[최신 청각기술 동향 1부] 오티콘 Own - 말소리 명료도 개선, 청취 노력 감소 - 오티콘 기술백서

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다음은 최근 출시(국내 2023년 1월)된 오티콘 보청기 오운(Own) 제품에 탑재된 최신기술의 객관적인 임상적 수행능력을 기술적으로 검증한 내용으로 본사의 자체 기술백서에 소개된 내용을 2부에 나누어 소개해 드릴까 합니다.

 

Oticon Own 보청기는 폴라리스 칩셋이 탑재되었으며, 모어 사운드 인텔리전스(이하 MSI), 모어 사운드 엠플리파이어(이하 MSA) 및 모어 사운드 옵티마이저(이하MSO)와 같은 최신 청각기술로 탁월한 사운드 경험을 제공받을 수 있도록 설계되었습니다. 이미 알려진 바와 같이, MSI는 전체 사운드 장면에 대한 더 나은 엑세스를 제공하는 것으로 밝혀졌습니다. 이 기능이 Oticon Own에도 추가되었습니다. 신호 대 잡음 비(이하 SNR) 및 동공 사이즈를 측정하여, 귓속형의 MSI 성능을 테스트했습니다. 당사의 피드백 방지 기술은 MSO도 테스트를 거쳐, 다양한 상황에서 임상적 견고성에 대해 경쟁사와 비교하였습니다.

 

소음 상황에서 말소리 명료도

배경

'소음 상황에서 친구와 가족의 말소리를 듣는 것'은 보청기 사용자가 생각했을 때 필수적인 보청기의 성능이라 평가했으며, 88% 이상이 "매우 중요" 하다고 평가했습니다. 최신 보청기는 소음상황에서 대화를 따라가고, 적극적으로 참여할 수 있도록 돕기 위해, 고급 신호 처리 기술을 적용하여 말소리에 대핸 액세스를 유지하고, 복잡한 청취 환경에서 원치 않는 소음을 감소시킵니다. 폴라리스 플랫폼에 적용된 최신의 청각 기술은 의미있는 소리와 배경 소리 간의 대비를 향상시키기 위해 MSI를 도입했습니다. 이는 수 백만의 실생활 소리 장면으로 훈련된 심층 신경망(DNN) 기술을 적용하여 복잡한 청취 상황에서 말과 소음 사이에 더 큰 대비를 제공함으로써 기존의 방향성 및 소음 감소 기술을 능가하는 것으로 입증되었습니다. 여러 리서치에 따르면, 이러한 기술적 개선으로 전체 소리 장면에 접근, 듣고 싶은 소리에 더 쉽게 집중, 기억 능력 및 말소리 이해력 개선, 청취 노력 감소 등의 중요한 BrainHearing  임상적 이점으로 이어졌습니다. 

 

MSI 이점은 Oticon More 귀걸이형에서 관찰되었습니다. 과연 MSI가 Oticon Own에 적용되었을 때도 보청기 사용자의 수행 능력을 향상시킬 수 있을까? 라는 질문에 답하기 위해 Oticon Own 출력 SNR과 기존 귓속형 Oticon OPN 보청기가 제공하는 출력 SNR을 비교했습니다. 출력 SNR은 보청기의 성능을 정량화 하기 위한 측정 방법입니다. 주어진 사운드 장면에서 큰 출력 SNR이 나왔다면, 말소리와 관심 있는 소리와 원치 않는 배경 소음 사이의 큰 대비를 보인다는 것을 의미합니다. 즉, 복잡한 청취 상황에서 보청기의 출력 SNR의 큰 값이 나오는 것이 바람직합니다.

 

[그림1] 출력 SNR을 측정하기 위한 테스트 세팅, 아이 트래커는 동공 측정에만 사용되며, 배경 신호는 단일 남성 화자의 말소리에 SSN(speech-shaped noise)를 혼합하여 제시하였습니다.

방법

출력 SNR을 추정하기 위해, 사운드 스튜디오에서 소음 속 어음 장면을 재현했습니다(그림 1). HINT 테스트의 말뭉치(corpus)를 이용하였으며, 말소리 신호는 앞쪽에서 위치한 스피커에서 남성 화자의 소리를 재생하며, 배경 신호는 방위각 100도 및 260도 측면에서 재생되었습니다. 배경신호는 단일 남성 화자의 말소리에 SSN(speech-shaped noise)를 혼합하여 제시하였으며, 말소리 레벨은 65dB SPL로 설정되었습니다. 노이즈 마스커의 레벨은 60, 65, 70, 75dB SPL로 설정되었으며, 이는 각각 단순, 중간, 복잡 및 매우 복잡한 소음 속 상황에 해당합니다.

