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대상과 방법

음성인식 시력 측정 스마트폰 어플리케이션

개발한 어플리케이션은 화면에 하나의 숫자를 표기하고 대상자가 해당 숫자를 한국어로 말하였을 때 일치하면 단계별로 시표의 크기를 조절하여 다음 단계 시표로 넘어가 시력을 측정할 수 있도록 제작되었다. 화면에 나타나는 숫자 '3', '4'와 대상자가 읽은 음성 숫자를 '삼', '사' 등 한글로 변환하고 이를 다시 'ㅅ', 'ㅏ', 'ㅁ'과 'ㅅ', 'ㅏ'처럼 자음과 모음으로 분리해 낱소리를 비교하여 3개의 낱소리 중 2개가 같거나 2개의 낱소리 중 1개 이상이 같다면 대상자가 화면의 숫자를 일치하게 읽은 것으로 간주하였다. 만약 대상자가 '3', '4'를 '산', '싸'라고 읽어도 숫자를 제대로 보았다고 판단할 수 있으며, 숫자를 일치하게 읽은 것으로 간주할 수 있다(Fig. 1).

Figure 1.

Algorithm of voice recognition. (A) The algorithm of voice recognition in the application. The application recognizes the 'voice', and in turn convert the number of the 'screen' and 'voice' to Korean. Korean is then separated into vowels and consonants. Compare each vowel and consonant of the 'screen' and 'voice'. If more than half matches, it is considered 'correct'. (B) Example of voice recognition algorithm: number '3'. The subject read number '3' and the application recognize voice number '3' and '3' on the screen and convert to Korean '삼'. '삼' is then divided into vowel and consonant 'ㅅ', 'ㅏ', 'ㅁ'. Compare each vowel and consonant, and if more than 2 of them coincide, the subject read it correctly.

시력 측정에 앞서 숫자를 읽었을 때 어플리케이션이 한글로 음성인식을 잘 하는지에 대한 음성인식률 평가를 시행하였다. 화면에 2-9 중 무작위로 하나의 숫자를 표시하고 해당 숫자를 읽었을 때 어플리케이션이 인식한 음성을 한글로 화면에 표시할 수 있도록 하였다. 검사자는 읽은 숫자와 어플리케이션이 인식한 숫자가 일치할 때까지의 횟수를 조사하였다. 예를 들어 6이 화면에 표시되면 ‘육’이라고 한 번 읽었을 때 일치라고 판단하면 1회째 성공, 만약 ‘육’이라고 읽었음에도 ‘묵’으로 인식하여 일치하지 않다고 판단하면 다시 한번 ‘육’이라고 읽어 일치가 되면 2회에 걸쳐 인식이 성공하였다고 기재하였다. 3회 안에 인식이 성공하면 인식이 되었다고 정의하였다. 이런 방법으로 2부터 9까지 숫자를 무작위로 한 번씩 표시하여 인식 정도를 측정하여 한 사이클을 시행하였다. 이와 같은 방법을 3회 반복하여 총 3회의 사이클을 시행하였다. 첫 번째 사이클은 어플리케이션 음성인식에 대해 피검자가 생소하기 때문에 예행 연습을 시행한 것으로 결과에서 제외하여 2, 3회 사이클의 결과로 음성인식률을 측정하였다. 한편 숫자 '2'와 '5'는 같은 자음 'ㅇ'을 사용하기 때문에 '2'를 '오'로 읽었을 때 맞다고 판단하는 오류가 있으므로 숫자 '5'를 제외한 2-9까지의 숫자를 사용하여 시력 측정을 시행하였다.

어플리케이션을 이용한 시력 측정 방법

화면에 나타난 숫자를 하나씩 소리내어 읽으면서 시력을 측정하는데, 시표가 보이지 않으면 '모르겠어요', '몰라요'라고 이야기하거나 제한 시간 안에 읽지 못하면 시표를 맞추지 못한 것으로 간주하도록 설정하였다.

