Regular Paper 837 J. KIEEME Vol. 25, No. 10, pp. 837-843, October 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.4313/jkem.2012.25.10.837 리눅스실시간스펙트럼분석기를이용한컴퓨터기반순음청력검사시스템의자동보정지원 이승희 1, 신범주 1,a, 송복득 2, 김진동 3, 전계록 4, 왕수건 5 3 1 부산대학교 IT응용공학과 2 부산대학교바이오메디컬공학과 부산가톨릭대학교언어청각치료학과 4 부산대학교의과대학의공학교실 5 부산대학교의과대학이비인후과교실 Support of Automatic Calibration for Computerized Puretone Audiometer Using Linux Real-time Spectrum Analyzer Seung Hee Lee 1, Bum Joo Shin 1,a, Bok Deuk Song 2, Jin Dong Kim 3, Gye Rok Jeon 4, and Soo Geon Wang 5 1 Department of Applied IT and Engineering, Pusan National University, Miryang 627-706, Korea 2 Department of Biomedical Engineering, Pusan National University, Miryang 627-706, Korea 4 3 Department of Speech and Hearing Therapy, Catholic University of Pusan, Pusan 609-757, Korea Department of Medical Engineering, School of Medicine, Pusan National University, Pusan 609-735, Korea 5 Department of Otolaryngology, School of Medicine, Pusan National University, Pusan 609-735, Korea (Received July 17, 2012; Revised September 10, 2012; Accepted September 19, 2012) Abstract: Compared to conventional pure-tone audiometer(pta), the computerized one has several advantages such as relatively lower price, better flexibility, and easy operation. In addition, the computerized PTA can be easily extended to support automatic calibration. In this study, the support of automatic calibration in the computerized PTA has been addressed using the Linux realtime spectrum analyzer and network. In terms of accuracy, the new automatic calibration machine was compared to the existing manually operated one. According to the comparison, normal operation and high accuracy were observed within the scope of the international standard. Keywords: Computerized puretone audiometer, Audiometer calibration, Linux based real-time spectrum analyzer, Sound level meter 1. 서론 1) 컴퓨터를이용한순음청력검사기 (puretone a. Corresponding author; bjshin@pusan.ac.kr audiometer, PTA) 는전자회로로제작된것에비해가격대비성능이우수하며, 다양한기능을쉽게제공할수있는장점을가진다. 자동보정을지원할수있다는점도컴퓨터기반순음청력검사기의장점들
