: 방음 부스 외부에 설치된 개인용 컴퓨터에 여러 스피커를 연결할 때, 부스 벽에 벽에 설치된 케이블 패널 또는 피드스루가 설치되었습니다. 이로 인해 부스 내부와 외부 간 케이블 라우팅이 안정적으로 이루어지면서 음향 차단과 케이블 잡음을 최소화할 수 있었습니다.
자극 제시와 데이터 수집은 맞춤형 소프트웨어를 실행하는 윈도우 기반 개인용 컴퓨터를 사용해 제어되었습니다(그림 2; 재료표 참조). 머리받침대가 달린 높이 조절 가능한 의자가 준비되어 자극 제시 시 참가자의 머리 위치를 안정화하도록 했습니다. 개별 참가자의 인체 측정을 수용하기 위해 조절 가능한 좌석 높이와 헤드레스트 위치가 있는 맞춤형 의자가 사용되었습니다. 헤드레스트는 자극 제시 시 참가자들이 일관된 정면을 향한 머리 자세를 유지할 수 있도록 촉각 피드백을 제공했습니다.

참고: 이 맞춤형 소프트웨어는 자동화된 사운드 위치 측정을 지원하기 위해 자체 개발되었습니다. 검사가 시작되면 소프트웨어가 자극 제시와 시험 순서를 제어하고, 터치스크린 인터페이스를 통해 참가자 응답을 수집했으며, 검사 완료 시 평균평균근 오차(RMSE), 평균 절대 오차(MAE), 위치 편향 등 위치 기반 성능 지표를 자동으로 계산했습니다.

그림 1. 수평 음향 위치 측정용 스피커 배열: 이 그림의 확대 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

그림 2. 실험 시스템의 도면. 이 시스템은 오디오 인터페이스에 연결된 개인용 컴퓨터로 구성되어 있었으며, 이 컴퓨터는 신호를 파워 앰프에 전달한 후 스피커 배열로 전달되었습니다. 모든 스피커에서 출력 레벨이 일정하도록 보정을 위해 음량계가 사용되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

2. 세셋01

테스트 시작 전에 모든 테스트 스피커에서 일관된 음향 표현 수준을 보장하기 위한 보정 절차가 수행되었습니다. 각 스피커에서 순차적으로 제시된 광대역 소음 자극은 테스트 자극과 일치하는 평균평균근(RMS)이었습니다. 자유장 마이크가 장착된 클래스 1 정밀 음향계가 참가자 위치의 머리 높이(약 1,050mm)에 삼각대에 설치되었습니다. 동등한 연속 음계(LZeq; 각 스피커의 Z 가중, 시간 평균 음압 수준을 측정하고, 측정된 LZeq가 모든 스피커에서 약 60 dB SPL(±0.5 dB)이 되도록 출력 레벨을 조정했습니다.

참고: 스피커 출력 레벨은 오디오 인터페이스 수준에서 조정하여 스피커 간 일관된 보정을 보장했습니다. 이 맞춤형 소프트웨어는 레벨 제어 기능을 포함하지 않았으며, 자극 제시, 시험 대조, 반응 수집, 그리고 위치 측정 지표 계산에만 사용되었습니다.

3. 실험

참가자는 머리가 전방 스피커(0° 방위각, 반원형 배열의 중심 위치)와 정렬되도록 맞춤 제작된 의자에 앉았으며, 반원형 스피커 배열의 중심에 위치했습니다. 헤드레스트는 후두돌출부에 단단히 맞도록 조정되었고, 참가자는 테스트 내내 헤드레스트와 접촉을 유지하도록 지시받았습니다. 응답을 기록하기 위해 터치패드가 참가자 바로 앞에 놓였고, 사용법도 제공되었습니다.

참고: 테스트 시작 시 잘못된 위치 선정은 효과적인 스피커 각도에 영향을 미치고 측정 정확도를 저해할 수 있습니다. 헤드레스트는 촉각 피드백을 제공하여 참가자들이 머리가 올바른 위치에 있는지 확인할 수 있게 했습니다. 응답 장치는 시각적 또는 청각적 장벽 역할을 해서는 안 되며, 터치패드가 참가자와 중앙 스피커 사이의 직접 시야를 가려서는 안 됩니다.

