저주파 빔포밍으로 헤드섀도우 강화, 양측 청각 보조 사용자의 청취 능력 대폭 향상

**배경 및 목적** 청각 손상 청취자는 양쪽 귀에서 전달되는 시간 차이(ITD)와 레벨 차이(ILD) 정보를 충분히 활용하지 못해 소리의 방향을 정확히 판단하고, 잡음이 섞인 환경에서 말소리를 이해하는 데 큰 어려움을 겪는다. 특히 코클레어 이식(CI)와 반대쪽 청각보조(HA)를 동시에 사용하는 양측(bimodal) 청취자는 전기·음향 신호 처리 차이, 청각보조의 고주파 청력 손실, 압축 알고리즘 차이 등으로 ITD와 ILD가 모두 크게 왜곡된다. 기존 연구들은 청각보조기의 레벨을 맞추거나, ITD 기반 각도 추정 후 인공 ILD를 삽입하는 방식으로 이 문제를 해결하려 했지만, 비단조적인 ILD‑각도 관계와 높은 연산 비용, 다중음원 상황에서의 적용 한계가 있었다. **제안 방법** 본 논문은 “저주파 헤드섀도우 강화”(Head Shadow Enhancement, HSE)라는 새로운 전략을 제시한다. 1500 Hz 이하 저주파 대역은 자연적으로 전방·후방 구분이 거의 없으며, ILD가 매우 작다. 이를 보완하기 위해 각 귀에 고정된 빔포머를 적용한다. 구체적으로, 양쪽 귀 사이(≈20 cm) 거리에 마이크를 배치하고, 한쪽 귀의 마이크 신호를 다른 귀로 전송한 뒤 일정 지연을 두고 감산한다(Delay‑and‑Subtract). 이 과정은 반대쪽(contralateral) 소리를 약 6 dB/oct 감쇠시키며, 50 Hz 저역통과 필터를 추가해 감쇠 손실을 보상한다. 결과적으로 저주파 대역에서 카디오이드형 지향성을 얻어, 소리의 입사각에 따라 ILD가 단조적으로 증가하도록 만든다. 1500 Hz 이상에서는 전통적인 전방향 마이크를 그대로 사용한다. **시뮬레이션 설정** HRIR은 CORTEX MK2 인간형 마네킨에 부착한 전방향 마이크를 이용해 13개의 스피커(−90°~+90°, 15° 간격)와 뒤쪽 회전(180°) 측정으로 얻었다. 반향을 제거하기 위해 각 HRIR을 2 ms 이후 잘라냈다. 양측 청취 시뮬레이션은 다음과 같이 구현했다. - **CI 귀(왼쪽)**: 8채널(125 Hz–8 kHz) 혹은 5채널(125 Hz–8 kHz) 노이즈 밴드 보코더. 각 채널은 반파 정류 후 50 Hz 저역통과 필터로 envelope를 추출하고, 해당 envelope로 동일 스펙트럼의 노이즈를 변조한다. - **HA 귀(오른쪽)**: 6차 저역통과 필터(cutoff = 500 Hz, −36 dB/oct) 적용, 전형적인 고주파 청력 손실을 모사. 이 구성은 시간 미세구조가 사라져 ITD 단서를 거의 없애고, 청취자가 ILD에만 의존하도록 만든다. **실험 1 – 위치 인식** 8명의 정상 청취자를 대상으로 전방 “zoem” 단어를 제시하고, 헤드섀도우 강화 적용 여부를 교차 설계하였다. 각 조건은 7개의 블록(첫 4 블록은 훈련, 마지막 3 블록 데이터)으로 진행되었으며, 각 블록당 39개의 시도(각 각도당 3회)였다. 응답은 스피커 번호를 말하게 하였고, 피드백은 시각적으로 제공하였다. 결과는 다음과 같다. - **ILD 곡선**: HSE 적용 시 −90°~+90° 구간에서 ILD가 급격히 상승하고 단조성을 확보했다. - **편향(bias)**: 큰 각도(±45°, ±90°)에서 평균 편향이 27.9°→11.2°로 감소. - **표준편차(s.d.)**: 전체 각도에서 변동성이 37.1°→22.0°로 감소. - **RMS 오류**: 50.5°→26.8°(≈23.7° 감소, 46% 개선). 이러한 개선은 특히 ILD가 크게 변하는 큰 각도에서 두드러졌다. **실험 2 – 말‑잡음 인식** 동일 청취자를 대상으로 전방에서 “zoem”을 65 dB SPL으로 제시하고, 잡음을 3가지 위치에서 배치했다. 1) CI 측(왼쪽)에서 잡음, 2) HA 측(오른쪽)에서 잡음, 3) 전방 전방향(다중) 잡음. 각 조건에서 SRT(50% 이해) 를 측정하였다. - **CI 측 잡음**: HSE 적용 시 SRT가 15.7 dB 향상. - **HA 측 잡음**: 7.6 dB 향상. - **전방 전방향 잡음**: 변화 없음(≈0 dB). 이는 저주파 ILD 강화가 소스와 잡음이 서로 다른 귀에 위치할 때 신호‑잡음비를 크게 개선함을 의미한다. **논의** HSE는 복잡한 ITD 추정 없이도 저주파 ILD를 인위적으로 증폭함으로써 단조적인 ILD‑각도 관계를 제공한다. 이는 기존 연구에서 제시된 “인공 ILD 삽입”과 달리 실시간 각도 추정이 필요 없으며, 연산량이 적어 현재 상용 CI/HA 기기에 펌웨어 수준으로 적용 가능하다. 또한, 저주파 대역에서의 ILD 증강은 고주파 청력 손실이 심한 HA 귀에서도 유의미한 위치 단서를 제공한다. 다만, 고주파 (>1500 Hz)에서는 기존 헤드섀도우 효과가 제한적이며, 실제 CI 사용자의 전기 청취 특성을 완전히 재현하지 못한 점은 한계로 남는다. 향후 연구에서는 고주파 대역에서도 단조적인 ILD를 제공하는 방법과, 실제 양측 청취자를 대상으로 장기 청취 적응 효과를 검증할 필요가 있다. **결론** 저주파 빔포밍을 이용한 헤드섀도우 강화는 양측 청각 보조 사용자의 ILD를 단조적으로 증가시켜, 소리 위치 인식 정확도를 약 24° 개선하고, 잡음이 한쪽 귀에 있을 때 말 이해도를 최대 15 dB까지 향상시킨다. 계산 복잡도가 낮아 현재 임상 기기에 바로 적용 가능하므로, 양측 청각 보조뿐 아니라 양쪽 코클레어 이식 혹은 양쪽 청각보조 사용자에게도 유망한 기술이다.