인간의 청각위험도 평가 알고리즘

사람을 위한 청각 위험 평가 알고리즘(AHAAH)은 총성과 에어백 전개 등 충동음 피폭으로 인한 인체 청각 위험을 계산하는 인간 청각 시스템의 수학적 모델이다. 미국 육군연구연구소(ARL)가 청각 보호장치의 효과를 평가하고 사용자가 안전하게 사용할 수 있도록 기계와 무기의 설계를 지원하기 위해 개발했다.^[1][2]

2015년, AHAAH는 미 국방부가 군사 시스템의 최대 소음 레벨 노출을 규제하기 위해 군사 표준(MIL-STD) 1474E를 승인하기 위해 사용하는 두 가지 지표 중 하나가 되었다.^[3][4] 또한 자동차공학회가 에어백 소음의 위험을 계산하고 이스라엘 방위군이 임펄스 소음 분석을 위해 사용한다.^[5]

개요

소음으로 인한 청력 손실(NIHL)은 일반적으로 청각 시스템이 높은 수준의 소음에 노출되어 청력 임계값이 상승하는 것을 경험하고, 이는 일시적인 임계 변화(TTS)로 알려진 현상이며, 정상 임계 수준으로 돌아가지 않는 경우에 발생한다.^[6] 청각 시스템의 손상은 소음 노출 유형에 따라 달라질 수 있다. 산업 환경에서 흔히 발견되는 연속적인 배경 소음과는 달리, 무기와 화기에 의해 발생하는 충동 소음은 매우 짧은 시간 내에, 일반적으로 몇 밀리초 전후의 매우 높은 압력 수준을 보여준다. 그 결과, 무기의 주둥이에 가깝게 측정된 근거리 최고 수위는 휴대용 무기의 경우 150dB, 중포병의 경우 180dB 이상에 이를 수 있다. 그에 비해 산업 환경에서 발생하는 소음은 피크 레벨이 113 - 120 dB인 것으로 측정되었다.^[7]

미 육군은 청력 손실로부터 병사를 보호하기 위해 군사 시스템에 의해 허용되는 최대 소음 수준을 규정한 군사 표준(MIL-STD) 1474를 준수했다.^[8][9] 그러나 인간 자원 봉사 연구는 1997년 이후 사용된 표준인 MIL-STD-1474D가 충동 소음 노출과 관련된 위험을 과대평가했다는 것을 입증했다.^[10] 이후 난청 위험에 대한 부정확한 평가에 근거한 귀의 과잉보호는 전장에서 군인들 사이의 언어소통을 잠재적으로 방해하고 상황의식을 저하시키는 것으로 여겨졌다.^[7][8] AHAAH는 이전의 측정 기준에서 설명되지 않았던 귀의 음향 및 생리학적 특성을 분석에 포함시킴으로써 충동 소음으로 인한 인간의 귀에 대한 위험을 보다 정확하게 평가하기 위해 개발되었다.^[10][11] AHAAH는 결국 2015년에 MIL-STD-1474E를 완전히 개정하고 MIL-STD-1474E로 알려진 새로운 표준을 제정하기 위해 사용되었다.^[4]

개발

AHAAH는 1987년 미 육군 인간공학연구소(HEL)가 최초로 개발한 것으로, 이후 미 육군연구기관(ARL)의 일부가 되어 외이, 중이, 내이 사이의 복잡한 상호작용을 조사하고, 코흘레아 수준의 청력 손실 이면의 과정을 파악하기 위해 개발되었다.^[1][12][13] 원래 귀의 전기 음향 모델로서 기능하도록 설계된 AHAAH는 수많은 소음 노출 실험의 산물이며, 이는 향후 연구의 방향을 안내했다. ^[13] AHAAH의 첫 번째 버전은 고양이에 대한 생리적, 음향적 특성과 가치의 많은 부분이 인간에 비해 당시에 더 잘 알려져 있었고 더 직접적으로 연구될 수 있었기 때문에 고양이의 귀에 대한 기존의 사용 가능한 데이터를 본떠서 만들었다. 또한 포유류의 귀는 인간의 귀 해부학을 위해 적응하는 데 필요한 약간의 적응만이 필요할 정도로 비슷했다.^[11] 1997년까지, AHAAH는 인간의 귀 구조를 설명하는 인간 모델로 수정되었다. 그 후 몇 년 동안, AHAAH는 Albuquerque Studies를 포함한 여러 검증 시험을 거쳤는데, 이 연구는 인간의 충동 소음 노출에 대한 가장 큰 초기 연구 중 하나였으며, 충동 소음이 인간에 미치는 영향을 문서화하는 대규모 체계적 데이터베이스를 만들게 되었다.^[10][13] 이러한 연구의 결과는 보호 청력을 가진 테스트의 95퍼센트와 모든 테스트의 96퍼센트의 사례에서 AHAAH가 정확하다는 것을 증명했다. 이와는 대조적으로, 위험 예측의 MIL-STD-1474D 방법은 보호 청력 시험에서 38%만 정확했던 것으로 나타났다.^[13]