시력 측정 시간을 단축하기 위해 시표의 일치 정도에 따라 차등을 두어 단계를 넘어가도록 설정하였다. 같은 크기의 시표를 2번 연속 검사하여 모두 맞추었다면 2단계 작은 시표로 넘어가고, 2번 중 1번만 맞추었다면 1단계 작은 시표로 넘어간다. 2번 모두 실패하면 전 단계 시표에 해당하는 시력이 피검자의 시력이 된다(Fig. 2) 또한 원거리 시력 측정의 경우 어플리케이션 화면의 우측, 근거리 시력 측정의 경우 어플리케이션 화면의 하단에 '안 보여요', '보여요' 버튼이 있어, 옆에 시력 측정을 도와주는 사람(검사자)이 있는 경우 시표를 잘 읽었는지 여부에 따라 제한 시간이 다 지나기 전에 버튼을 눌러 다음 단계로 넘어갈 수 있게 하였다.

Figure 2.

The algorithm of determining the visual acuity. If the subject read the optotype correctly twice in a row, move on to the next two steps and repeat the algorithm. If the subject read correctly only once, move on to the next one step and repeat the algorithm. If the subject read the optotype incorrectly twice in a row, previous step is determined as visual acuity.

시력 측정 방법

시력 측정은 무작위로 두 눈 중 한 눈을 선택하였으며 다양한 시력 범위를 가지도록 나안시력을 측정하였다. 단, 나안시력이 스넬렌시력 20/200 이하인 경우는 교정시력을 측정하였다. 근거리 시력검사는 35 cm 떨어진 거리에서 한천석 근거리 시력표와 어플리케이션을 스마트폰(SAMSUNG Galaxy S22+, Suwon, Korea)에 띄워 각각 측정하였고(Fig. 3A, B), 원거리 시력검사는 4 m 떨어진 거리에서 진용한 시력표와 스마트폰 어플리케이션을 TV (LG 75UK7400KNA, Seoul, Korea)에 미러링하여 각각 측정하였다. TV에 스마트폰 화면을 미러링 후 TV 화면에 표시된 직사각형 가이드 선에 신용카드를 대고 가이드와 신용카드가 일치하게 시표 크기를 조절하는 원점 설정 후 시력 측정을 시작하였다(Fig. 3C, D).

Figure 3.

Visual acuity test photo using a mobile app. (A) The application showing the step of selecting the eye to be examined in the application. (B) M easuring near visual acuity by using the smart phone at a 35 cm distance. (C) The application showing the step of calibration by using credit card. (D) Measuring distant visual acuity by mirroring the application on the television at a 4 m distance.

이때 시력 측정을 시작하는 시점에서 끝나는 시점까지의 소요 시간을 각각 측정하였으며 측정된 시력은 logarithm of the minimum angle of resolution (logMAR)으로 환산하여 비교하였다.

결 과

시력 측정 대상은 20-50대 정상 성인을 대상으로 하였다. 근거리 시력 측정 대상은 20대 15명, 30대 4명, 40대 이상 2명으로 총 21명, 원거리 시력 측정 대상은 20대 9명, 30대 15명, 40대 이상 7명으로 총 31명이었다. 이 중 근거리 시력 측정 대상은 남성 7명, 여성 14명, 원거리 시력 측정 대상은 남성 9명, 여성 22명이었다(Table 1). 52명 중 49명은 나안시력, 3명은 교정시력을 측정하였다.

Table 1.

Demographic features of participants; number of participants according to age and sex

어플리케이션을 통해 측정한 음성인식률은 숫자 2-9 전체를 대상으로 하였을 때 평균 87%였고, 숫자별 음성인식률을 측정하였을 때 가장 낮은 음성인식률은 숫자 7 (79%), 가장 높은 인식률은 숫자 4 (91%)였다. 숫자 2-9 각각에서 남성과 여성 간의 음성인식률은 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았으나, 여성에서 상대적으로 낮은 음성인식률을 가졌다. 숫자들 중 숫자 2에서 가장 많은 차이를 보였는데, 남성 89%, 여성 84%의 음성인식률을 가졌다(Fig. 4).

Figure 4.

Voice recognition rate of each number (2-9) according to sex ('female' and 'male'). Average of total (including both female and male) voice recognition rate was 87% (dot red line: 'average'). Highest voice recognition rate of total (including both female and male; dot yellow line: 'total') was 91% (number '4'), and the lowest was 79% (number '7').

근거리 시력의 평균은 어플리케이션 logMAR 0.30 ± 0.43, 한천석 근거리 시력표 logMAR 0.29 ± 0.28로 통계적으로 두 결과값 사이에 유의미한 차이는 없었다(p=1.000). 원거리 시력의 평균은 어플리케이션 logMAR 0.20 ± 0.27, 진용한 시력표 logMAR 0.19 ± 5.89 (p=0.2825)로 역시 통계적으로 두 결과값 사이에 유의미한 차이는 없었다.