참가자 식별 코드와 시험 번호를 입력하고, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 통해 청력 장치 상태(인공와우, 보청기 사용 여부 또는 미보청기)를 선택했습니다. 익숙한 절차가 시작되었습니다. GUI에서는 친숙한 시퀀스를 시작하기 위해 친숙한 버튼 이 선택되었습니다. 참가자는 시퀀스 내내 중앙 스피커를 바라보도록 지시받았습니다. 친숙한 과정 동안 시스템은 각 스피커에서 자동으로 순차적으로 청각 자극을 전달했습니다.

참고: 참가자는 이 단계에서 머리를 앞으로 향하고 소리 근원 쪽으로 몸을 돌리지 않도록 지시받았습니다. 소리 위치 측정 테스트는 두 가지 스펙트럼 형태로 생성된 광대역 잡음 자극(20-20,000 Hz)을 사용했으며, 세 가지 강도 수준(55, 60, 65 dB HL)으로 제시되었습니다. 모든 자극은 지속 500ms, 시작 및 오프셋 램프 5ms를 가졌으며, 이는 확립된 위치 기반 프로토콜 ^1,2와 일치합니다. 총 6개의 고유 자극이 7명의 스피커 각각에서 무작위 순서로 제시되어 참가자당 42건의 시험이 진행되었습니다.

그림 3. 참여자 응답에 사용되는 스피커-맵 인터페이스. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

GUI에서는 사전 테스트 버튼을 선택해 사전 테스트 모드를 활성화했습니다. 참가자는 전면 스피커를 향해 앉고, 준비되면 터치패드의 스타트 버튼을 누르며 머리를 앞으로 향하도록 지시받았습니다. 시작 버튼을 누르자 시스템은 스피커 중 하나에서 첫 번째 테스트 소리를 보냈습니다. 사운드 발표 후 터치패드 디스플레이는 스피커 맵으로 전환되었고, 참가자는 이를 통해 인지된 소리 출처 위치를 선택했습니다(그림 3).

각 응답 후 시스템은 즉각적인 피드백을 제공했습니다. 정답을 맞출 경우, 다음 시험으로 진행하기 전에 확인 메시지가 표시되었습니다. 잘못된 답변의 경우, 지도에 올바른 스피커 위치가 표시되고, 그 스피커에서 소리가 세 번 재생되었습니다. 사전 시험은 세 번의 시험으로 구성되었으며, 세 번째 시험이 완료되면 시스템에 의해 자동으로 종료되었습니다.

참고: 피드백 시퀀스 동안 참가자는 머리가 전방 스피커 쪽을 향하도록 모니터링되었으며, 머리를 돌리는 것이 공간 신호의 정확한 인식에 방해가 되었기 때문입니다. 개별 시험은 자동화된 순서 내에서 반복할 수 없었기 때문에, 참가자가 명백히 앞으로 머리 자세를 유지하지 못하면 시험 수준의 반복이 아닌 세션 재시작이 촉발되었습니다. 이 재개된 세션들은 최종 분석에 포함되지 않았습니다. 사전 시험 시험 수는 시스템 내에서 미리 정의되어 있었으며(시험 3회로 제한),^시험관이 수정할 수 없었다.

사전 테스트가 완료된 후, 메인 테스트 버튼을 눌러 메인 테스트 시퀀스가 시작되었습니다. 참가자는 터치패드의 시작 버튼을 눌러 스피커 중 하나에서 소리가 재생되도록 했습니다. 사운드 발표가 끝난 후, 터치패드 디스플레이는 스피커 지도로 전환되어 참가자가 인지되는 소리 위치를 선택했습니다. 각 응답 후, 시스템은 다음 버튼을 표시했습니다. 참가자는 다음 버튼을 누르기 전에 휴식을 취하고 올바른 머리 방향을 확인한 후 다음 시험을 시작할 수 있었습니다. 시스템은 자동으로 미리 정해진 횟수의 시험을 진행하고, 시험 순서를 반복한 뒤 주요 시험이 완료될 때까지 계속되었습니다.

