청각손실의 관점에서 본 보청기의 원리

※ 참고 : 아래의 내용은 보청기의 원리를 설명하기 위해 청각손실의 관점에서 알기쉽게 설명한 내용으로 굿모닝보청기 광주남구센터 청각사 양박사님의 블로그에 포스팅된 내용을 원문그대로 수록하였습니다.

보청기는 난청이 있는 사람에게 청각 감각의 손실의 도와주는 기기입니다. 노인성 난청을 포함한 대부분의 난청은 청각 감각세포에 기인합니다. 이 감각세포의 관점에서 보청기의 원리를 살펴보겠습니다.

 

먼저 소리가 뇌를 통해 여행하는 과정을 아래의 영상으로 살펴봅니다.

 

The Journey of Sound to the Brain

소리가 뇌까지 잘 도달해야 듣거나 이해할 수 있습니다. 그림1에 Cochlea는 달팽이관 혹은 와우라고 하며 뇌에 신호릃 보내도록, 신경신호로 바꾸어주는 곳이 있습니다. 이곳에 청각 감각의 손실로 난청이 발생하면 감각신경성 난청의 한 종류가 됩니다. 감각신경성 난청에 가장 많이 사용하는 보청기는 기도형 보청기(그림2)입니다.

 

[그림1] 청각경로(audotory pathway)

[그림2] 다양한 기도형 보청기(스타키 뮤즈시리즈)

그림2와 같은 기도형 보청기는 소리를 전기 신호로 바꾸는 와우(달팽이관) 기능의 부족(청력 손실)을 보충합니다(그림 3의 빨간색 원 ③이 달팽이관 혹은 와우).

 

[그림3] 출처 https://www.soundshc.com/blog/2015/6/11/from-the-ear-to-the-brain

인간의 귀에는 양쪽에 2개의 내이가 있으며 이 내이에 와우(달팽이관)가 있으며, 그 크기는 매우 작습니다(그림5 참고).

 

[그림4] 출처 http://corey.med.harvard.edu/media.html

[그림5] 내이의 달팽이관 및 세반고리관의 실제 크기 비교

 

와우는 피아노 건반과 유사한 점이 있습니다. 와우의 문제가 있는 것은 건반에 문제 있는 피아노와 비슷합니다. 피아노 건반과 와우의 유사성은 아래 유투브영상 1:48초 부분에 잘 설명이 되어 있습니다.

 

What is up with Noises? (The Science and Mathematics of Sound, Frequency, and Pitch) 

출처: http://corey.med.harvard.edu/media.html cello6.mpg

한 개 달팽이관에 대략 1만 5천 개의 유모세포들이 있으며 그 크기는 매우 작습니다. 유모세포는 외유모세포와 내유모세포로 구분되고, 외유모세포는 1만2천 개, 내유모세포는 3천 5백개 정도라고 합니다. 이들 유모세포의 외형은 그림 6과 같습니다. Science American 1992년 11월판 표지는 그때 인간이 만들 수 있는 가장 작은 기어와 개미의 현미경 사진이 있습니다. 이 기어에 유모세포의 크기를 비교한 것이 그림 7의 녹색 원안에 있는 유모세포입니다.

 

[그림6] 출처 http://www.pnas.org/content/97/13/6939/F1.expansion.html

[그림7] 실제유모세포의 크기 비교 (녹색원) 출처 http://umech.mit.edu/hearing/intro/intro.html

이 유모세포는 소리에 따라 움직입니다. 아래 동영상은 코큰롤에 반응하는 유모세포입니다. 춤을 추고 있습니다. 만일 이 유모세포가 손상되면 춤을 잘 출 수 없게 됩니다.

Dancing hair cell (ear)

와우의 감각 손실의 결과

 

와우가 손상되면

 

(1)  작은 소리를 듣기가 어렵습니다(reduced audibility).

(2)  만일 작은 소리를 듣게 해준 만큼 큰 소리를 듣게 해주면 너무 커서 들을 수 없습니다(reduced dynamic range).

(3)  인접 주파수의 비숫한 소리를 구분하지 못합니다(reduced spectral resolution).

(4)  소리가 연달아 오면 구분하기 어렵습니다(reduced temporal resolution).

 

보청기의 원리는 이들 감각 손실을 보조, 보상하기 위한 방법으로 동작합니다.

 

 작은 소리를 듣기가 어렵습니다(reduced audibility).

말소리는 자음과 모음으로 구성됩니다, 자음과 모음의 주파수는 먼저 모음은 낮은 주파수(저음역)에 주로 분포하고, 자음은 높은 주파수(고음역)에 주로 분포합니다. 자음과 모음의 크기는 모음의 크기가 상대적으로 큰 편입니다. 그렇기 때문에 청각 손실이 발생하면 높은 주파수의 자음을 듣기 어렵게 됩니다.