838 J. KIEEME, Vol. 25, No. 10, pp. 837-843, October 2012: S. H. Lee et al. 중하나이다. 순음청력검사기의검사음은피검자의귀에전달되는과정에존재하는장치들과주변환경에따라검사음의강도및주파수가변할수있고, 또동일한장치도시간이경과하게되면정확도가달라질수있다. 따라서정확한검사결과를얻기위해서는표준에정합하는검사음의음향보정 (acoustic calibration) 이필수적이다. 이와관련된표준으로는 ANSI S3.6-2004 규격과 ISO 389-1, 그리고 IEC 60645-1이있다 [1,2]. 본논문은컴퓨터기반순음청력검사기의자동보정을지원하기위해리눅스기반의실시간스펙트럼분석기와실시간스펙트럼분석기의측정결과를이용하여검사음을보정하는자동보정모듈을구현하고시험한결과를기술한다. Fig. 1. H/W configuration. 2. 실험방법 2.1 관련연구본연구와관련된기존연구결과들을분석하면다음과같다. [4] 는 PDA를이용한이동형청력검사시스템에서의음압보정을시도하였다. 이방법은수식을적용한점에서본논문의방법과차별되며, 특히낮음음압과높은음압에서오차가크다는문제점을가진다. [5] 는자동보정을지원하는 PC 기반순음청력검사기를구현하였다. [5] 의방법은구조측면에서본논문의연구와유사하다. 그러나음압측정기가 Windows 기반의 LabView로작성되었으며, 측정값을파일시스템을통해간접적으로교환하기때문에정확도가떨어질수있는단점이있다. 본연구는 ANSI S3.6-2004에서정한순음의출력강도, 출력강도의선형성, 주파수정확도, 차폐음의출력강도등검사음에관한다양한검증이가능한리눅스기반실시간스펙트럼분석기를구현하여자동보정을지원한다. 2.2 하드웨어구성자동보정에사용되는시스템의전체구성도는그림 1과같다. 헤드폰을통해출력되는순음청력검사기의검사음은인공귀를통해마이크로폰으로전달되어전기적신호로변환되고, 프리앰프를통해실시간스 펙트럼분석기로입력된다. 스펙트럼분석기는입력된신호를분석하여주파수와음의강도를측정한다. 측정된음의강도및주파수값은이더넷을통해순음청력검사기의보정모듈에전달된다. 순음청력검사기의보정모듈은스펙트럼분석기로부터전달받은측정값을기반으로보정계수를조정한후음을출력하고필요한경우보정계수를재조정한다. 이과정은보정된출력값과스펙트럼분석기의측정값과의차이가표준에서권고하는오차범위내에들때까지반복된다 [6]. 2.3 LINUX 기반실시간스펙트럼분석기순음청력검사기의검사음을측정하기위해상용스펙트럼분석기를사용할경우순음청력검사기가검사음의측정값을자동으로인지할수있는방법이없기때문에자동보정이불가능하다. 상용분석기는이러한기능을제공하지않기때문에본논문에서는리눅스기반실시간스펙트럼분석기를구현하여사용한다. 실시간스펙트럼분석기는컴퓨터사운드카드의 ADC (analog to digital converter) 를통해측정할음을입력받아분석한다. 리눅스실시간스펙트럼분석기의소프트웨어는 Linux 운영체제, 사운드처리와스펙트럼분석을위한 Jack Audio Connection Kit, 퓨리에변환을지원하는 FFTW, 그리고 Pthread로구성된다. 본실시간스펙트럼분석기는자동보정모듈에서사용하는사운드레벨과주파수정확도 (frequency
전기전자재료학회논문지, 제 25 권제 10 호 pp. 837-843, 2012 년 10 월 : 이승희등 839 accuracy) 의측정뿐아니라 ANSI S3.6-2004, ISO 389, IEC 60645-1와같은국제표준에서규정하고있는청력레벨 (hearing level), 청력레벨선형성 (hearing level linearity), 고조파왜곡 (harmonic distortion), 단속음 (pulsed tone), 광대역및협대역잡음레벨 (narrow-band noise level) 을측정할수있다 [3,7]. 샘플링시간은국제표준에서권고하는 125 msec의 short mode와 1 sec의 long mode를지원한다. 2.4 소프트웨어구성 자동보정모듈은컴퓨터기반순음청력검사기소프트웨어의한모듈로존재하며, 이는보정과정에사용되는순음과차폐음을발생시키기위해음생성모듈을이용한다. 보정계수가결정되고보정이완료되면음생성모듈에서는보정계수를반영한검사음을생성하게된다. 검사음의보정을위한소프트웨어동작과정은그림 2와같다. Fig. 3. Thread model of puretone audiometer. 자동보정을수행하기위해음압측정시스템과의통신을담당하는전용쓰레드를생성하여동작한다. Linux 기반의음압측정기는음압측정을위한 SLM 쓰레드와통신을위한소켓쓰레드가별도로동작하며, 각쓰레드의구동시스템의구성은그림 3과같다. 2.5 자동보정을위한데이터송수신 2.5.1 IP 주소및메시지 Fig. 2. Block diagram of computerized puretone audiometer software. 