참고: 시험 내내 머리가 전방 스피커를 향해 향하고 있다는 점이 강조되었습니다. 이 자세는 공간적 단서에 대한 일관된 인식을 보장하고, 의도치 않은 머리 움직임으로 인한 편향을 방지했습니다. 자극이 끝난 후, 참가자들은 고개를 돌려 시각적으로 인식되는 스피커를 식별하고 선택할 수 있었습니다. 하지만 다음 실험이 시작되기 전에, 이들은 모든 이후 자극이 동일한 표준화된 조건 하에서 인지되도록 초기 전면 위치로 돌아갔다. 비록 이 시스템에 통합 헤드 트래킹은 포함되지 않았지만, 시험관은 시험 내내 머리 방향을 시각적으로 모니터링하여 참가자들이 각 자극 전에 필요한 전방 자세를 유지하는지 확인했습니다.

테스트가 끝나면 시스템은 자동으로 세션을 종료하고 로그 파일을 생성했습니다. 이 기록에는 제시된 자극, 소리 출처의 방향, 참가자의 반응 등 각 시도의 기록이 포함되어 있었습니다. 이 응답을 바탕으로 RMSE, MAE, 응답 편향을 계산했으며, 이는 시험 로그와 함께 저장되어 후속 분석을 위해 사용되었습니다.

참고: 세션 후 로그 파일은 원시 응답 데이터와 추가 분석에 필요한 계산된 성능 지표를 모두 포함하고 있어 적절히 저장되었습니다.

4. 데이터 처리 및 분석

음향 위치 측정 테스트가 완료된 후, 시스템은 기록된 시험 응답을 바탕으로 각 참가자의 RMSE, MAE, 응답 편향을 자동으로 계산했습니다. 시각화와 도표 준비를 위해 내보낸 데이터는 이후 맞춤형 스크립트로 처리되었습니다.

음향 지역화 성능에 대한 임상적으로 의미 있는 해석을 용이하게 하기 위해, 위치 오차 지표는 국제기능, 장애 및 건강 분류(ICF) 기반 프레임워크를 사용하여 추가로 분류되었습니다. 이 접근법은 이전에 제안된 수평 음향 위치 지정에 대한 합의 분류 체계를 기반으로 채택되었으며, 이 체계는 정량적 위치 오차를 기능적 장애의 단계별 수준에 매핑^{했습니다.} 이 틀에서 국소화 성능은 정상 청력(NH) 기준군에서의 위치 오차 분포와 특정 검사 설정과 관련된 확률 수준에 따라 다섯 가지 범주로 분류되었습니다. 중요한 점은, 이 분류가 기존 오차 지표(예: RMSE나 MAE)를 대체하지 않고, 수치 성과 측정값을 기능적으로 관련 있는 범주로 변환하는 해석 계층 역할을 했다는 것입니다. ICF 기반 분류는 본 연구에서 얻은 국소화 결과에 사후 적용되어 표준화된 해석을 지원하고 참가자 및 청취자 그룹 간 비교를 용이하게 했습니다.

결과

총 34명의 참가자가 등록되었으며, 정상 청력(NH) 성인 20명과 단측 청각장애(SSD) 성인 14명으로 구성되어 있으며, SSD는 장애 귀에 중증에서 심한 청력 손실(> 70 dB HL)을 가진 것으로 정의되었고, 반대쪽 귀는 순음 평균≤30 dB HL에서 최대 4,000 Hz까지 4,000 Hz로 정의됨). 이는 국제 합의²에 따라 확립된 SSD 정의에 따른 ^{것이다. 10}. NH 그룹은 남성 12명, 여성 8명으로 구성되었으며, 평균 연령은 28.85세± 5.88세, 평균 청력 임계치는 3.99 ± 4.12 dB HL이었습니다.

