Address for correspondence : Sang Joon Lee, MD, Department of Otorhinolaryngology-Head & Neck Surgery, College of Medicine, Dankook University, 201 Manghyang-ro, Dongnam-gu, Cheonan 31116, Korea
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서론

성대 양성점막 병변에서 후두미세수술의 목표는 병변의 제거를 통한 음성 기능의 회복이며, 수술의 효과를 측정함에 있어서 중요한 지표는 음질이다.1) 청지각적 분석이 음질평가에 있어서 기준이 되며 GRBAS 척도(Scale)가 주로 사용되나 객관성 및 신뢰성의 제한이 있다.2) 이를 보완하기 위해 음성분석(voice analysis)이 이루어진다.3)
음성의 변화를 객관적으로 측정할 수 있는 음향지표로 가장 널리 사용되는 것은 Multi-Dimensional Voice Program (MDVP)의 여러 음향지표들(acoustic parameters) 중 기본주파수(fundamental frequency, F0), 단구간 주파수 변동률(short-term variability of the peak-to-peak pitch, Jitter %), 단구간 진폭 변동률(short-term variability of the peak-to-peak amplitude, Shimmer %), 소음 대 배음비율(noise to harmonic ratio, NHR)이다.4) 이러한 음향지표들은 성대진동주기의 변화와 관련된 음질의 비정상 정도에 대한 청지각적 변화를 반영한다.5) 그러나 성대 양성점막 병변과 기능적 오남용은 상호영향을 주고받으므로 수술에 따른 음성변화는 성대의 구조적 변화에 따른 성대진동주기의 변화 외에도 다양한 기능적 측면의 변화에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 음성의 다양한 측면에서의 특성을 정량화하고 발성장애를 보다 객관적으로 예측하기 위해서는 다양한 음향지표 및 분석방법으로 알아보는 것이 요구된다.6)
MDVP의 Jitter %와 Shimmer %, NHR 외에도 fundamental frequency variation(vF0), smoothed amplitude perturbation quotient(sAPQ), peak amplitude variation(vAm)과 같은 장구간 변동률을 포함한 MDVP의 다른 주요 음향지표들도 음성산출과정에서 일어나는 성대진동패턴 및 긴장도와 성문상부 성도 공명 등의 다양한 기능적 측면의 변화에 대한 정보를 제공한다.7,8) 그러나 MDVP는 F0 검출하에 다양한 변수들을 산출해내므로 F0가 검출되지 않는 음성은 분석이 불가하며, 대부분의 변수가 변동률 분석치이므로 연장발성길이가 3초 이하인 음성을 분석하는 것은 부적절하다는 제한점이 있다. 켑스트럼과 스펙트럼은 F0가 검출되지 않는 음성도 분석이 가능하므로 음성분석에 유용하다.9,10) MDVP의 장구간 변동률을 포함한 기타 주요 음향지표들과 켑스트럼/스펙트럼 자동분석 음향음질분석프로그램인 Analysis of Dysphonia in Speech and Voice(ADSV; KayPENTAX, Montvale, NJ, USA)의 음향지표들은 음향음성분석에서 음질 관련 다양한 측면에 대한 객관적 정보 제공에 유용하지만 자주 사용되지는 않는 실정이다.11)
본 연구는 후두미세수술 관련 음질이 청지각적 및 다양한 음향지표에서 어떠한 차이를 보이는지 분석비교하였다. 또한 주관적인 청지각적 음질특성을 가장 잘 반영할 수 있는 객관적인 음향지표를 알아보고자 하였다.

대상 및 방법

대상
2014년 9월부터 2016년 1월까지 성대 양성점막 질환으로 진단된 환자 중 후두미세수술을 받고 수술 전 후 1개월 내에 음성샘플이 수집된 환자 49명을 대상으로 하였다. 남자가 24예, 여자가 25예였고 연령분포는 18세부터 79세까지로 평균 연령은 46.6세였다. 진단명별 환자의 분포는 성대폴립 31예(63.3%), 성대낭종 10예(20.4%), 라인케부종 4예(8.2%), 성대결절 4예(8.2%)였다(Table 1).

음성평가
음성샘플은 모두 CSL 4500(KayPENTAX)으로 표본추출률 44.1 kHz, 16 bit 양자화하여 수집된 연장발성 /아/였다. 음성샘플 전체구간 중 발성시작 50 ms를 잘라낸 이후의 3초 구간에 대해 청지각적 분석과 음향분석을 하였다.

