---

귀와 소리

청각장애로 인해서 소리가 점차 들리지 않는다는 것은 자기자신이 외부 소리가 들리지 않는

답답한 공간속에 갇히는 것입니다. 귀와 소리에 대해서 알아봅니다.

우선 외부의 소리를 림프의 진동으로 바꿔주어야 하는데 이 역할을 난원창이 담당합니다.

난원창은 이소골 중 맨 안쪽에 있는 등골이 내이에 있는 달팽이 껍질 모양의 와우각관에

닿는 부위입니다. 난원창의 넓이는 약 3.2 mm2 로서, 고막 넓이(50-90 mm2)의 약 1/25 밖에 되지 않기 때문에  넓은 넓이의 고막에 전달된 소리 에너지가 좁은 면적의 난원창에 집중될 때 단위 면적에 작용하는 힘 즉. 압력이 고막에서보다 15배 이상 증가하게 됩니다.

 

이렇게 증폭되면 공기의 진동을 에너지 손실 없이 공기의 관성보다 훨씬 큰 액체

즉, 내이의 공간을 채우고 있는 림프의 진동으로 바꾸는 데 매우 중요한 구실을 합니다. 

이렇게 전달된 진동은 그 정도에 따라 감각세포로 된

마치 피아노의 건반과 흡사한 “20,000여 개의 건반”의 여러 부위를 자극합니다.

말하자면 귓속의 건반으로 다시 연주하는 것입니다.

감각세포는 진동을 받아 신경의 파장을 일으키며, 청신경은 이를 뇌로 전달합니다.

그러면 뇌는 모든 진동을 소리로 번역하여 결국 사람은 진동이 아니라

소리를 듣게 되는 것입니다....

소리의 전달

 ● 외이 : 고막(진동)

                 ↓

 ● 중이 : 청소골(증폭), 유스타키오관 → 기압 조절

 ● 내이 : 난원창 → 전정계 → 고실계 → 기저막 → 코르티 기관 → 청신경 → 대뇌

               (진동)        (림프 파동)           (진동)   [청세포+덮개막]

귀와 청각의 물리

1. 귀의구조와 기능

귀는 매우 약한 음파를 청신경의 전기적 신호로 바꾸는 변환기에 해당한다.

외이(outer ear)는 이개(pinna)와 외이도(ear canal), 고막(ear drum)을 말한다.

중이(middle ear)는 추골, 침골, 등골로 이루어진 이소골(ossicle)과

   유스타키안관(Eustachian tube)을 포함한다.

내이(inner ear)는 와우(cochlea)가 있는 제일안쪽 부분을 말하는데

       와우는 코티(Corti)기관을  가지며 액체로 차있고 나선모양이다.

코티기관의 유모세포(hair cell)는 고막을 두드리는 음파의 진동이

뇌의 청각피질(auditory cortex)에 전해지도록 전기신호로 변환시킨다.

 

내이는 평형감각을 담당하는 전정계(vestibular system)의 센서가 있는

미로(labyrinth)의 일부분이다. 전정계는 중력이 작용하는 방향에 대한

머리의 위치정보와 각운동 혹은 직선운동의 정보를 전기적신호로 뇌에 전달한다.

2. 귀에 관한연구

헬몬츠(Herrmann von Helmholtz, 1821-1894)는 귀와청각의 특성에 대해 연구한

최초의 의학물리 학자이며 귀의 작동에 대한 최초의 현대적 이론을 만들었다.

베케지(Georg Von Berkeley, 1900-1970)는 귀의기능을 통신체계의 한 부분으로

관심을 가졌던 통신 기술자로 헬몬츠의 연구를 발전시키고 확장했으며

1961년 노벨상을 수상했다.......

 

 

3. 외이

이개(pinna, 귓바퀴)는 음파가 외이도로 들어가는 것을 도와준다.

인간은 9개의 사용하지 않는 근육을 가지고 있으나 대부분은 이 근육을 조절하는 신경회로가 없다. 외이도(ear canal)는 길이 약 2.5cm의 한쪽 끝이 막힌 오르간파이프로 간주 할 수 있다. l=10cm, 즉 약 f1=3,300Hz의 공명주파수 영역에서 귀의 민감도가 가장 높다.

고막(tympanic membrane)은 두께 약 0.1mm, 면적 약 65mm2로 공기진동을 중이내의 작은 뼈로 전달하는 역할을 한다.

추골(malleus)이 고막의 중심에서 벗어나 붙어있고 고막은 북의 진동처럼 대칭적으로 진동하지 않는다. 고막의 진동범위는 음파에서 공기분자의 움직임 보다 작다. 3000Hz의 음파의 경우 10-11m로 수소원자직경 보다 짧고 20Hz의 음파의 경우10-7cm로 가시광선파장 보다 짧다.