SSD 그룹은 남성 9명, 여성 5명(좌측 SSD 7명)으로 구성되었으며, 평균 연령은 36.37세± 16.24세였습니다. 장애 귀의 평균 청력 역치는 95.18 ± 24.36 dB H...

토론

제안된 국소화 시스템의 성능을 맥락 속에 놓기 위해, 본 연구에서 관찰된 국소화 오차를 이전 자유장 국소화 연구에서 보고된 값들과 연관지어 검토하였다. 연구 간 직접적인 정량적 비교는 실험 구성, 자극 매개변수, 반응 방법의 차이로 인해 본질적으로 제한되지만, 이전 연구들은 광대역 잡음 조건에서 NH 청취자의 수평 음각 위치 측정 성능이 다양한 실험 패러다임에서 비슷한 수의 자릿수 내에 머문다는 보고가 있습니다². 이전 자유장 연구에서는 NH 청취자에서 약 10°까지 수 도에 걸쳐 위치 오차가 보고되었으며, 더 넓은 수평 범위나 더 거친 공간 샘플링 구간을 사용할 경우 ^더 큰 오차가 관찰^{되었습니다.} 본 연구에서 NH 참가자들은 30° 공간 샘플링을 통해 ±90°...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
맞춤형 사운드 현지화 테스트 소프트웨어	자체 개발	해당 없음	자동 자극 제시, 시험 시퀀싱, 터치스크린 기반 반응 수집, RMSE, MAE, 위치 편향 자동 계산에 사용되는 맞춤형 소프트웨어 (파이썬 기반 버전 3.14.2).
R 소프트웨어	R 통계 컴퓨팅 재단	해당 없음	사후 데이터 시각화 및 도표 생성에 사용되는 통계 컴퓨팅 환경 (버전 4.4.2)
RME 파이어페이스 UFX+ 오디오 인터페이스	RME	파이어페이스 UFX+	자극 재생과 레벨 보정을 위해 사용되는 다중 채널 ASIO 호환 사운드카드. 개별 스피커의 출력 레벨은 인터페이스 레벨에서 조정되었습니다.
제넬렉 8010A 스피커	제넬렉	8010A	자유장 음향 위치 측정에 사용되는 풀 레인지 스피커. 모든 스피커는 방위각 위치에서 일관된 음향 출력을 보장하기 위해 동일한 모델이었습니다.
맞춤형 반원형 스피커 거치	자체 제작	해당 없음	반경 3000 mm, 높이 1050 mm, 7개의 스피커를 동일한 각도 간격(30°)으로 장착하도록 설계되었습니다.
높이 조절 가능한 의자	자체 제작	해당 없음	맞춤 제작된 높이 조절 가능한 헤드레스트가 장착된 의자로, 테스트 중 머리 위치를 안정적으로 유지하기 위한 촉각 피드백을 제공합니다.
윈도우 기반 개인용 컴퓨터	ASUS	PN64	자극 제시, 시험 대조군, 데이터 수집에 사용되는 미니 PC(인텔 코어 i5-13500H)
밸런스 오디오 케이블	모가미	W2594	스피커와 오디오 인터페이스를 연결하는 데 사용되는 저정전용량 밸런스 오디오 케이블
음향계	브르듵울; 엘 & Kjæ r	2250형	스피커 출력 보정에 사용; 클래스 1 정밀 기기 (IEC 61672-1)
자유장 마이크	브르듵울; 엘 & Kjæ r	타입 4189	½인치 프리편광 자유장 마이크, Type 2250과 호환되며 정확한 SPL 측정에 사용됩니다.
터치스크린 모니터	주연	뷰 B 이동	참여자 응답 수집을 위한 터치 스크린 모니터.
방음실	손텍 (맞춤 제작, 한국)	해당 없음	외부: 4050 & 시간; 2450 이상; 2575 mm (W & 시간; D & times; H); 내부: 3800 & 시간; 2200 이상; 2100 mm, 자유 필드 시험을 위한 소음 차단 환경을 제공하도록 설계되었습니다