작전

AHAAH 모델은 외부, 중간 및 내부 이어의 1차원 전기음향 모델을 사용하여 그 전달을 모델링함으로써 충동적인 소리의 청각 위험을 추정한다. 이 파동 분석은 Gandzel-Kramers-Brillouin (WKB) 파동역학 방법을 적용한다. 사각형 발판의 움직임을 추정하며, WKB 근사치는 선형 콜레아 네트워크 모델을 가정하여 기준 막 운동을 추정하는 데 사용된다. AHAAH 모델의 출력은 청각 위험 단위(ARU)로, 23개의 다른 위치에서 기준 막의 위상 변위 합계와 관련이 있다. 파형에 대한 ARU는 23개 위치 중 임의의 위치에서 최대 ARU로 보고된다. 개발자들에 따르면, 일일 직업상 피폭에 대한 권장 한도는 200 ARU이며, 500 ARU 이상의 선량은 영구적인 청력 손실을 초래할 것으로 예측된다.^[2][14]

AHAAH 모델은 영구 임계값 위험의 위험에 영향을 미치는 다양한 노출 조건을 설명하는 입증된 알고리즘 집합으로 구성되었으며, 여기에는 청력 보호 장치에 의해 발생하는 소음 감소와 T를 감소시키는 자극의 시작 전에 발생하는 반사성 중이근(MEM) 수축 등이 포함된다.그는 소리에 대비하여 귀를 손상시켰다.^[3][15] AHAA는 기존 에너지 기반 손상 모델과 달리 음파의 압력시간 의존도를 분석해 피해 범위를 정확하게 예측할 수도 있었다. 모델은 이 방법을 통해 귀관 입구에서 낮은 수준의 에너지가 귀머프로 보호되는 귀의 귀관 입구에서 높은 수준의 에너지보다 훨씬 더 위험한 이유를 파악할 수 있었다. 모델은 전자가 중이를 통해 보다 효율적으로 에너지를 전달할 수 있는 후자와 다른 압력-시간 의존성을 특징으로 한다는 것을 발견했다.^[16] MEMC는 일반 청각 장애인의 모집단에서 일반적이지 않으며 95% 신뢰구간에서 95% 유병률이다.^[17][18] MEMC의 조기 활성화는 카운트다운 연구에서 50과목 중 2과목에서 일어났다.^[19]

청각 보호 장치의 존재 여부, 그 소리가 예기치 않게 왔는지, 그리고 소리가 어디에서 발생했는지, 즉 자유장, 귀관 입구 또는 고막 위치 등에 따라, AHAH 모델은 사람의 귀 구조에 부합하기 때문에 내이의 변위를 예측할 수 있었다.^[15] 자유장의 경우, 모델은 소리가 귓구멍 아래로 곧장 도달했다고 가정하고 고막의 압력 이력을 계산하여 내이에 입력하는 것으로서 스태프로 전달되는 에너지를 흡수했다. 귀관 입구나 고막에서 녹음된 파동의 경우, 모델은 회로 다이어그램에서 소리의 적절한 원점을 고려했다. 기준막의 변위는 스태프의 변위로부터 계산되며, AHU는 내이에 있는 코르티 기관의 23개 다른 위치에서 파동의 총 변위를 측정하여 결정한다.^[20] 임펄스 사운드의 효과를 표시해 발생 시 손상 과정을 시각적으로 표현해 낼 수 있다.^[1][2]