검사방법설정후에검사를위한순음이발생되며, 검사음은실시간스펙트럼분석기를통해측정된다. 측정된검사음이기준주파수및음압과일치하면정상적인순음청력검사과정을시작하고, 일치하지않으면주파수및음압의보정과정을시작한다. 이과정은주파수와음압이기준을만족할때까지반복된다. 실시간스펙트럼분석기의측정값을순음청력검사기에전달하기위해이더넷 (ehternet) 을사용한다. RS-232C 또는 USB를사용하는것도가능하나, 최근출시되는메인보드에는 RS-232C 포트가제공되지않으며, USB의경우순음청력검사기가많은포트를사용하기때문에부족할가능성이있어이더넷기반고정 IP를이용한다. 고정 IP를사용함으로써서버 IP 주소를교환해야하는번거로움을줄이며, IP 주소변경만으로타시스템과쉽게결합하여사용할수있다. 실시간스펙트럼분석기는서버로동작하며, 순음청력검사기의보정모듈이시작될때클라이언트로접속한다. 데이터포맷은바이너리를사용하도록설계함으로써같은기종및이기종간의데이터교환이가능하다. 데이터는하나의패킷으로처리하여헤더와메시지를함께전송할수있도록한다. 패킷은총 10 바이트로 2 바이트는헤더, 8 바이트는메시지로활용한
840 J. KIEEME, Vol. 25, No. 10, pp. 837-843, October 2012: S. H. Lee et al. Fig. 4. Message packet. Table 1. Specification of message header. Header specification 01 Server sends message to client 02 Server s acknowledge message Fig. 5. Send messages from linux client. 03 Client sends message to server 04 Client s acknowledge message 다. 그림 4는패킷의형태, 표 1은헤더의번호에따른메시지의의미를나타낸다. 표 1과같이헤더의번호를통해수신지와발신지의확인이가능하며, 메시지를수신하는쪽은상대편으로확인메시지를발신함으로써메시지의전송여부도함께확인이가능하다. 확인메시지가수신되지않을경우메시지는다시보내도록한다. 클라이언트인순음청력검사기로보정완료메시지가수신되면시스템의프로그램을종료한다. 이와함께통신에연결중인이더넷이종료되므로, 서버인실시간스펙트럼분석기에서는분석을종료하고통신을종료한다. 리눅스기반의실시간스펙트럼분석기는서버로동작하며, 시스템은앰프를통해입력된검사음을받아실시간으로주파수와레벨을분석한다. 분석된레벨과주파수는분석됨과동시에윈도우기반의순음청력검사기로소켓통신을통해전달되며, 실제출력되어야하는주파수및레벨과정합하는지검사한다. 만약정합한다면같은음이흘러나오고, 정합하지않는다면보정후에기준주파수와레벨로보정되어보정된음이흘러나오게된다. 이과정이연속하여반복됨으로써실시간으로정확한검사음을출력하게된다. 그림 5는 Linux에서분석된음의주파수와레벨이 Windows로소켓통신으로전달되는화면이며, 그림 6은 Windows에서메시지를받는화면이다. Fig. 6. Receive messages from Windows server. 2.5.2 통신함수구현데이터를교환에필요한함수를구현하기위해메시지프로토콜을정의하였다. 각메시지는서버측과클라이언트측에전달되어각함수의시작과종료를알림으로써시스템이진행되도록한다. 표 2는통신을위해정의된메시지프로토콜이며, 그림 7은통신을위해구현된함수들의구성도를나타낸다. 클라이언트에서검사음이발생하면검사음의발생을알리는메시지인 'MSG_01' 은서버로전송되며, 서버는검사음측정을시작한다. 측정이끝난후서버는클라이언트로 'MSG_02' 메시지를보내검사음측정이끝났음을알린다. 그리고서버는 'MSG_03'
전기전자재료학회논문지, 제 25 권제 10 호 pp. 837-843, 2012 년 10 월 : 이승희등 841 Table 2. Specification of protocol message code. Message Code MSG_01 MSG_02 MSG_03 MSG_04 specification Notify presentation of puretone Notify completion measurement Send result of measurement SLM Notify completion calibration OS에서동작한다. 네트워크를위하여 IPv4 프로토콜을사용한다. 송신버퍼는 128, 수신버퍼는 512이며, 절전형이더넷과흐름제어를사용하도록설정하였다. 