 

헤드 앤 토르소 시뮬레이터(이하 HATS)를 라우드 스피커 설정의 중앙에 배치하였으며, Oticon Own과 Oticon OPN 보청기를 각각 양쪽에 착용시켰습니다. 이 듀얼 마이크 보청기에는 MSI(Own 제품 적용), OSN(OPN 제품 적용) 기능이 탑재되어 있습니다.HATS의 외이도 끝에 위치한 듀얼 마이크의 보청기 출력 신호를 녹음했습니다. 녹음된 소리가 보청기 신호 처리를 반영하는지 확인하기 위해 HATS의 맞춤형 ITE 형태를 제작하였습니다. 보청기의 이득은 중등도 난청에 맞게끔 제공되었으며, NAL-NL2 처방 공식을 사용하는 N3 표준 청력도를 기반으로 적용하였습니다. 출력 SNR은 Hagerman & Olofsson(2004)의 위상 반전 방법을 적용하여 계산하였습니다. 각 주파수 밴드에서 계산된 SNR은 음성 명료도 지수(이하 Sll, ANSI S3.5 1997)의 표준에 따라, 말소리 이해를 위한 대역 중요도에 따라 가중치를 부여했습니다.

 

[그림2] 입력 SNR이 +5dB(단순), 0dB(보통), -5dB(복잡) 및 -10dB(매우 복잡)인 환경에서의 SNR 개선수치를 그래프화 하였습니다. 이는 듀얼 마이크 형태의 보청기를 이용하여 측정하였습니다.

결과

 그림 2는 단순 환경(+5dB SNR)에서 매우 복잡한 환경(-10dB SNR)에 이르는 청취 상황에서 각 제품들이 제공하는 SNR 개선 수치를 보여줍니다. 청취 상황의 복잡성이 증가함에 따라 보청기 사용자는 더 많은 도움을 필요로 하는데, 두 제품 모두 SNR 향상을 제공합니다. 더불어, Oticon Own이 Oticon OPN에 비해 추가 SNR 이점을 제공한다는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 심층 신경망이 적용되어 있는 Oticon Own이 복잡한 상황에서 확실히 성능이 우수하다는 것을 보여 줍니다. Oticon Own은 말소리와 배경 사이에 최대 2.3dB의 추가 대비를 제공하며, 이는 매우 복잡한 청취 상황에서 음성 선명도가 25%  향상되었음을 의미합니다.

 

음성 명료도 지수(Sll)는 청취자가 듣고 활용할 수 있는 음성 정보의 비율을 0%에서 100% 범위로 정량화 한 표준 척도입니다. ANSI S3.5-1997의 절차를 준수하여, 표준 N3 청력도를 이용하였습니다. 이 방법으로 자체적으로 MSI 및 OSN이 사용자에게 제공하는 음성 신호의 양을 추정하고, 비교할 수 있습니다.

 

[그림3] 계산된 Sll (Speech Intelligibillty Index)는 Own 제품의 MSI 및 Opn 제품의 OSN의 활성화 여부에 따라, 복잡한 청취 상황에서 보청기 사용자가 접근 가능한 어음 신호의 양을 정량화 할 수 있습니다.

 

그림 3은 Oticon Own의 MSI(활성화/비활성화)와 Oticon Opn의 OSN(활성화/비활성화)의 복잡 및 매우 복잡한 상황에서 계산된 SII 값을 보여주고 있습니다. 복잡한 상황에서 MSI와 OSN이 비 활성화 되었을 때, 모두 동일한 SII 값(24%)을 생성합니다. Oticon Own은 MSI가 활성화되었을 때, 음성 신호에 대해 추가 27%의 액세스를 제공하며, OSN이 켜져 있는 Oticon Opn은 추가 5%의 이점을 제공합니다. 매우 복잡한 청취 환경에서는 MSI가 꺼진 Own 제품과 OSN이 꺼진 Opn 제품 모두 10%의 Sll를 보입니다. Own 제품은 MSI가 활성화 되었을 때, 음성 신호에 대해 32%  액세스를 제공하며, OSN가 활성화되어 있는Opn 제품에 비해 85% 추가 이점을 더 제공합니다. 유사한 소음 속 어음 상황에서 정상 청력의 계산된 Sll는 약 40~50%인 것으로 나타났습니다. 즉, Oticon Own에서 MSI로 얻은 Sll 값과 동일한 범위에 속하는 것을 알 수 있습니다.

 

결론

듀얼마이크의 Own 및 Opn 제품의 성능을 비교하면, 심층 신경망이 탑재된 DNN 기반 Own 제품이 복잡한 청취 상황에서 Opn 제품 보다 말소리와 배경 사이에 더 많은 대비를 제공한다는 것을 발견했습니다. 뿐만 아니라, 보청기 사용자가 접근할 수 있는 말소리 신호가 더 많아졌습니다. 즉, 복잡한 청취 환경에서 대화를 나눌 때, 보청기 착용자에게 더 나은 지원을 제공하는 것을 의미합니다.