갔냐, 찾냐, 팠냐, 탔냐, 잡냐, 했냐, 쌌냐가 모두 구분이 되지 않습니다.

들리긴 하는데 구분하기 어렵게 됩니다. 보청기원리 중 주파수 조절이란 것이 있는데 이것이 자음과 모음의 가청도롤 조절하는데 사용됩니다. 음악 재생기, 앰프에 있는 이퀄라이저와 비슷한 기능입니다. 저음역, 중음역, 고음역의 균형이 가장 중요합니다. (그림 8 참조)

 

[그림8] Low frequencies, Mid frequencies, High frequencies 스타키 인스파이어

발음 oo, ee의 경우 500Hz 이상에서 구분할 수 있는데 500Hz 주파수 이상을 듣지 못하면 구분할 수 없게 됩니다. 500Hz 이상에 청력손실이 있는 그림9에 오른쪽에서 oo, ee모양이 같아 구분이 불가능 합니다.

 

[그림9] 난청으로 모음 oo, ee를 구분하지 못하는 이유를 설명하는 그림

 

작은 소리를 듣기가 어렵습니다(reduced audibility).

와우 손실로 발생하는 난청의 경우 작은 소리는 듣지 못하지만 큰 소리를 잘 듣기 때문에 작은 소리만 증폭을 하는 것이 큰 소리의 불편함을 줄일 수 있습니다.

작은 소리와 큰 소리를 같은 크기로 키우면 불편하여 초기의 보청기는 볼륨 조절기로 보청기 착용자가 작으면 키우고 크면 줄여서 감소된 역동범위를 해결하였습니다.

현대의 거의 모든 보청기는 난청자가 들을 수 있는 소리의 범위(dynamic range)를 보상하는 보청기 원리로, TILL(Trabel Increase at Low Levels), BILL(Base Increase at Low Levels), WDRC(Wide Dynamic Range Compression) 형식의 자동볼륨 조절기를 내장하여 와우의 역동 범위 손실을 보상하고 있습니다. 난청자의 난청에 가장 적절히 조절하는 것이 가장 중요하겠습니다.

 

1990년대 Mead C, Killion 박사의 K-AMP가 상업적으로 성공하기 전에 대부분의 보청기는 작은 소리와 큰 소리를 같은 정도로 증폭하는 선형증폭기를 사용했습니다. K-AMP 이후 비선형증폭기가 시장에 주류를 이루기 시작합니다. [Textbook of Hearing Aid Amplication 24pp] ) (참고 아날로그는 선형, 디지털은 비선형이라고 생각하는데, 이때 K-AMP는 아날로그 기반의 보청기입니다. 현대의 디지털 보청기는 대부분 선형으로 동작시킬 수 있습니다)

 

인접 주파수의 비숫한 소리를 구분하지 못합니다(reduced spectral resolution).

와우에 모세포가 손상되면 들어오는 신호에 정확하게 반응하지 못하며, 결과적으로 비슷한 주파수의 음을 구분할 수 없습니다. 그림 10의 위쪽과 같은 신호가 들어왔을 때, 정상 와우는 아래(b)의 점선으로 구별하지만 와우 손상을 검은색으로 반응하여 다른 신호가 됩니다. 노래를 듣고 음을 구분하지 못하는음치와 비슷하겠습니다. 가수가 음을 잘 구분했는데 이 구분이 여려워지면 얼마나 힘들까요?

 

[그림10] 주파수 분해능의 감소

 

소리가 연달아 오면 구분하기 어렵습니다(reduced temporal resolution).

정상 와우는 들어오는 소리에 빨리 반응을 하지만 손상된 와우는 그 반응이 늦습니다. 따라서 말소리와 소음이 같이 들어오는 경우에 신호와 잡음이 섞이게 됩니다.

이것을 보완하는 보청기원리는 신호와 잡음 중 신호는 그대로 두고 잡음을 줄이는 SNR(신호대 잡음비, signal to noise ratio)비를 올리는 기능이 있습니다.

이 신호대 잡음비를 개선하려고 디지털보청기가 출현했다고 생각하는 것이 좋습니다. 보청기에 기능은 다음과 같은 것으로 구현되었습니다.

• DNR (디지털잡음 소거 기능)

• 방향성 마이크로폰(귓속형 보청기는 한 개 제조사 계열 중 프리미엄 보청기 2개 착용 시만 동작, 대부분의 귓속형은 동작되지 않음)

• 빔 형성 마이크로폰(두 개의 회사 제품 귀걸이형 중 양이 착용시 동작)

• E2E(ear to ear)

[요약] 보청기의 원리

 

인터넷에 보청기원리를 찾아보면 마이크로폰, 앰프, 리시버(스피커)로 원리를 많이 설명합니다. 하지만 보청기를 와우 손상을 보상하는 관점에서 보는것이 더 좋을 것 같습니다.

 

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