Acoustic Analysis of Voice in Individuals with Amyotrophic Lateral Sclerosis.

Park, Jeong Hyeog; Nam, Soon Yuhl

Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery > Volume 41(9); 1998 > Article

Original Article

Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 1998;41(9): 1190-1193.

Acoustic Analysis of Voice in Individuals with Amyotrophic Lateral Sclerosis.

Jeong Hyeog Park, Soon Yuhl Nam

Department of Otolaryngology, University of Ulsan College of Medicine, Seoul, Korea. synam@www.amc.seoul.kr

근위축성 측색 경화증 환자의 음성 분석

박정혁 · 남순열

울산대학교 의과대학 서울중앙병원 이비인후과교실

주제어: 음성 분석ㆍ근위축성 측색 경화증.

ABSTRACT

BACKGROUND AND OBJECTIVES:
Amyotropic lateral sclerosis (ALS) is a progressive neuromuscular disease that involves degeneration of upper motor neurons in the cortex and lower motor neurons in the brain stem and spinal cord. Although there is a decline in the articulatory dysfunction, respiratory, and phonatory dysfunctions are known to occur in ALS. However, the pattern of disease progression and early identification of phonatory changes are not well documented. The purpose of this study was to compare selected acoustic parameters of voice in the normal control group to the ALS group who were perceptually free of vocal symptoms. Significant differences between the two groups could indicate that signs of bulbar degeneration in ALS may be present even when the voice is clinically perceived as normal.
MATERIALS AND METHODS:
The authors used a computerized acoustic analysis program (CSL-MDVP) to measure mean fundamental frequency (Fo), jitter, shimmer, and noise to harmonics ratio (NHR) from voice samples of ALS patients and compared this results with the acoustic parameters of 60 control subjects (men: 30, women: 30) who have no history of neurologic disease and were over 60 years old.
RESULTS:
There were significant group differences for jitter, shimmer, and NHR in male ALS. There was significant group difference for jitter in female ALS.
CONCLUSION:
Certain acoustic measures of voice may be sensitive indicators of early laryngeal deterioration in ALS. Acoustic analysis of voice may be one way of detecting aberrant vocal features before the human ear detects dysphonia, and jitter may be the most sensitive acoustic variable.

