보청기에 포함된 디지털 기술의 이해 - '소리를 잘 듣는다는 것'

일반인 또는 난청인들이 보청기를 통해 '소리를 잘 듣는다는 것' 에는 여러가지 디지털 기술이 포함되어 있음을 잘 알기도 어렵고 이해하기도 어렵습니다. 물론 굳이 "소리만 잘 들리면 되지 자세한 내용을 알면 뭐하나?"라고 반문 하실지도 모르겠지만, 보청기에 대한 기본적인 이해를 하고 있으면 소리를 올바르게 청취하는데 도움이 되리라 생각합니다.

 

아래에서 다룰 내용은 지금은 보편화된 디지털보청기의 기술에 대해 주요한 특징과 원리에 대해 살펴보고자 합니다.

방향성 마이크로폰 및 멀티 마이크로폰 배열 기술 (directional microphones & multi-microphone arrays)

소음 환경에서 어음을 이해하는 정도가 50%일 때, 이를 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio : SNR) 50, 즉 SNR 50으로 표현합니다. 정상인에 비해 난청 환자의 SNR 50은 30dB 까지 높다고 합니다. 이는 난청환자들이 정상 청력자에 비하여 잡음 환경에서 어음을 인지하는데 더 어려움을 느끼며, 이를 해결하기 위한 여러가지 보청기 기술의 개발이 필요하였습니다.

 

방향성 마이크로폰은 1960년대부터 사용된 기술로 주변 소음이 있을 때 어음을 이해하기 쉽도록 도와주는 보청기 기술중 하나입니다. 일반적인 청취 환경은 대화 시 다양한 방향에서 들려오는 잡음 환경에서 듣고자 하는 화자의 방향을 쳐다보며 대화하는 것입니다. 방향성 마이크로폰은 이러한 상황에서 주변 소음의 강도는 낮추고 듣고자 하는 화자 소리의 강도는 그대로 유지하도록 설계됩니다. 최근에는 운전 중 대화를 하는 상황같이 듣고자 하는 화자의 소리가 어떤 방향이든지 들을 수 있는 적응형 방향성 기술도 도입되고 있습니다.

 

방향성 마이크로폰은 기본적으로 입력구 앞과 뒤에 두개 존재하는데, 음이 발생하는 위치에 따라 전면과 후면의 입력구에 음이 도달하는 시간 차이가 발생하게 되며, 이로 인해 음의 방향에 따라 소리 증폭 크기가 달라지게 됩니다. 하지만 이 과정에서 발생하는 단점을 극복하고자 두 개 이상의 멀티 마이크로폰 배열을 이용하면 지향성 기술을 구현할 수 있습니다.  두 개 이상의 마이크로폰을 이용하여 지향성을 더 극대화한 제품도 나오고 있지만, 보청기의 소형화 추세에 따른 기구적 설계의 제한으로 대부분 두 개의 마이크로폰을 사용하는게 일반적입니다.

 

[그림1] 화자의 음성을 잘 듣기 위한 빔패턴 변화

 

최근에 출시되는 대부분의 보청기는 상황 인지 알고리즘과 접목되어 주변 환경에 따라 방향성 마이크로폰 모드와 전방향 마이크로폰 모드를 자동으로 전환하고, 듣고자 하는 음성 신호의 방향 신호를 극대화 하기 위해 빔패턴 및 방향을 자동으로 조절해 주는 기능(automatic bearm steering)을 탑재하고 있습니다. (그림1은 정면의 화자를 집중하는 빔패턴으로 변하는 과정을 보여주는 그림이다)

잡음 제거 기술 (noise reduction)

현대의 디지털보청기는 다양한 잡음 환경상에서 듣고자 하는 소리를 듣기 위하여 방향상 마이크로폰 및 다채널 마이크로폰 배열 기술뿐 아니라 잡음 제거 기술을 위한 신호처리 기술이 도입되고 있습니다. 특히 제한된 구조적 특징을 가진 귓속형 보청기의 경우 주로 단일 마이크로폰을 사용해야 하는 제약 조건 때문에 신호 처리 기술을 이용하여 잡음을 제거해 줍니다.

음향 되울림 신호 제어 기술 (feedback control)

[그림] 보청기 피드백제어 기술

보청기 음향 되울림 신호는 보청기의 기계적(mechanical), 음향적(acoustic) 설계특성으로 인하여 발생하는 신호로 보청기 착용자가 불편을 호소하는 주요 원인 중에 하나입니다. 음향 되울림이 발생하는 원인은 외이도(ear canal), 튜브의 벽, 몰드나 쉘 또는 환기구(venting)의 측면에서 새어 나오는 리시버의 출력음이 마이크로폰으로 다시 재입력되어 무한 되울림 상황을 만들면서 발생합니다. 

 

이러한 음향 되울림은 특정 주파수에서만 발생하게 되며, 발생 주파수는 외이도의 특성, 환기구의 크기, 보청기의 이득 곡선이나 주변환경 등 다양한 변수에 의해 결정됩니다. 주로 보청기 착용 전후나 보청기 착용 중 근처에 손, 벽, 스마트폰 같은 음향이 반사될 수 있는 장애물이 있을 때 발생합니다.