청지각적 분석
청지각적 분석으로는 언어치료사 1명(1급 자격소지, 음성장애 관련 임상경력 15년 이상)이 GRBAS Scale(4점 척도)로 음질비정상정도(Grade, G), 조조성정도(Roughness, R), 기식성정도(Breathiness, B), 무력성정도(Asthenia), 긴장성정도(Strain, S)를 측정하였으며 측정 재측정을 통해 평가자 내 신뢰도를 구하였다. GRBAS 각 척도에 대한 평가자 내 신뢰도는 스피어만 상관계수(Spearman correlation coefficient)가 0.731~0.937로 모두 유의하였다.

음향분석
음향분석은 MDVP와 ADSV를 사용하여 다양한 음향지표를 산출하였다. MDVP로는 임상에서 주로 사용되는 음향지표인 F0, Jitter %, Shimmer %, NHR를 분석하였고 장구간 변동률(vF0, vAm, sAPQ)과 약한발성지수(soft phonation index, SPI), 저조파율(degree of sub-harmonics, DSH), 무성음율(degree of voiceless, DUV)을 포함한 기타 주요 음향지표도 분석하였다. ADSV로는 켑스트럼 정점 현저성(cepstral peak prominence, CPP), 저고주파수 스펙트럼 에너지율(L/H spectral ratio, L/H Ratio), 켑스트럼/스펙트럼 발성장애 지수(cepstral/spectral index of dysphonia, CSID)를 분석하였다.

통계분석
통계분석은 SPSS version 17(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하여 수술 전 후의 음성을 비교하기 위해 대응 t-검정(paired t-test)을 이용하였고, 청지각적 음질특성과 음향지표들 간의 상관성 분석을 위해 스피어만 상관분석(Spearman correlation analysis)을 이용하였으며 일반적으로 상관계수가 0.6~0.8 범위인 경우 상관이 높고, 0.8~1.0 범위인 경우 상관이 매우 높은 것으로 평가된다. 유의수준은 0.05 미만을 통계학적으로 유의한 것으로 판단하였다.

결과

수술 전후 청지각적 음질특성 비교
음질비정상정도 척도인 'G'는 수술 전 1.56에서 수술 후 1.01로, 조조성정도 척도인 'R'은 수술 전 1.05에서 수술 후 0.69로, 기식성정도 척도인 'B'는 수술 전 1.13에서 수술 후 0.65로, 긴장성정도 척도인 'S'는 수술 전 1.21에서 수술 후 0.52로 음질 및 발성유형 비정상정도가 모두 통계적으로 유의한 감소를 보였다(p<0.01)(Table 2).

수술 전후 음향지표 비교
MDVP 주요지표에서 F0는 수술 전 163 Hz에서 수술 후 158 Hz로 감소되었으나 통계적으로 유의한 차는 없었다(p>0.05). Jitter %는 수술 전 2.57%에서 수술 후 1.61%로, Shimmer %는 수술 전 6.78%에서 수술 후 3.18%로 NHR은 수술 전 0.17에서 수술 후 0.12로 감소되었고 모두 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.05). MDVP 기타 주요 지표에서 vF0는 수술 전 6.34%에서 수술 후 2.20%로, sAPQ는 수술 전 6.12%에서 수술 후 3.69%로, vAm은 수술 전 16.72%에서 수술 후 10.98%로, SPI는 수술 전 18.94에서 수술 후 25.18로, DSH는 수술 전 4.98%에서 수술 후 0.59%로, DUV는 수술 전 8.03%에서 수술 후 0.53%으로 감소되었고 모두 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.01).
ADSV 주요 지표에서 CPP는 수술 전 9.82 dB에서 수술 후 12.04 dB로, L/H Ratio는 수술 전 29.35 dB에서 수술 후 35.02 dB로 증가했으며, CSID는 수술 전 31.38에서 수술 후 9.95로 감소되었고 모두 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.01)(Table 3).
이상의 결과를 통하여 후두미세수술 후 단구간 변동률을 포함한 MDVP 주요 지표뿐 아니라 장구간 변동률을 포함한 MDVP 기타 주요 지표와 ADSV의 켑스트럼/스펙트럼 지표 모두에서 유의한 변화를 확인할 수 있었다.

