From Actuator to Microphone: Acoustic Characterization of the Floating Mass Transducer in Bidirectional Use

청각은 외부 세계와 내부의 신경 사이의 섬세한 대화입니다. 청력 손실을 겪는 수백만 명의 사람들에게 이 대화는 끊어져 있으며, 의사들은 이를 돕기 위해 개입하곤 합니다. 하나의 강력한 도구는 능동형 중이 임플란트(active middle ear implant)로, 이는 손상된 귀의 부위를 우회하여 소리를 전달하는 작은 뼈들을 진동시키는 장치입니다. 이 장치들은 부유 질량 변환기(floating mass transducer)라고 불리는 작은 구성 요소를 사용하는데, 이는 마치 모터처럼 작동하여 전기 신호를 내이가 이해할 수 있는 물리적 진동으로 바꿉니다. 하지만 소리는 두 방향으로 작동합니다. 스피커가 전기를 소리로 바꾸는 것처럼, 마이크는 소리를 다시 전기로 바꿉니다. 연구자들이 오랫동안 던져온 질문은 바로 이 작은 모터가 또한 들을 수 있는가 하는 점입니다. 만약 귀 뼈를 밀어내는 이 장치가 귀 뼈의 움직임을 감지하고 그것을 다시 전기 신호로 바꿀 수 있다면, 이는 완전히 내장형 마이크가 될 수 있습니다. 이렇게 되면 외부 부품을 착용하거나 숨길 필요 없이, 몸 안에 완전히 숨겨진 자립형 청각 임플란트가 가능해집니다.

뷔르츠부르크 대학 병원의 연구팀은 이 아이디어를 실험실에서 테스트하기 위해 착수했습니다. 그들은 자석과 코일 묶음이 들어 있는 작은 원통 형태의 장치인 부유 질량 변환기에 집중했습니다. 표준적인 청각 임플란트 내부에서는 전기가 이 코일들을 통해 흐르며 자기장을 형성하고, 이 자기장이 자석을 밀고 당겨 장치 전체가 귀 뼈에 대해 진동하게 만듭니다. 연구자들은 이 과정이 역방향으로도 작동할 수 있는지 알고 싶었습니다. 만약 음파가 귀 뼈를 때려 진동을 일으킨다면, 그 움직임이 장치 내부의 자석을 밀어 전압을 발생시킬 수 있을까요? 이를 알아내기 위해, 그들은 이 장치를 단순히 스피커로서가 아니라 하나의 리스너(listener)로서 다루었습니다. 그들은 변환기를 인간의 외이도 모양과 크기를 모사한 모델에 배치했으며, 여기에는 얇은 종이로 만든 모사 고막도 포함되었습니다. 그런 다음 낮은 저음의 웅웅거림부터 높은 음조까지 훑고 지나가는 스윕 사운드(sweeping sound)를 재생하고, 장치가 이에 어떻게 반응하는지 측정했습니다.

연구는 세 가지 다른 버전의 장치를 비교했습니다. 하나는 현재 환자들에게 귀 뼈를 구동하기 위해 사용되는 표준 모델이었습니다. 나머지 두 개는 소리를 더 잘 포착하도록 제조사에 의해 특별히 조정된 새로운 설계 모델이었습니다. 연구진은 먼저 각 장치가 모사 고막을 진동시키는 스피커로서 얼마나 잘 작동하는지 측정했습니다. 그런 다음 역할을 바꿨습니다. 동일한 소리를 모델에 재생하고, 그에 반응하여 장치들이 생성하는 미세한 전기 신호들을 기록했습니다. 그 결과, 장치들이 실제로 마이크로서 작동한다는 것을 발견했습니다. 그들이 들은 소리의 패턴은 그들이 만들어낼 수 있는 소리의 패턴과 일 일치했습니다. 장치가 특정 음조를 진동시키는 데 뛰어날 때, 그 장치는 동일한 음조를 감지하는 데도 뛰어났습니다. 더 많은 와이어 권선과 약간 다른 크기로 제작된 새로운 설계 모델들은 표준 모델보다 더 나은 성능을 보였습니다. 이 모델들은 더 넓은 범위의 주파수를 포착하고 더 강한 전기 신호를 생성했습니다.

마이크에 있어 신호의 강도는 매우 중요한데, 이는 장치가 배경 소음 속에서 얼마나 명확하게 음성을 들을 수 있는지를 결정하기 때문입니다. 표준 장치는 소리 압력 1 파스칼당 최대 0.16 밀리볼트의 신호 강도를 생성했습니다. 새로운 설계들은 이를 유의미하게 개선하여, 한 모델은 0.22 밀리볼트에 도달했습니다. 이러한 증가는 중요한데, 신호가 강할수록 처리하기 쉽고 정적 속에서 손실될 가능성이 낮기 때문입니다. 연구진은 또한 원하는 소리와 장치 자체의 조용한 웅웅거림을 비교하는 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)도 측정했습니다. 새로운 설계들은 최대 68.9 데시벨의 비율을 달성했으며, 인간의 언어 범위를 가로지르는 평균값은 52.4 데시벨이었습니다. 이 성능은 지금까지 테스트된 다른 특수 마이크들과 대등하거나, 어떤 경우에는 더 우수합니다. 이 결과는 귀 뼈를 밀어내는 물리 법칙이 곧 귀 뼈의 소리를 듣게 해주는 법칙이기도 하며, 결과적으로 액추에이터(actuator)를 센서(sensor)로 효과적으로 전환시킨다는 것을 시사합니다.

하지만 연구진은 이것이 긴 여정의 한 단계임을 주의 깊게 언급하고 있습니다. 테스트는 실제 인간이 아닌 단순화된 플라스틱 귀 모델에서 수행되었습니다. 실제 귀는 곡선과 조직이 존재하여 플라스틱 관이 할 수 없는 방식으로 소리를 형성하는 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 연구진은 이 장치가 실제 환경에서 어떻게 작동하는지 확인하기 위해 실제 인간의 귀 뼈를 대상으로 테스트가 필요하다는 점을 인정했습니다. 또한 장치가 소리를 들을 수는 있지만, 궁극적인 시험은 명확한 음성을 포착할 수 있는지 여부라는 점도 지적했습니다. 다음 단계에서는 실제 말소리를 녹음하고 이를 표준 녹음본과 비교하여 품질이 대화를 이해할 수 있을 만큼 충분히 높은지 확인할 예정입니다. 이 연구는 부유 질량 변환기가 마이크로서 기능할 수 있음을 확인해주었지만, 이 이중 기능을 활용한 완전한 이식형 청각 시스템을 향한 길은 여전히 더 현실적인 환경에서의 추가 검증을 필요로 합니다. 잠재력은 분명하지만, 작업은 아직 끝나지 않았습니다.