 

[그림] 다양한 피드백 발생원인

이러한 문제를 해결하기 위하여 환기구를 막거나 크기를 줄이는 다양한 기구 설계방법이 적용되었으나 폐쇄효과(occlusion effect)가 발생하여 실제 착용하는 데 불편함이 증가하고, 전체 볼륨이나 일부 고주파수 영역의 이득을 줄여서 출력하는 방법 또한 아래와 같은 단점이 발생합니다.

 

① 피드백을 줄이기 위해 환기관의 크기를 줄일수록 폐쇄효과가 증가한다.

② 이어몰드를 타이트하게 하거나 보청기의 귓속 부분을 길게 하면 착용이 착용이 불편하다.

③ 다른 유형의 보청기(BTE type)로 변경하기를 권할 경우 보청기를 사용하지 않도록 할 수 있다.

④ 이득을 줄여 어음의 이해도를 감소시킬 수 있다.

주파수 이동 기술 (frequency lowering)

난청으로 보청기를 사용해야 하는 대상자 중 대부분은 저주파수 영역의 손실보다 1kHz 이상의 대역의 고주파수 영역 손실이 큰 하강형 청력도를 보입니다. 이러한 난청 환자들은 자음과 같은 고주파수 대역의 소리를 듣는 데 어려움을 느끼고, 특히 다양한 잡음 상황에서는 어음 인지력이 현저히 떨어지는 현상을 보입니다.

 

[그림2] 주파수 이동기술

 

따라서 최근의 디지털보청기는 고주파수 대역의 정보를 낮은 주파수 대역으로 이동시켜 어음 인지력을 향상하는 기술이 적용되고 있습니다. 현재 상용화된 주파수 이동기술은 vocoding, slow playback, transposition, nonlinear frequency compression, frequency shifting 등 다양한 신호 처리 기법들이 개발되었습니다. 그림2는 고주파수 대역의 소리를 저주파수 대역으로 이동(transposition)시켜 전달하는 방법과, 고주파수 대역의 소리를 압축(compression) 하여 저주파수 대역으로 전달하는 방법입니다.

양이 통신 보청기 (binaural processing hearing-aids)

한쪽 귀 또는 양쪽 귀에 난청을 가지고 있는 경우 양이 보청기를 처방하는 것이 가장 효과적인 방법이지만 경제적인 부담과 외관 미용상의 이유로 한쪽만 착용하려는 경향이 있습니다. 양이 보청기를 사용하면 소리의 방향 정보를 왜곡 없이 양이에 전달함으로써 소리의 방향을 구별하는 능력(sound localization)이 향상되고, 잡음 속 듣고자 하는 어음 인지 향상에 도움을 줄 수 있습니다. 또한 양이의 균형있는 청취환경으로 인하여 향상된 음절을 느낄 수 있으며, 양쪽 귀로 듣게 되기 때문에 증폭 이득을 낮출 수 있어 음향 되울림 현상을 줄일 수 있습니다.

 

양이 통신 보청기 기술은 양쪽 보청기를 효율적으로 운영하여 기존의 디지털 보청기 알고리즘의 성능을 향상시켜 보청기 착용자들에게 보다 편한 음질 및 어음 인지력 향상에 도움을 주지만 양이 보청 기간 시간, 지연이 없는 안정적인 데이터 통신이 가능해야 하며, 배터리 소모량을 최소화할 수 있는 최적화 기술이 반드시 필요합니다.

외부 기기와의 무선 통신 연동 기술 (wireless technology)

 

 

과거 아날로그 보청기와 달리 디지털 보청기에서 무선 기술의 적용은 음향을 재생하는 텔레비젼, 오디오, 스마트폰 등의 가전제품 같은 외부 기기 연동 기술과 양이 착용에서 두 보청기의 무선 연결로 나눌 수 있습니다. 최근 각광을 받고 있는 블루투스(bluetooth)는 보청기를 통해 다양한 기기의 음향을 들을 수 있습니다. 각 보청기 제조사에서는 중계기(gateway device)를 사용한 제품을 소개하고 있습니다. 중계기는 블루투스를 포함한 주변 기기들로부터 보청기 대신 신호를 받아 전력 소모가 보다 적은 텔레코일(telecoil)이나 무선 주파수(radio frequency, RF) 기술을 통하여 보청기로 전송할수 있게 하는 중계장치를 말합니다. 현제 많은 디지털 보청기 무선 기술은 RF통신과 결합된 근거리 자기유도 기술(NFMI)을 사용하고 있습니다.

 

최근에는 블루투스 기술의 발전으로 귀걸이형 보청기에 별도의 어댑터 장치 없이 구현할 수 있으며, 스마트폰 또는 웨어러블 기기와 연동하여 보청기 피팅 및 사용자 환경 설정 같은 보청기 제어가 가능하고 음향 재생기기에서 재생된 음원을 보청기를 통하여 들을 수 있는 제품들이 출시되고 있습니다.

 

이상 에서와 같이, 최근 디지털 보청기 기술의 급속한 발전을 통하여 난청자들에게 듣기 편하고 잘 들리게 하기위해 다양한 솔루션들이 제공되고 있습니다. 분명한 것은 이러한 기술과 다양한 IT 기술의 융합으로 인하여 미레 디지털 보청기에 대한 만족도는 점점높아질 것으로 생각됩니다. 최근에는 인공지능(AI)과 같은 데이터 기반의 알고리즘의 발전으로 인하여 개인 최적화 보청기도 가능할 것으로 예상됩니다.

 

 

이편한보청기 청각센터 031-994-2544

 

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