청지각적 음질특성과 음향지표의 상관관계
음질비정상정도를 나타내는 'G'는 ADSV의 CSID(r=0.700)가 상관도가 가장 높았으며, MDVP의 vF0(r=0.620), DUV(r=0.603)도 높은 상관도를 보였다. 조조성정도를 나타내는 'R'은 여러 음향지표들 중 MDVP의 sAPQ(r=0.468)가 가장 높았으나 상관도가 높지는 않았다. 특히 ADSV의 지표들은 'R'과 상관이 없거나 상관도가 낮았다(CPP=-0.127, p>0.05; L/H Ratio=-0.331, p<0.01; CSID=0.388, p<0.01). 기식성정도를 나타내는 'B'는 ADSV의 CPP(r=-0.703)가 상관도가 가장 높았으며, CSID(r=0.624), MDVP의 Jitter %(r=0.662), vF0(r=0.629)도 높은 상관도를 보였다. 긴장도정도를 나타내는 'S'는 ADSV의 CSID(r=0.650)이 상관도가 가장 높았으며, MDVP의 vF0(r=0.627)도 높은 상관도를 보였다(Table 4).

고찰

성대 양성점막 병변은 주로 음성남용이나 부적절한 호흡발성조절로 인한 음성오용에 의해 발생된 구조적 변화이다. 이러한 구조적 변화는 역으로 부적절한 보상발성으로 인한 음성오용과 같은 기능적 측면에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서 수술에 따른 음성변화를 성대기능뿐만 아니라 다양한 기능적 측면에서 정량화하고 음질과 발성유형을 객관적으로 더 잘 예측할 수 있는 음향지표를 찾는 것은 매우 중요하다.
Jitter %와 Shimmer %, NHR이 성대 양성병변에서 수술 전후 음성기능 개선 정도를 민감하게 반영해주는 지표로 보고되는데, 본 연구에서도 Jitter %와 Shimmer %, NHR이 수술 후 유의하게 감소하는 소견을 보였으며 이는 성대진동주기의 불규칙성이 감소했음을 의미한다.1)
장구간 변동률(vF0, vAm, sAPQ)과 약한발성지수(SPI), 저조파율(DSH), 무성음율(DUV)에서도 수술 후 유의한 변화가 나타났다. 장구간 변동률은 단구간 변동률로는 민감하게 측정할 수 없는 기능적 혹은 신경학적 문제로 인한 호흡발성조절의 특성을 잘 반영할 수 있고, SPI는 성대의 내전 정도나 긴장도, DSH는 이중음성과 성문튀김(glottal fry), DUV는 비정상음성의 변별이나 정도에 대한 정보를 제공할 수 있다.12,13,14) 본 연구에서 vF0, vAm, sAPQ, SPI, DUV가 수술 후 유의하게 감소된 소견은 성대 양성점막 병변에 수반된 호흡발성조절 관련 다양한 기능적 문제도 감소되었음을 의미한다. 따라서 이러한 음향지표들도 음질문제에 대한 객관적 분석 및 음성치료 목표행동 설정에 유용할 것으로 보인다.
MDVP는 앞서 언급한 것처럼 임상 및 연구에서 가장 널리 사용되나 여러 가지 제한점 또한 보고되었다.7) MDVP는 기본주파수 검출하에 다양한 변수들을 산출해내므로 F0가 검출되지 않는 음성은 분석이 불가하다. 또한 대부분의 변수가 변동률 분석치이므로 연장발성길이가 3초 이하인 경우 분석이 부적절하다. 선행연구를 살펴보면 이러한 이유로 MDVP 분석이 불가하거나 부적절한 음성은 음성장애의 20%, 신경학적 음성장애의 50%에 해당했다.9,10) MDVP로 분석이 불가하거나 부적절한 음성도 분석할 수 있는 분석방법이 요구되어왔으며, F0가 검출되지 않는 음성도 분석이 가능한 켑스트럼/스펙트럼이 최근 여러 연구에서 보고되었다. CPP는 전체 신호음 중 조화음 정도를 측정한 값으로 기식성과 긴장성은 정상음질에 비해 낮다.11,15) L/H Ratio는 4 kHz를 기준으로 분석된 저고주파수비율로 스펙트럼 기울기를 반영하며 일반적으로 병리적 음성은 고주파수에너지가 증가하므로 정상음성에 비해 낮다.16,17) 음향학적 발성장애지수(CSID)는 CPP, CPP표준편차, L/H Ratio, L/H Ratio표준편차, 성별 등의 변수들의 회귀식으로 산출된 값으로 음질비정상정도(G)에 대한 객관적 치료효과측정에 유용하다.18) 본 연구결과, 수술 후 켑스트럼/스펙트럼분석치인 CPP와 L/H Ratio는 유의하게 높아지고 CSID가 낮아졌는데 이는 수술 후 음질이 유의하게 향상되었음을 의미한다.
