3 차원에 보컬 배 진동 연구 반의 laryngeal 설치

인간과 포유류의 목소리가 어떻게 생성되는지 이해하기 위해서는 성대의 진동을 조사하는 것이 중요합니다. 성대는 체내에서 연구하기 어렵기 때문에, 성대의 거동과 특성에 대한 더 자세한 정보를 얻기 위해 적출된 후두가 사용되어 왔습니다. 본 영상에서는 소위 hemi-larynx 설정을 구축하는 방법을 시연합니다.

성대 진동을 위뿐만 아니라 옆에서도 시각화하기 위해 후두의 절반을 제거합니다. 이는 전체 후두를 사용하는 일반적인 설정에서는 가려져 보이지 않는 진동 특성을 연구하는 데 유용합니다. 본 시연에서는 붉은사슴의 후두가 사용됩니다.

사용되는 후두 표본은 보통 액체 질소로 급속 냉동하여 냉동고에 보관하므로, 조직의 생체역학적 특성을 변화시키지 않기 위해 선택한 표본을 적절하게 해동해야 합니다. 먼저, 냉동된 후두를 이중 오토클레이브 백이나 기타 방수 밀봉이 가능한 비닐봉지에 넣습니다. 또한 후두가 수면 아래에 유지될 수 있도록 무게추를 함께 넣습니다.

봉투를 밀봉하고 후두가 완전히 해동될 때까지 약 30°C의 항온수조에 넣어 둡니다. 후두가 완전히 해동되면 봉투에서 꺼내 식염수로 깨끗이 세척합니다. 외경근이나 설골과 같이 불필요한 구조물이 있는 경우 이를 제거합니다.

일부 생물 음향학적 연구 질문의 경우 후두상 구조를 온전하게 유지할 수도 있으나, 이 경우 상단에서 성대의 가시성이 제한됩니다. 기관을 약 45 cm 길이로 짧게 잘라 나중에 후두를 공기 공급관에 장착하는 데 사용할 수 있도록 합니다. 준비 과정을 진행하기 전에, 항상 후두에 잠재적인 조직 이상이 있는지, 그리고 급속 냉동 과정 중에 간혹 발생하는 균열이 있는지 확인하십시오.

다음 단계에서는 갑상연골의 절반을 노출시킵니다. 먼저, 메스를 사용하여 외후두근을 제거합니다. 갑상연골의 전면부를 따라 수직으로 초기 절개를 하여 절차를 시작합니다.

보존 및 연구가 필요한 성대 부위의 손상을 방지하기 위해, 제거해야 할 쪽으로 절개선을 주의 깊게 유도하십시오. 골화로 인해 연골이 너무 딱딱한 경우에는 소형 톱을 사용하십시오. 그런 다음, 윤상연골을 정중시상면으로 절개하십시오.

피열연골 사이에서부터 수직으로 절개하고, 하갑상절흔의 수평 높이에서 멈춥니다. 환상연골에 있는 수직 절개선의 하단에서 시작하여 하갑상절흔 방향으로 수평 절개를 가해 두 절개선을 연결합니다. 제거할 후두 쪽을 앞쪽으로 접은 후, 갑상연골 내측의 연부 조직을 수직으로 절개합니다.

이 단계는 전체 과정에서 가장 중요한 순간입니다. 따라서 성대의 전방 부착부부터 갑상연골까지 절개할 때 극도로 주의하십시오. 갑상연골이 적절하게 절단되었다면, 생성된 성문에는 항상 약간의 전방 간격이 존재하게 됩니다.

성대의 우수한 상측 뷰를 확보하기 위해 성대 상부의 구조물들을 함께 제거하는 것이 유용할 때가 있습니다. 일부 사례에서는 절개 과정 후 후두 내부의 연조직이 갑상연골과의 연결을 잃고 성대를 가리게 됩니다. 이러한 경우, 불필요한 조직을 제거하는 과정이 필수적입니다.

마지막으로, 피열연골을 통해 성대 내전이 용이하도록 갑상연골의 후방 일부를 제거합니다. 이제 후두에는 설정 단계에서 사용된 L자형 클래스 플레이트 배치와 일치하는 L자형 홈이 형성되었습니다. 반후두의 왼쪽 면은 갑상연골과 윤상연골의 절개 부위가 남은 성대 및 피열연골과 함께 보이는 내측 뷰를 제공합니다.

반후두(hemi-larynges)를 위한 실험 설정은 세 가지 기본 부분으로 구성됩니다. 가온 및 가습된 공기를 후두로 전달하는 공기 공급 튜브가 있으며, 제거된 후두 부분을 대체하는 두 개의 투명 플레이트와 연구 대상 성대의 내전 및 후두 고정을 위한 프롱(prongs)이 있습니다.