 

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Oticon Own의 청취 노력

배경

시끄러운 청취 환경에서 의사소통에 참여하는 것은 난청이 있는 사람들에게 중요한 도전 중에 하나입니다. 대화에 적극적으로 참여하는 거슨 청각 재활의 최우선 목표로 볼 수 있습니다. 그러나 주의력 및 기억력과 같은 인지 자원에 대한 부하는 보청기를 착용했음에도 불구하고, 청각 피로로 이어질 수 있습니다. 보청기 사용자의 관점에서 듣기 위해 투자하는 정신적 노력은 음성 정보를 인식하는 능력만큼 어려울 수 있습니다.

 

어려운 청취 조건 하에서의 인지 능력 고갈은 일반적으로 경도 난청에서도 보고됩니다. 지난 10년 동안의 연구는 이러한 노력의 경험을 객관적이고 생리적인 측정과 연결했습니다. 눈의 동공 반응을 모니터링하면, 단일 문장을 부호화 하는 인지 노력이 동공 크기의 변화에 영향을 미칠 수 있음이 드러납니다. 따라서 모든 청취 작업은 난이도에 따라 점진적으로 증가하는 동공 크기의 동적 변화를 생성합니다(최대 동공 확장(peak pupil dilation, 이하 PPD), 문장이 소음으로 나타나거나 듣는 사람에게 모호한 경우 또는 듣는 사람이 청력이 손실 된 경우 음성 콘텐츠를 인코딩하려면 더 많은 노력이 필요합니다. 더 많은 청취 노력은 상대적으로 더 큰 PPD를 생성합니다. 따라서 PPD는 듣기에 대한 인지 요구를 측정하기 위한 실용적인 도구입니다.

방법

Oticon Own의 MSI의 청취 노력에 대한 효과를 연구하기 위해, 경도-중등도의 양측 감각신경성 난청이 있는 13명의 숙련된 보청기 사용자에게 무작위 순서로 MSI On/Off를 적합해 주었습니다. 각 조건에서 PPD는 문장을 듣고, 가능한 한 정확하게 문장을 반복하는 상황에서 녹음되었습니다. 말소리 신호는 전면에서 제시되었고, 청취를 방해하는 또 다른 화자와 소음원을 결합한 배경 신호는 두 곳의 위치에서 제시되었습니다(그림 1). 테스트 단계 전에 참가자는 작업을 이해 했는지 확인하기 위해 20개의 문장으로 교육을 받았습니다. 테스트 하는 동안 참가자들은 각 조건에 대해 25개의 문장을 듣고 따라 하였습니다. 음성 수신은 정확하게 반복된 문장의 비율로 표시되었습니다.

 

[그림4] 말소리 인식 작업 중에 최대 동공 확장 사이즈(PPD)를 표시하였습니다. 이는 듣기 노력을 의미하며, 막대 그래프는 각 조건에서의 평균 PPD를 나타냅니다.

결과

두 조건 모두 말소리 수신이 매우 유사하고 높은 수준(Oticon Own MSI ON : 98%, Oticon Own MSI OFF : 97.3%)에 도달하여, 두 조건 모두 음성 인코딩을 효율적으로 지원했음을 시사합니다. 그러나 PPD는 MSI를 활성화 했을 때, 동공 사이즈가 작아지는 것을 확인할 수 있었고, 이 차이는 통계적으로 유의했습니다(p=.0275). 낮은 PPD 값은 음성 인코딩 작업에 인지 노력이 덜 필요했을을 시사합니다.

 

다시 정리하면, 두 조건은 보청기 사용자에게 음성 인식에 대한 유사한 지원을 제공합니다. 그러나 사용자가 동일한 청취 성능을 달성하기 위해, MSI를 활성화해야 하고, 이는 더 적은 인지 자원을 투자하는 것을 PPD 측정으로 확인할 수 있었습니다.

 

음성을 정확하게 인식하는 능력과 이를 수행하는 데 필요한 인지 부하를 비교했을 때, 두 조건 간의 흥미로운 유사점과 차이점이 드러났습니다. 두 조건 모두 음성 수신에 대해, 높은 수준의 지원을 사용자에게 제공했습니다. 이러한 부분은 25개의 문장으로 관찰할 수 있었습니다. 이 패턴을 청취로 일반화하면 인지 자원의 더 많은 사용은 청취 노력이 상승된다는 것을 뜻하며, 이는 청각 피로도를 앞당길 수 있음을 의미합니다. 저녁 식사나 가족 모암과 같이 길고 복잡한 청취 시나리오에 참여하는 사용자가 유사한 패턴을 경험할 수 있습니다. 두 조건 모두에서 높은 음성 수신 지원이 재공되지만 MSI를 활성화 할 경우, 청취 노력이 덜 필요합니다. 결과적으로 MSI는 보청기 사용자에게 사교 활동과 같이 음향적으로 요구되는 환경에 더 쉽게 잠여할 수 있는 이점을 제공합니다.

 

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