이상의 결과들은 MDVP의 단구간 변동률뿐만 아니라 장구간 변동률을 포함한 주요 음향지표들과 켑스트럼/스펙트럼 음향지표들이 수술 전후 음질변화의 다양한 측면을 객관적으로 알아봄에 있어서 유용함을 나타냈다. 성대 양성점막병변의 수술 후 청지각적 음질과 음향지표가 통계적으로 유의하게 개선된 결과는 후두미세수술이 성대 양성점막 병변 환자들의 음질개선에 도움이 됨을 증명한다. 그럼에도 불구하고 전체 대상자 중 53.1%(49명 중 26명)만이 음질의 비정상정도가 낮아졌으며 40.8%(49명 중 20명)는 음질비정상정도(G)에서 변화가 없었으며 6.1%(49명 중 3명)은 수술 후 음질의 비정상 정도가 더 심해졌다. 이러한 현상은 음질이 성대 양성점막 병변과 같은 구조적 상태뿐만 아니라 호흡발성방법과 같은 기능의 영향을 받음을 시사한다.
모음연장발성에서 음질비정상정도(G)는 여러 음향지표들 중 CSID(r=0.700)와 가장 높은 상관도를 보였는데, 이러한 결과는 CSID가 음질비정상정도(G)를 측정함에 가장 유용하며 비정상적인 음질을 정확하고 타당하게 감별할 수 있다는 선행연구결과와 일치한다.8,19,20) 음향음질분석에서 주로 사용해왔던 Jitter %, Shimmer % 등과 같은 단일 음향분석법에 기초한 음향지표들의 대부분은 청지각적 평가와 상관관련이 낮으므로 여러 음향지표들의 조합이 청지각적 판단과 좀 더 신뢰성 있고 타당한 관련성을 가진다.20) ADSV의 켑스트럼 분석치인 CPP와 스펙트럼 분석치인 L/H Ratio는 단일 음향분석법에 기초한 음향지표로서 음질 및 발성유형에 대한 유용한 정보를 제공하나 성별, 발성강도, 복합 발성유형의 영향을 받는 단점이 있다. 하지만 여러 음향지표들의 조합으로 산출된 음향지표인 CSID는 비정상적인 음질과 타당한 상관성을 보이고 진단정확성이 인정되므로 음질비정상정도(G)를 측정함에 있어서 권장된다.11,20) 기식성정도(B)는 CPP(r=-0.703)와 가장 높은 상관관계를 보였으며 Hillenbrand와 Houde17)의 연구결과와 일치하고 긴장성정도(S)는 CSID(r=0.650), vF0(r=0.627)와 가장 상관이 높았다. 이러한 결과는 음질비정상정도(G)는 CSID(r=0.700), 기식성정도(B)는 CPP(r=-0.703), 긴장성정도(S)는 CSID(r=0.650)와 vF0(r=0.627)가 정량적 평가에 유용함을 증명한다. 조조성정도(R)는 sAPQ가 상관이 가장 높았으나 상관계수가 높지는 않았다(r=0.468). 또한 CSID는 음질비정상정도(G)뿐만 아니라 기식성정도(B), 긴장성정도(S)와 상관계수가 높았고(r>0.6), 조조성정도와는 상관이 낮았다(r=0.388). 이러한 결과는 CSID가 음질비정상정도(G)를, CPP가 기식성정도(B)를, CSID와 vF0가 긴장성을 정량적으로 평가함에 유용함을 보여준다. 그러나 조조성정도(R)는 단일 음향분석법에 의한 음향지표 중 상관성이 높은 것(r>0.6)이 없었으므로 조조성정도를 보다 더 정확히 정량화하기 위해서는 CSID의 예에서 볼 수 있듯이 여러 단일음향지표들의 조합에 의한 새로운 복합음향지표의 개발이 필요할 것으로 보인다. 본 연구의 한계점은 질환별 및 성별에 따른 분석이 수행되지 못했다는 점으로 이에 대해서는 앞으로 전향적인 충분한 대상자 수의 연구가 필요하다. 결론적으로 MDVP의 장구간 변동률과 ADSV의 켑스트럼/스펙트럼 음향지표들이 후두미세수술을 받은 환자들에 대한 정량적 평가에 유용한 것으로 나타났으며, 또한 이러한 음향지표들은 음질과 발성의 비정상정도의 정량화에 유용할 것으로 생각된다.

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