커플러는 IEC 60318-3:1998과 ANSI S3.7-1995의규격에준수하는 AEC100 (Larson Davis Co., USA) 를사용하였다 [8,9]. 마이크로폰으로 IEC 60651:1979 와 ANSI S1.4-1983 (R2006) 의 Type1에부합하는 1 정밀무작위입사각마이크로폰 (Larson Davis Co., USA) 을사용하였으며, 프리앰프는 IEC 61094-4의기준을만족하는 1 PRM 902 (Larson Davis Co., USA) 를사용하였다. 모든음향적인측정은 ANSI S3.1-1999 (R2008) 을준수하는방음실 (ECKEL C24) 에서수행하였으며측정치비교를위하여정밀음압측정기인 Larson Davis사의 Audiometer Calibrator System를이용한측정치와비교하였다 [10]. 기도검사음출력은 TDH-39 헤드폰을사용하였고, 골도검사음출력은 Bruel & Kjaer 사의 4930을사용하였다. 3.2 WINDOWS 기반의순음청력검사기 Fig. 7. Flow of communication. 메시지에측정된결과를함께전송하여보내는메시지가측정결과임을알린다. 클라이언트는서버에서전송된 'MSG_03' 메시지를이용하여보정을시작하고기준주파수및음압과서버측에서보내온측정값이일치한다면서버측으로 'MSG_04' 를전송하여보정이완료되었음을알린다. Windows 기반의순음청력검사기는표준화된환경과방법에따라선택하여검사가가능하도록하였다. 양측귀를각각주파수에따라차례로검사음이나오도록하였으며, 검사가끝난뒤에는검사결과를저장하도록하였다. 순음청력검사기의검사화면은그림 8과같다. 3. 결과및고찰 3.1 시험환경 시험을위한하드웨어구성은그림 1과같으며, 사용된하드웨어는다음과같다. 순음청력검사기는 Intel Core2 Duo E8400 3.0 GHz 프로세서, 3.0 GB 메모리로구성된 PC 기반, Windows 7 OS에서동작한다. 실시간스펙트럼분석기는 Intel Core2 Duo E7400 2.8 GHz 프로세서, 2.0 GB 메모리, Audiophile 2496 사운드카드로구성된 PC 기반, Ubuntu 10.10 Fig. 8. Windows based puretone audiometer.
842 J. KIEEME, Vol. 25, No. 10, pp. 837-843, October 2012: S. H. Lee et al. 3.3 LINUX 기반의음압측정기 3.5.1 청력레벨정확도 LINUX를기반으로한실시간스펙트럼분석기는음압측정을위해개발되었다. 앰프를통해전달된검사음은 LINUX에서실시간으로주파수와레벨을측정하게된다. 측정된결과값은 1초에한번씩화면에서표기되며, 그림 9와같다. 순음청력검사기에서 70 db HL을기준으로검사음을출력하여청력레벨의정확도를비교하였으며, 분석한결과는표 3과같다. Fig. 10. Picture of Windows for communication. Table 3. Measurement result of hearing level. Frequency (Hz) Larson's Linux's Measured HL Measured HL Deviation Fig. 9. Linux based sound level meter. 125 70.4 70.1-0.3 250 70.5 70.3-0.2 3.4 Windows PC와 LINUX PC의통신그림 10과같이소켓통신으로소켓이생성된이후에 LINUX PC에서측정한주파수와레벨이 Windows PC로전달된다. 전달되는주파수와레벨은소수점 6자리까지전달됨으로써정밀한측정값의전달이가능하다. 또한실시간으로측정된측정값은 1 초에한번씩통신됨으로써 Windows 화면에도 1초에한번씩나타나게된다. 3.5 자동보정후음압측정 500 70.4 70.2-0.2 750 70.0 69.8-0.2 1,000 70.6 70.5-0.1 1,500 70.4 70.2-0.2 2,000 70.7 70.6-0.1 3,000 70.2 70.1-0.1 4,000 70.6 70.4-0.2 6,000 68.9 68.7-0.2 8,000 73.4 73.2-0.2 구현된 LINUX기반의실시간스펙트럼분석기와 Larson Davis사의 Audiometer Calibrator System을이용하여순음측정결과를비교분석한다. 3.5.2 주파수정확도