이제 후두를 공기 공급관에 장착하겠습니다. 튜브를 틀니 고정 크림으로 덮고, 기관을 사용하여 후두를 장착합니다. 틀니 고정 크림은 접착제 역할을 하여 잠재적인 틈새를 밀봉합니다.

플라스틱 조임 스트랩이나 다른 유용한 클램프로 기관을 고정합니다. 절개 부위의 가장자리 또한 치과용 고정 크림으로 덮고 투명 플레이트를 부착합니다. 프롱을 사용하여 갑상연골을 안정시키고 성대를 내전시킵니다.

이제 반후두 설정이 준비되었습니다. 공기 흐름을 가하고 누출 여부를 확인하십시오. 공기가 옆으로 새어 나온다면, 고정 크림을 더 추가하여 틈새를 밀봉하십시오.

성대의 진동을 실시간으로 관찰하기 위해 스트로보스코프 조명을 적용할 수 있습니다. 반후두 설정의 주요 목적은 성대의 진동을 위쪽뿐만 아니라 옆쪽에서도 관찰하는 것입니다. 이를 위해 동기화된 두 대의 고속 비디오 카메라가 사용됩니다.

하나는 상단 뷰, 다른 하나는 측면 뷰를 위한 것입니다. 여기서는 6,000 fps로 작동하는 두 대의 동기화된 카메라로 기록한 반후두(hemi-larynx)의 성대 진동을 볼 수 있습니다. 왼쪽 패널은 상단 뷰를, 오른쪽 패널은 측면 뷰를 보여줍니다.

성대는 초당 약 70회의 속도로 진동하며, 캡처된 영상이 여기에서 슬로우 모션으로 표시됩니다. 성대와 유리판 사이의 공간을 성문이라고 합니다. 성문은 시간에 따른 면적 변화를 측정하여 정량화할 수 있습니다.

여기에서 성문 영역은 픽셀로 표시됩니다. 성대가 유리판에 접촉해 있을 때는 0이며, 성문을 통해 공기가 흐를 때는 0이 아닙니다. 반후두의 성대 진동 과정에서 발생하는 음향 신호를 분석하면, 주요 음향 흥분 이벤트가 진동 주기 동안 두 시점에서 발생함을 알 수 있습니다.

성대가 유리판에서 떨어지는 순간인 성문 개방 시점과 성대가 다시 유리판에 완전히 접촉하는 순간인 성문 폐쇄 시점을 확인합니다. 다음 애니메이션에서는 한 번의 진동 주기 동안 성대가 유리판과 접촉하는 면적이 시간에 따라 변하는 모습을 주황색으로 보여줍니다. 여기서 반후두 모델 설정은 전기성문도법(electroglottography, EGG)이라고 불리는 방법을 검증하는 데 사용됩니다.

동시에 획득한 EGG 신호를 여기 파란색으로 표시하였습니다. 성대 접촉 면적과 EGG 신호 사이에는 상당히 높은 상관관계가 있습니다. 이에 대한 더 자세한 내용은 저희 연구팀의 최근 연구에 기록되어 있습니다.

이 영상의 마지막 섹션에서는 화학영상 성문 운동 분석(chemographic glottal motion analysis)이라고 불리는, 성대 진동을 3차원으로 평가하는 새로운 방법을 소개합니다. 디지털 화학영상에서는 고속 영상 내의 한 직선을 따라 나타나는 이미지 정보를 각 비디오 프레임별로 분석하여 왼쪽에서 오른쪽으로 도식화합니다. 이렇게 생성된 화학영상은 시간에 따라 스캔 라인을 따라 나타나는 성대 구조의 움직임을 보여줍니다.

화학분석선(chemographic scan lines)을 성대의 정확한 중앙에 배치하여 상단 및 측면 뷰 모두에 대해 케모그램(chemograms)을 생성합니다. 성대 가장자리의 시간적 오프셋을 추적합니다. 하늘색 그래프는 성대의 외측 편향을 나타내며, 빨간색과 녹색 그래프는 각각 성대의 하단 및 상단 가장자리의 수직 편향을 나타냅니다.

결과 정보를 결합하여 성문 중앙선에서 관찰되는 성문의 2차원적 움직임을 보여주는 애니메이션을 합성할 수 있습니다. 본 영상에서는 반-후두(hemi-larynx) 설정을 구축하기 위한 튜토리얼을 제공하였습니다. 성대 진동을 상단뿐만 아니라 측면에서도 평가할 수 있는 잠재적 응용 방법들을 제시하였으며, 이를 통해 음성 생성의 핵심 측면을 더 잘 이해하기 위한 중요한 경험적 데이터를 추가하였습니다.