Keywords: Acoustic analysisㆍAmyotrophic lateral sclerosis

서론 특징적인 구음장애나 발성장애를 임상 증후로 동반하는 신경학적 질환을 가진 환자들에 대한 음성 분석은 원인 질환의 조기 발견과 감별진단 및 질병 진행의 추적관찰을 위한 중요한 도구가 될 수 있어 이비인후과 의사, 신경과 의사 및 언어 병리학자 들에게 임상적 가치를 지닌다.1) 이러한 신경학적 질환으로는 근이영양증, 파킨슨병, 헌팅톤병, 근위축성 측색 경화증(amyotrophic lateral sclerosis, ALS) 등이 있으며 이들 중 특히 ALS에서는 언어저하(speech deterioration)가 흔하여 전체 ALS 환자들 중 약 25%에서 초기 증상으로 나타날 수 있고, 연수 마비형의 경우 100%에서 나타난다고 한다.2)3) 이러한 ALS 환자들에 있어, 주관적인 검사로는 잘 알 수 없는, 발성 기능의 조기 변화를 발견하기 위한 객관적인 수단으로 음성 분석이 이용될 수 있다는 연구 결과2)들이 있어 저자들은 ALS로 진단받은 환자들 중 청각심리검사상 발성장애가 없는 환자들에 대해 컴퓨터를 이용한 음성 분석을 시행하여 정상 대조군과 비교하였다. 성대 기능을 비교분석하기 위한 음성 변수로는 기본 주파수(Fo, Fundamental frequency), jitter, shimmer, NHR(noise-to-harmonic ratio)을 선택하였으며, 두 군 사이에 의미있는 차이가 있는 경우 주관적인 인지검사상으로는 파악하기 힘든 성대 기능의 조기 장애를 확인하기 위한 지표가 될 수 있으리라고 가정하였다. 대상 및 방법 환자군 최근 3년간 서울중앙병원 신경과에서 근위축성 측색 경화증(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)으로 입원한 경력이 있는 환자들 중 거동이 가능하고 정상 발성이 가능하며, 수도권에 거주하는 14명을 대상으로 청각심리검사(psychoacoustic evaluation)를 시행하여 GRBAS scale상 grade 0인 10명만을 선택하여 음성 분석을 시행하였다. 이 중 남자가 7명(42∼73세, 평균 60.4세)이었고, 여자는 3명(55∼63세, 평균 59세)이었다. 10명 모두 성대 질환을 앓은 과거력이 없었으며, 간접후두경 검사상 성대 마비는 관찰되지 않았다. 최초 증상이 나타난 때부터 음성 분석을 시행할 때까지의 경과 기간은 남자군이 14개월에서 132개월(평균 46.3개월)이었고, 여자군은 6개월에서 25개월(평균 14.7개월)이었다. 정상 대조군 ALS 환자군의 평균 나이가 고령임을 감안하여 60세 이상의 노인들 중 과거력상 폐나 후두, 신경계의 질환이 없고 간접후두경을 포함한 이비인후과적 검사상 정상인 남자 30 명(60∼83세, 평균 67.7세), 여자 30명(60∼84세, 평균 68.1세)을 대상으로 하였다. 음성 발성 피검자들은 마이크에서 10cm 떨어진 거리에서 가장 편안한 높이와 크기의 목소리로 2∼3초간 ‘/a/ ’ 발성을 3회 반복하였다. 기본 주파수, Jitter, Shimmer, NHR의 분석 발성된 음성은 25kHz의 추출비로 채취하였고 3회 측정한 음성 표본 중에서 가장 안정된 것을 골라 jitter가 가장 낮은 수치를 보이는 연속된 500msec 구간을 분석하였다.4) 음성 분석은 CSL 4300B(KAY elemetrics Corp.)의 MDVP(multidimensional voice program)를 이용하였으며 음성 변수로는 Fo, jitter, shimmer, NHR을 선택하였다. 여기서 기본 주파수(Fo, fundamental frequency)는 분석 구간내의 성문 주기수를 시간으로 나눈 값으로 구하였다. 성대 진동의 주기마다 시간의 불규칙한 정도를 의미하는 jitter는 Davis5)가 제안한 방식에 의해 jitter의 상대값인 RAP(relative average perturbation of pitch period)를 구하여 산출하였으며, 성대 진동의 주기마다 강도의 불규칙성을 나타내는 shimmer는 jitter와 같은 공식을 응용하였으나 단위를 dB로 구하였다. NHR(Noise/harmonic ratio)은 harmonic component에 대한 noise component의 음향 에너지 비율로서 Yumoto6)가 제안한 방식을 따라 구하였다. 통계 분석 ALS 남자군은 정상 대조군 남자군과 ALS 여자군은 정상 대조군 여자군과 각 각 음성 분석의 결과를 비교하였으며, 표본의 크기가 작은 것을 고려하여, 비모수검정법인 Mann-Whitney U test로 분석하여 p-value가 0.05 이하인 경우 각 음성 변수의 차이에 통계적인 의미가 있는 것으로 판단하였다. 