전기전자재료학회논문지, 제 25 권제 10 호 pp. 837-843, 2012 년 10 월 : 이승희등 843 Table 4. Measurement result of frequency accuracy. Larson's Linux's Frequency Measured Measured (Hz) Frequency Frequency Deviation 125 125.0 125.0 0.0 250 250.0 250.0 0.0 500 500.0 500.0 0.0 750 749.9 749.9 0.0 1,000 999.9 999.9 0.0 1,500 1499.9 1499.9 0.0 2,000 2000.0 1999.8-0.2 3,000 3000.0 2999.8-0.2 4,000 4000.0 3999.7-0.3 6,000 6000.0 5999.5-0.5 8,000 8004.0 8003.4-0.6 청력레벨측정과같이순음청력검사기에서 70 db HL을기준으로검사음을출력하여주파수의정확도 를측정하였으며, 분석결과는표 4와같다. 4. 결론 본논문에서는 Windows 기반의순음청력검사기가 정확한측정결과를제공하기위해필수적인보정기 능을자동으로수행할수있는자동보정모듈을구현 하였다. 구현은컴퓨터사운드카드의 ADC 기능을이 용한실시간스펙트럼분석기의구현과본스펙트럼 분석기와통신할수있는자동보정모듈의구현으로 이루어졌다. 실험을통해자동보정을지원하는순음청력검사시 스템이출력이표준에서규정하고있는범위내에서 정상적으로작동함을검증하였으며, 이결과는실제 임상에서사용가능한수준임을확인하였다. 기존에 진행된연구와달리 C언어로작성되어차후에유동 성있는시스템변경이가능하며, 더높은정확도를 보여주고있다. 따라서본논문의자동보정기능은현재널리사 용되고있는고가청력검사기에비해가격이저렴하 면서도정확도가보장되는컴퓨터기반청력검사기를 제공할수있게한다. 감사의글 이논문은부산대학교자유과제학술연구비 (2년) 지원에의하여연구되었습니다. REFERENCES [1] J. D. Kim, B. J. Shin, G. R. Jeon, and S. G. Wang, The Korea Academia-Industrial Cooperation Society, 10, 1229 (2009). [2] D. H. Kang, B. D. Song, B. J. Shin, K. H. Lee, J. D. Kim, G. R. Jeon, and S. G. Wang, The Korea Academia-Industrial Cooperation Society, 11, 1325 (2010). [3] D. H. Kang, B. J. Shin, G. R. Jeon, and S. G. Wang, The Korea Academia-Industrial Cooperation Society, 12, 2830 (2011). [4] S. W. Shin, K. S. Kim, T. H. Yoon, S. M. Lee, and C. G. Song, Trans. KIEE, 56, 1157 (2007). [5] J. D. Kim, D. H. Kang, B. D. Song, I. W. Lee, S. K. Kong, S. B. Kwon, G. R. Jeon, B. J. Shin, and S. G. Wang, The Korea Academia-Industrial Cooperation Society, 17, 2586 (2010). [6] Korea Occupational Safety & Health Agency, KOSHA CODE H-13-2006 (2006). [7] IEC (International Electrotechnical Commission) 60645-1:2001, Electroacoustics-Audiological Equipment - Part 1: Pure-Tone Audiometers. [8] IEC 60318-3:1998-08, Electroacoustics-Simulators of human head and ear-part 3: Acoustic coupler for the calibration of supra-aural earphones used in audiometry. [9] ANSI S3.7-1995(R2003), American National Standard Method for Coupler Calibration of Earphones. [10] ANSI, "ANSI S3.1-1999 (R2008), Maximum Permissible Ambient Noise Levels for Audiometric Test Rooms" (2008).