앨버커키 연구

1990년대에 실시되어 미 육군의료연구와 마테리엘 사령부가 후원한 앨버커키 연구는 중무기에 의해 발생하는 충동소음에 대한 허용가능한 노출수준에 대한 새로운 한계를 정립하기 위한 일련의 인간자원봉사 연구였다. 이 연구는 뉴멕시코 주 앨버커키의 커클랜드 공군기지에서 이루어졌는데, 참가자들은 7가지 강도 수준과 다양한 계승과 순서에서 4가지 다른 압력-시간 서명에 노출되었다. 이들 연구에서 수집된 데이터는 AHAAH 모델의 성능을 평가하는 데 사용되는 대규모 데이터베이스를 형성했다.^[7][21] 실험은 청력보호구를 착용한 상태에서 5, 3, 1m 거리에서 폭발 전하에 의해 생성되는 자유장 임펄스 파형에 노출되는 것으로 구성됐다. 5m 노출은 맨 충전으로 땅 위에 매달린 채 진행됐고 피실험자들은 왼쪽 귀가 충전물을 향해 있는 수정되지 않은 귀마개를 착용했다. 5m 노출은 이어머프 쿠션을 통해 일련의 작은 튜브를 삽입해 제대로 장착되지 않은 이어머프를 시뮬레이션하는 변형 이어머프로 반복됐다. 3m와 1m 노출은 변형된 이어머프를 사용했고 전하가 수직으로 뾰족한 튜브 밑면에서 터졌다. 피험자의 왼쪽 귀는 튜브의 가장자리로부터 1m 또는 3m, 튜브의 상단 가장자리로부터 1인치(2.54cm) 또는 3인치(7.62cm) 위에 위치했다. 네 번째 노출 조건은 콘크리트 벙커로 열린 3m 길이의 강관 끝에 참가자들이 앉아 있는 반향 환경이었다. 충전된 폭발물은 3m 튜브 끝 밖에서 폭발했다. 참가자의 튜브로부터의 귀의 거리, 주변 환경의 음향, 청각 보호 수준, 임펄스 수 등 다양한 조건을 설명하여 가능한 노출의 행렬을 설정하였다. 각 피폭 전과 후에 임계치와 그에 따른 임계 이동을 측정하기 위해 오디오그램을 사용했다. 압력-시간 서명은 모든 노출 조건에 대해 베어 게이지를 사용하여 측정했다.^[7] 앨버커키 연구소에서 입수한 자료에 따르면, AHAAH 모델은 사례의 95%에서 음향 위험을 정확하게 예측한 반면, MIL-STD-1474D는 사례의 38%, A-가중 에너지 방법은 사례의 25%에서만 정확했다. 세 가지 접근법 모두에서 오차는 주로 위험의 위험을 과대예측하는 방법에서 비롯되었다.^[14]

논란

AHAAH는 음향 위험을 평가하기 위해 사용하는 것과 관련하여 논란의 대상이다.^[3] 2003년 NATO의 임펄스 소음에 대한 연구 결과에 따르면 AHAAH는 여러 노출 조건에서 만족스럽지 못한 결과를 냈으며, 결론 보고서에는 여러 전문가들의 상반된 의견이 포함되어 있었다.^[22] 2010년 미국생물과학원(AIBS)의 리뷰에서도 AHAAH 모델이 중간근육 수축과 같은 요소를 분석에 통합한다는 측면에서 올바른 방향으로 나아가는 단계였지만 아직 완전히 개발되고 검증되지는 않았다고 결론지었다. AIBS에 따르면 AHAH 모델이 다양한 기계와 무기의 지속적인 소음으로 복잡한 군사 환경의 음향 위험을 모델링할 수 있는지에 대한 우려가 있었다.^[23] 2012년 국립산업안전보건연구소(NIOSH)의 검토 결과, AHAAH가 권장 최대 소음 수준을 증가시키는 것을 정당화하기 위해 사용한 MEM 수축이 유효한 분석 형태로 적용하기에 충분한 인원에 존재하지 않았다고 주장했다. 보고서는 또 AHAAH가 인접 사격선수와 레인지 안전요원 등 2차 노출의 영향을 적절히 고려하지 않은 점에 주목했다.^[24][25] 2015년 현재 AHAAH 모델은 NATO 커뮤니티에 채택되지 않고 있다.^[7]

NIOSH와 미국 육군 항공 의학 연구소는 경고된 AHAAH 모델에 필수적인 고전적 조건 조건을 조사하기 위한 연구에 자금을 지원했다. 경고 모드에서는 중이근이 이미 수축된 것으로 가정한다. 무경련 모드에서는 큰 소리가 약 134dB 피크 SPL의 임계값을 초과하면 중이근이 수축된다. 2014년부터 2020년 사이에 실시된 여러 연구에서 MEMC의 유병률과 신뢰성을 조사하였다. 전국 대표 1만5천명 이상을 대상으로 실시한 전국 대표 조사에 따르면, 18세에서 30세까지 측정된 음향 반사율 유병률은 90%^[17] 미만이었다. 정상 청력을 가진 285명을 주의 깊게 평가한 후속 연구에서는 "음향반사가 만연하지 않으며, 충동적인 소음에 대한 손상 위험 기준과 건강 평가에 포함시켜서는 안 된다"^[18]는 결론을 내렸다. 경고 응답에 통합된 예상 수축은 정상적인 청력을 가진 사람에서는 신뢰할 수 없다.^[26][19] USARL 실시간 화재 노출 연구의 완료는 실탄을 사용한 M4 리플을 시험하는 동안 19개 과목 중 18개 과목에서 MEMC의 조기 활성화가 존재하지 않았음을 보여주었다. AHAAH 개발자들의 가설에 따라 숙련된 슈터들은 방아쇠 당기기 전에 조기 수축이 나타날 것이다. 경고된 가설은 후속 손상 위험 기준에서 MEMC를 포함하기에 충분히 보편화되지 않은 것으로 입증되었다.^[27]

참조