결과 기본 주파수(Hz)(Table 1) ALS 남녀군 모두 정상 대조군에 비해 감소된 소견을 보였으나 통계적으로 유의한 차이는 없었다(p>0.05). Jitter(%)(Table 2) ALS 남자군은 1.440±0.800로 정상 대조군의 0.938±0.650에 비해 통계적으로 유의하게 증가된 소견을 보였다(p＝0.049). ALS 여자군은 1.105±0.294로 대조군의 0.683 ±0.361에 비해 증가된 소견을 보였으나 통계적으로 의미는 없었다(p＝0.109). Shimmer(dB)(Table 3) ALS 남자군은 0.350±0.124로 대조군의 0.252±0.086 에 비해 통계적으로 유의한 증가 소견을 보였으며(p＝0.009), ALS 여자군에서는 0.159±0.032로 대조군의 0.193 ±0.069에 비해 오히려 통계적으로 유의하게 감소된 소견을 보였다(p＝0.048). NHR(noise-to-harmonic ratio)(Table 4) ALS 남자군은 0.148±0.019로 대조군의 0.126±0.023에 비해 증가된 소견을 보였으나 통계적으로 의미는 없었다(p＝0.182). ALS 여자군에서는 0.102±0.031로 정상 대조군의 0.111±0.026에 비해 다소 감소된 소견을 보였으나 통계적으로 의미는 없었다(p＝0.509). 고찰 근위축성 측색 경화증(Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS)은 대뇌 피질의 상위 운동신경과 뇌간 및 척수의 하위 운동신경의 변성을 초래하는 진행성 신경근육계 질환으로, 퇴행성 바이러스 감염이나 자가면역성 질환에 기인한다고 알려져 있지만 신경근육기능 저하의 정확한 원인과 기전은 잘 알려져 있지 않다.2)3) 이 질환의 주된 증상은 불분명한 발음, 애성, 연하곤란, 호흡곤란, 근허약, 근위축, 근연축 등이며, 발병 시기는 어느 연령에서나 가능하고 진행 속도도 다양하지만 주로 50세 이상에서 발병하며 병의 예후는 좋지 않아서 진단 후 5년 생존율은 20% 정도라고 알려져 있다.7) 일반적으로 예후가 나쁘지만 7년 이상 생존하는 경우도 드물지 않으며, 예후에 영향을 미치는 가장 중요한 두 가지 요소는 발병 당시의 나이와 초기 증상의 위치로 나이가 많을수록 그리고 연수 증상이 초기 증상일 경우 더 예후가 나쁜 것으로 알려져 있다.8) ALS 환자의 초기 증상은 침범된 운동 신경의 위치에 따라 다양하여 크게 세가지로 분류할 수 있다. (1) 연수의 운동신경세포가 침범되었을 경우의 진행성 연수 마비, (2) 척수 운동신경세포 변성의 결과로 체간과 사지의 근육이 침범되었을 경우의 진행성 근위축, (3) 추체로 침범 증후에 의해 연수와 체간 근육의 위축이 동반된 경우인 근위축성 측색 경화증이다. 비록 초기 증상들을 이렇게 세가지 범주로 분류해볼 수 있지만, 질환이 진행되면서 증상들은 중복될 수 있다.3) ALS 환자들 중 약 25% 이상이 구음, 구개인두, 혹은 후두 증상들을 초기 증상으로 동반하는 원발성 연수 마비이며, 아마도 이비인후과 의사가 이러한 환자들을 진료하게 되는 첫 번째 의사가 될 수 있다.7) 비록 호흡, 발성, 구음 기능의 지속적 감퇴가 ALS에서 나타난다고 알려져 있지만, 병의 진행 형태와 발성 기능 변화의 조기 확인을 위한 연구는 드문 형편이었다. 하지만 최근 Ramig 등3)이 초기 증상으로 연수 마비의 증거가 없는 69세 ALS 환자를 대상으로 6개월 동안 5회에 걸쳐 음성 분석을 시행하고 16명의 정상 대조군과 결과를 비교한 연구에 의하면 언어 병리학자가 5회 째의 음성 기록에 이르러서야 습한 애성(wet hoarseness)이라고 기술할 때까지 계속해서 정상 음성으로 판정하는 동안, 음성 분석의 결과는 jitter, shimmer 및 NHR가 전체적으로 증가하는 소견을 보여, 주관적인 검사로는 잘 알 수 없는 언어와 발성에 있어서의 조기 변화를 발견할 수 있는 객관적인 수단으로 음성 분석이 이용될 수 있다는 것을 증명해주고 있다. ALS 환자들에 대해 음성 분석을 시행했던 기존의 연구들을 살펴보면 Kent 등9)은 53세 여자 ALS 환자 1 명을 대상으로 2년 간 총 7회에 걸쳐 음성 분석을 시행하여 Fo가 지속적으로 감소하고 jitter와 shimmer는 변동이 심하지만 전체적으로 증가하는 경향을 보였으며, NHR은 큰 변화가 없었다는 연구 결과를 발표하였고, Ramig 등1)3)은 69세 남자 ALS 환자를 대상으로 시간 경과에 따라 음성 분석을 시행한 결과 jitter, shimmer, NHR가 증가하는 경향을 보였고 Fo는 검사 시기에 따라 변동이 있었지만 정상 대조군에 비해 감소된 소견을 보였으며 ALS 환자의 발성장애를 나타내는데 있어 shimmer와 NHR가 가장 민감한 음성 변수라고 결론 내렸다. Silbergleit 등2)은 정상 음성이라고 언어 병리학자들이 판단한 ALS 환자군(남자 15명, 여자 5 명)과 성별과 나이를 고려한 26명의 정상 대조군(남자 13 명, 여자 13명) 사이의 음성 분석의 결과를 비교한 연구에서 jitter와 최대 발성 주파수 범위(maximum phonation frequency range, MPFR)가 가장 민감한 음성 변수라고 판단하였다. 이러한 연구 결과들을 고려하여 저자들은 ALS 환자에 있어 조기 성대 기능의 장애를 파악하기 위한 음성 변수로 Fo, jitter, shimmer, NHR을 선택하였다. 본 연구의 결과에서 기본주파수는 ALS 환자군에서 남녀 모두 정상 대조군에 비해 다소 감소된 소견을 보였지만 통계적으로 의미가 있을 정도는 아니었다. Jitter는 ALS 남자군에서만 정상 대조군에 비해 통계적으로 유의하게 증가된 소견을 보였고 여자군에서는 대조군에 비해 감소된 소견을 보였지만 통계적으로 의미가 있을 정도는 아니었다. Sh-immer는 ALS 남자군에서는 대조군에 비해 통계적으로 유의하게 증가된 소견을 보였으나, 여자군에서는 대조군에 비해 오히려 통계적으로 유의하게 감소된 소견을 보였다. NHR는 ALS 남자군에서는 대조군에 비해 증가된 소견을 보였으나 통계적으로 의미는 없었으며 ALS 여자군에서는 대조군에 비해 다소 감소된 소견을 보였으나 통계적으로 의미는 없었다. 