 4. 중이

중이의 두드러진 특징은 세 개의 작은 뼈 인데 이를 이소골(ossicle)이라 부른다.

이소골은 생긴 모양의 닮은 물체 이름을 따서 망치(hammer)라는 뜻의 추골(malleus), 모루

또는 받침대(anvil)라는 뜻의 침골(incus), 등자(stirrup)라는 뜻의 등골(stapes)이라는 이름이 붙여져 있다. 이들은 고막과 내이의 액체로 채워진 방 사이의 임피던스를 약 400~4000Hz로 맞추어주는 역할을 한다. 400Hz 보다 작으면 고막의 탄성이 너무 크고, 4000Hz 보다 커지면 고막의 무게가 너무 커진다. 이소골은 또한 고막으로부터 내이로 진동을 효율적으로 전달하도록

배열 되어있어 두개골 내에서의 진동, 특히 성대의 센 진동도 거의 전달하지 않는다.

중이는 큰소리에 의한 청각 손상을 막는 역할도 한다.

등골에 붙어 있는 등골근(stapedius muscle)과 추골의 자루에 붙어있는 고막 장근(tensor tympani muscle)이 큰소리로부터 귀를 보호한다.

큰소리가들어오면 중이에있는근육들이 이소골을 옆으로밀어 내이에 전달하는 소리의 강도를줄인다. 이를 통해 15db 정도 감소시킬 수 있다. 이 근육들의 반응은 15ms 이상이 걸린다.

큰소리가 나는 환경에서 살거나 일하는 사람이 귀 보호개를 착용하지 않으면 영구적으로 청력의 일부가 손상될 수 있다. 소음 공해는 청각기전에 영구적인 생리적 손상을 가져온다.

유스타키안관(Eustachian tube)은 양쪽중이와 구강의 뒤쪽을 연결하며 중이 내에 생긴 액체를 배출하는 통로로 기능한다.  대부분의 경우 닫혀 있다가 일시적으로 관이 열리면 중이내의

압력이 대기압과 평형을 이루게 된다. 고막이 정상위치로 돌아갈 때 귀안에서 펑하는 소리를 듣게 된다.  고막양단의 약 8kPa 또는 1/12 기압의 압력차이는 통증을 유발한다.

압력평형장애는 코감기로 인하여 끈끈한 액체가 유스타키안관을 막거나 관 입구 주위의 조직이 부어있는 경우가 생긴다.

 

5. 귀의 소리증폭

외이와 중이에서 소리의 세기를 약 800배, 즉 29db 정도 증폭시킬 수 있다.

외이도의 막힌 관에서 3000-4000 Hz의 소리 세기를 2배 증폭 시킨다.

고막이 난원창(oval window; 등골이 내이를 진동시키는 부분)의 면적보다 넓어

소리의 세기를 152배 증폭시킨다.

이소골의 지레작용의 결과로 고막에서의 소리의 세기를 1.32배 증폭시킨다.

이는 지레의 축 위치를 바꾸어 증폭 도를 조절함으로써 이루어진다.

 

6. 내이

와우(cochlea)는 이소골이 접촉하는 부분인 난원창(oval window)과

진정계(vestibular chamber), 와우관(cochlea duct), 고실계(tympanic chamber),

외림프액(perilymph fluid)으로 이루어져있다.

뇌척수 액(CSF)으로부터 만들어지는 외림프액은 진정계와 고실계 내부를 채우며

소리의 압력을 전달하는 기능을 한다.

고막이 움직일 때 중이의 이소골은 

 와우의 난원창을 덮고 있는 탄력적인 막을 등골이 밀도록 하여

와우 내의 액체로 압력변화를 전달한다.

 

이 진동은 신축성 있는 기저막(basilar membrane)을 움직여 코티 기관의 유모세포를 자극한다. 자극된 유모세포는 전기적인신호(활동전위)를 일으킨다.

소리에 의해 자극된 와우의 위치에 대한정보를 전기적신호로 28,000개의 도선으로 이루어진 청신경을 따라 뇌로 보낸다.

작은 나선형 모양의 와우(cochlea)는 2.75회 감겨있고 직선으로 펴면 총길이가 3.2cm에 달한다. 16,000~20,000개의 유모세포는 1500개의 pitch(주파수)를 구별하는 능력을 갖고 있다.

각 pitch 사이의 간격은 0.002cm이다.  인체의귀는 440Hz와 441Hz를 구별할 수 있다.

코티기관(Organ of Corti)은 와우의 세관 중에 하나에 위치한 기저막 위에 위치한다.

여기에는 4열로늘어선 유모세포가있으며그위에는 진정계와 고실계에 채워진 액의 압력변화에 따라 움직이는 tectoral membrane이 있다. 한줄의 내측 유모세포와 세 줄의 외측 유모세포를 가지며 각줄에는 약 4,000개의 유모세포가 있다.

