호흡 관련 소음 음향 분석 (1)

호흡 관련 소음 음향 분석 (Acoustic analysis of breathing-related noise)

 

기계 학습 방법을 적용한 음향 호흡 및 코골이 소음 분석은 최근 몇 년 동안 인기 있는 과학 연구 분야가 되었다. 출판된 연구의 많은 부분이 OSA 진단을 ​​다룬다. 여기에서 두 가지 주요 목표를 구별할 수 있다.

 

비폐쇄성 (일차) 코골이와 폐쇄성 수면 무호흡증의 구분 또는 OSA 중증도의 분류. 데이터의 검증은 일반적으로 AHI 또는 RDI를 객관적인 기준 (실제)으로 사용하여 수면다원검사 결과를 기반으로 한다. 무호흡 사건의 감지. 객관적인 기준으로 전문가가 표시한 수면다원검사 평가를 사용하여 위양성 및 위음성 이벤트 감지를 직접 식별할 수 있으며 결과적으로 방법의 민감도와 특이성을 검증할 수 있다.

 

다양한 종류의 기계 분류기를 사용하여 음향 OSA 분석에 사용하기 위해 여러 기능이 조사되었다.

 

주기성 (Periodicity)

 

개별 음향 사건의 실제 음향 특성을 분석하는 대신, 코골이 에피소드 내 연속 사건의 시간적 관계는 코골이 유형에 대한 귀중한 정보를 제공할 수 있다. 원발성 코골이는 OSA에서 코골이보다 주기성이 더 높은 것으로 간주된다. 또한 특정 수준의 주기성은 코골이를 감지하고 코골이가 아닌 음향 이벤트에서 제거하는 데 사용할 수 있다. 그림은 주기성이 높고 낮은 코골이 에피소드의 예를 보여준다.

 

높은 주기성을 보이는 일차 코골이의 코골이 에피소드

폐쇄성 수면무호흡증을 동반한 코골이 에피소드

 

기본 주파수 및 고조파 (Fundamental frequency and harmonics)

 

소리는 기본 주파수와 일련의 고조파로 구성된다. 기본 주파수는 인지되는 피치를 결정하는 반면 고조파의 구조는 음색을 결정한다. 예를 들어, 피아노와 기타로 연주되는 실내음 A는 기본 주파수는 같지만 악기의 소리를 특징짓는 하모닉 스펙트럼이 다르다. 대조적으로, 노이즈는 음조 성분을 포함하지 않으므로 독특한 조화 구조가 없다.

 

여러 연구에 따르면 일차 코골이는 벨로인두 수준에서 발생하고 OSA 관련 코골이는 설후 또는 하인두 수준에서 흥분된다고 가정할 때 OSA 환자의 코골이에 비해 음색 구성 요소가 더 뚜렷하다고 결론지었다. 일부 연구에서는 설측 코골이에 비해 벨룸 코골이에서 더 낮은 기본 주파수가 발견되었다. 수면 내시경 파일럿 연구는 음향 특성과 소리 발생 위치 사이의 직접적인 상관 관계를 밝혀냈다. 특히, 이러한 결과는 동일한 지원자의 자연 수면에서는 재현할 수 없으며 추가 결론은 주의해서 도출해야 한다.

 

 

파고율 (Crest factor)

 

파고율은 코골이 소리의 음조 비율을 수량화하는 데 사용된다. RMS (제곱 평균 제곱근) 또는 신호 진폭의 유효 값에 대한 피크 값의 비율을 설명한다. 높은 파고율은 고조파의 높은 비율을 의미할 뿐만 아니라 신호의 강한 임펄스로 인해 발생할 수도 있다.

 

작은 표본 크기에 대한 파일럿 연구는 구개 코골이의 파고율이 비연성 구개 코골이에 비해 상당히 높다는 결론을 내렸다. 자연 수면에서 파고율은 시간 경과에 따라 달라질 수 있으며, 이는 밤 동안 코골이 유형이 변할 수 있고 수면 비디오 내시경 검사가 자연 수면 중 코골이 행동을 대표하지 않을 수 있음을 시사한다.

 

스펙트럼 에너지 비율 (Spectral energy ratio)

 

오랜 접근 방식은 특정 차단 주파수 이하 및 이상인 코골이 잡음 신호의 에너지 함량 비율로 원발성 코골이와 OSA 관련 코골이를 구별하는 것다. 차단 주파수의 정확한 정의는 다양하지만 일반적으로  1kHz 정도이다. 대안적인 접근 방식은 사운드 신호의 에너지 함량이 동일한 위아래의 주파수를 결정하는 것다.

 

여러 연구에 따르면 원발성 코골이는 OSA 관련 코골이보다 더 높은 저주파 에너지 성분을 포함한다. 연구개 (soft palate)는 1kHz보다 훨씬 낮은 기본 주파수로 진동  하고 고조파 에너지는 주파수가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 결과적으로 신호의 주요 에너지 함량은 저주파 범위에 있다. OSA 관련 코골이에서 흔히 발생하는 것처럼 혀 기저부 수준의 코골이는 수축된 영역의 난기류로 인해 발생하는 비주기적인 잡음과 유사한 신호의 더 높은 부분을 생성한다. 따라서 결과 잡음 신호의 에너지 스펙트럼에는 더 큰 비율의 고주파 에너지 성분이 포함된다.

 

그러나 그 결과는 높은 AHI가 혀 기저부 코골이와 관련이 있다고 가정하고 스펙트럼 에너지 비율과 AHI 사이의 관계에 대한 통계적 평가를 기반으로 한다. 스펙트럼 에너지 비율에 기초한 벨라 코골이와 비벨라 코골이의 직접적인 구별은 아직 입증되지 않았다.