전반적으로 ALS 남자군에서는 음성의 동요 변수 값이 증가하는 소견을 보였으나, ALS 여자군에서는 대조군에 비해 음성기능의 저하가 뚜렷하지 않아 남녀군 사이에 차이가 있음을 알 수 있었다. 이는 아마도 남자군에서는 질병의 이환 기간이 평균 46.3개월로 여자군의 평균 14.7 개월에 비해 상대적으로 길어서 질환의 진행 정도도 심하여 음성 기능의 저하가 더 뚜렷하기 때문이라고 추측할 수 있으며, 여자군의 경우 이환 기간이 짧고, 표본 크기가 작아서 대조군과 비교하여 의미있는 차이가 없는 거라고 생각되며, 시간 간격을 두고 음성 검사를 시행한다면 동요 변수의 증가를 관찰할 수 있으리라고 판단된다. ALS 환자들의 음성 분석에서 나타난 이러한 음성 변수들의 변화를 생리적인 측면에서 살펴보면 성대 진동의 안정성을 변화시키는 근긴장에 있어서의 미세한 조절의 결여와 근섬유속연축의 결과로 음성의 동요 정도를 나타내는 jitter와 shimmer가 증가된다고 생각되며, 음조의 높이(pitch) 변화에 관여하는 근육들인 윤상갑상근과 성대근의 쇠약으로 Fo가 감소된다고 생각된다.3) 이 연구의 결과를 보면 음성의 특정한 음향적 평가가 ALS 환자들에 있어 청각심리검사로는 파악하기 힘든 조기 성대 기능의 장애를 발견하게 해주는 지표가 될 수 있음을 알 수 있으며, 아마도 음성 검사가 하나의 도구가 될 수 있다고 결론 지을 수 있다. 정상 대조군에 비해 남자군에서의 jitter, shimmer 값의 증가는 청각심리검사상 정상 음성이라고 판단된 ALS 환자들에 있어서의 음성 조절 기능의 감소와 성대 기능의 제한을 시사하는 소견이라고 생각되며, ALS 환자들에 있어서의 진행성 성대 기능 장애의 양상을 파악하기 위해서는 장기적인 추적 검사가 필수적이라고 생각된다. 결론 1) 청각심리검사상 정상 소견을 보인 ALS 환자들에 대한 음성 분석의 결과 상대적으로 이환 기간이 긴 남자군에서는 음성의 동요 변수인 jitter와 shimmer 값이 유의하게 증가된 소견을 보였다. 2) 여자군에서는 shimmer 값이 대조군에 비해 감소되어 있었으며 다른 음성 변수들은 대조군과 비교하여 뚜렷한 차이가 없었다. 3) 음성 분석은 ALS 환자들에 있어 청각심리검사로는 파악하기 힘든 조기 성대 기능의 장애를 발견할 수 있는 하나의 방법이 될 수 있으나, 장기적인 추적 검사가 필수적이라고 생각된다.
REFERENCES
1) Ramig LA, Scherer RC, Titze IR, Ringel SP. Acoustic analysis of voices of patients with neurologic disease: Rationale and preliminary data. Ann Otol Rhinol Laryngol 1988;97:164-72.1. 2) Silbergleit AK, Johnson AF, Jacobson BH. Acoustic analysis of voice in individuals with amyotrophic lateral sclerosis and perceptually normal vocal quality. J Voice 1997;11:222-31. 3) Ramig LO, Scherer RC, Klasner ER, Titze IR, Horii Y. Acoustic analysis of voice in amyotrophic lateral sclerosis: A longitudinal case study. J Speech Hear Res 1990;55:2-14. 4) Nam SY, Nam EC, Lee KS. Effects of aging and smoking on acoustic characteristics of voice. Korean J Otolaryngol 1997;40:1156-61. 5) Davis S. Acoustic characteristics of normal and pathological voices. Speech and language: Advances in the basic research and practice 1979;1:271 -314. 6) Yumoto E, Sasaki Y, Okamura H. Harmonics-to-noise ratio and psychophysical measurement of the degree of hoarseness. J Speech Hear Res 1984 ;27:2-6. 7) Carpenter III RJ, McDonald TJ, Howard, Jr FM. The otolaryngologic presentation of amyotrophic lateral sclerosis. Otolaryngology 1978;86:479-84. 8) Rosen AD. Amyotrophic lateral sclerosis. Arch Neurol 1978;35:638-42. 9) Kent RD, Sufit RL, Rosenbek JC, Kent JF, Weismer G, Martin RE, Brooks BR, et al. Speech deterioration in Amyotrophic Lateral Sclerosis: A case study. J Speech Hear Res 1991;34:1269-75.