내측 유모세포는 소리의 압력파에 의한 기저막의 운동을 검출하여 음파를 전기신호로 바꾸는 일차 변환기이고,  외측 유모세포의 기능은 아직도 잘 모른다.

유모세포(Hair cell)는 소리에너지를 전기적인 신경신호로 바꾸는 일차적인 변환기이다.

길이가 수마이크론인 약100개의 미세한 털이 빽빽이 밀집한 섬모의 다발을 몇 개가지고 있다. 난원창으로부터 들어온 음파에 의하여 기저막이 움직이면 유모세포는 액체에서 움직이고 액체와의 마찰로 발생한 미세한 힘이 섬모에 가해 굽어진다.

적절한 방향으로 굽혀진 유모세포는 휘게 하는 힘에 의하여 활동전압(action potential)을 발생한다. 나노미터보다 작은 극도로 미세한 움직임도 신호를 낼 수 있다.

인간의 귀는 10억배 이상의 동적인 작동범위를 가지며 시간분해능은 수밀리초이다.

내이의 소낭(sacculus)과 난원낭(utriculus)에는 직선가속도를 검출하기 위하여 각각

약 15,000개와 30,000개의 유모세포가 있다. 내이의 세 개의 반원관(semicircular canal)은

각 가속도를 검출하기 위하여 약 7,000개의 유모세포를 각각 가지고 있다.

유모세포의 몇 가지 반응은 수밀리초내에 일어나야한다.

활동전압과 근육의 반응은 밀리초 단위이므로 더빠른 기전이필요하다.

단일유모세포에서 분자들의 전기적 수축은 이러한 빠른 반응을 설명하기위해 필요하다.

후드스페스(Hudspeth)는 와우에 대해 다음 과같이 언급했다.

“…소형화에 있어 진화의 승리…….

인체 내에서 가장 복잡한 기계장치, 백만 개가 넘은 필수가 동부 품들을 가지고 있으며…

어린아이들 장난감구슬 크기 안에 집어넣은 음향증폭기와 주파수분석기....”

 

난원창에서 특정 주파수의 음파는 와우의 기저막에서 파동물결을 일으킨다.

기저막의 운동은 난원창으로부터의 길이에 따라 특정위치에서 최대를 이룬다.

최대 운동을 하는 기저막의 유모세포는 뇌로 신호를 보내며

이 위치에 의해 수신한 음파의 주파 수혹은 음조(pitch)를 구분한다.

기저막의 경직성은 난원창에서 와우의 끝까지 1만 배나 변한다.

난원의 근처가 가장 딱딱하며 높은 주파수에서 최대 운동을 한다.

낮은 주파수는 와우의 끝부분에서 최대 운동을 한다.

유모세포센서는 기저막의 운동을 감지하며 특정 유모세포로부터

뇌에 전달되는 모든 청각신호는 자동적으로 주파수 또는 음조(pitch)를 표시하게 된다.

감지하는 주파수영역대가 기저막을 따라 로그함수에 의해 배열된다. 3.5-4mm의 거리가 한 옥타브 또는 두 배의 주파수변화에 해당한다. 이 길이는 낮은 악보나 높은 악보에서 동일하다.

즉 10,000-20,000Hz 범위의 주파수가사용하는 기저막의 길이는 40-80Hz 범위의 주파수가

사용하는 길이와 같다.

주파수비율에 의해음조를 계단식으로 배열한 것을 음계(musical interval, 音階)라고 한다.

옥타브는 시작하는 임의의 주파수에 2:1 비율로 설정한 주파수 간격이다.

예를 들어 한 옥타브는 200-400Hz, 2000-4000Hz 등이 가능하다. 인간의 귀에 기분 좋게들 리는 음계는 주파수가정수비를 이루는 경우이다. octave (2:1), fifth(3:2), fourth(4:3), major third(5:4), minor third(6:5) 등이 이에 해당 한다.

뇌에서 나오는 미약한자기장(magnetoencephalography/MEG, 뇌자도)을이 용하여 여러 주파수의 소리를 들을 때 뇌에서 발생되는 자기신호의 위치를 알아보면 뇌에서도 유사하게로그함수특성으로 분포함을 알 수 있다.

기저막으로 그 함수 분포는  대략 20-20,000Hz의 음역을 10 옥타브로 연주 가능한 피아노와 유사함을 보여줌 준다. 처음 8옥타브(20-5,000Hz)는 기저막길이의 2/3를 차지하고 5,000-20,000Hz의 나머지 주파수범위는 별로 이용가치 가없는 기저막의 두꺼운 나머지 1/3에 해당한다..... 
 

며칠전  20년동안이나 청각장애로 고생하시던

여자분을  11회  집중치료하여 

난청이 사라진 임상사례가 있습니다....