근거리 시력 측정의 소요 시간의 평균은 어플리케이션 42.24초, 한천석 근거리 시력표 19.10초(p<0.005)로 어플리케이션을 사용한 경우 통계적으로 유의미하게 소요 시간이 길었다. 원거리 시력 측정의 소요 시간의 평균은 어플리케이션 38.42초, 진용한 시력표 18.97초(p<0.005)로 역시 어플리케이션을 사용한 경우 통계적으로 유의미하게 소요 시간이 길었다(Table 2).

Table 2.

Result of VA measurements

고 찰

최근 원격 의료 및 스마트폰을 의료에 활용한 경우들이 증가하고 있으며, 특히 COVID-19로 인해 안과 영역에서도 병원에 가지 못하는 기간 동안의 스크리닝이 중요시되고 있다.12,13 이에 따라 스마트폰 어플리케이션을 활용하여 시력을 측정하는 시도들이 보고되었다.14 미국에서는 Rosenbaum card와 자체 개발한 스마트폰 시력 측정 어플리케이션(The NYU Langone Eye Test application)을 비교하여 근거리 시력 측정의 정확성을 측정하였고, 케냐에서는 Early Treatment Diabetic Retinopathy Study (ETDRS) chart, Snellen chart와 스마트폰 시력 측정 어플리케이션(Peek Acuity smart phone test)을 비교하여 원거리 시력을 측정하여 자체 개발한 어플리케이션이 기존의 시력 측정 방법보다 검사-재검사 신뢰도가 더 높아 집에서 자가 시력 모니터링에 활용할 수 있다고 보고하였다.6,10 그리스에서는 그리스어 사용자들을 대상으로 하여 ETDRS chart와 스마트폰 시력 측정 어플리케이션(K-VA application)을 비교하여, 원·근거리 각각에서 두 방법의 차이는 0.006 logMAR (95% 신뢰구간 -0.129 to 0.117), 0.007 logMAR (95% 신뢰구간 -0.105 to 0.090)로 두 검사 간의 통계적으로 유의한 차이가 없다고 보고하였다.7 중국인과 호주인을 대상으로 한 연구에서는 Vision at home (V@home)이라는 스마트폰 시력 측정 어플리케이션을 ETDRS chart와 비교하여 원·근거리 시력의 정확성을 입증하였다.14 이러한 결과는 한국어를 이용한 어플리케이션과 임상에서 사용하는 시력 측정과 비교한 본 연구와 같은 결과라고 생각한다. 아직까지 한국어 사용자를 대상으로 한 시력 측정 어플리케이션은 개발되거나 정확성이 입증된 바가 없어, 한국인들이 병원에 가지 않고 혼자 시력을 측정할 수 있는 어플리케이션은 아직까지 없다. 이에 저자들은 한국어 사용자를 위한 시력 측정 어플리케이션을 개발하였고, 임상적으로 활용될 수 있는지에 대해 알아본 것이 본 연구의 의미가 있다.

그리스에서 개발한 K-VA application은 ETDRS chart와 어플리케이션을 비교하였는데, 근거리에서는 각각 40 cm에서 측정한 시력을 비교하였으나, 원거리는 ETDRS chart는 4 m, 어플리케이션은 1 m 거리에서 측정한 결과를 비교하여 정확히 같은 거리에서 측정한 시력을 비교하지 못하였다. 반면 본 연구에서 개발한 어플리케이션은 텔레비전에 미러링하는 기능이 있어 원거리 시력 측정 비교 시 진용한 시력표와 같은 4 m 거리에서 비교할 수 있었다. 또한, 케냐와 중국, 호주인을 대상으로 한 연구는 스마트폰 어플리케이션의 시표로 'E'를 사용하여 케냐에서 개발한 스마트폰 어플리케이션 Peek Acuity smart phone test는 검사자가 필요하여 사실상 혼자서 시력을 측정하기는 힘들다. 반면 본 연구의 어플리케이션은 한국어를 인식하는 음성 인식 알고리즘을 바탕으로 시력표와 같은 숫자 시표를 이용해 시력을 측정할 수 있었다.

소아에서 조기 시력 검진의 필요성에 대한 연구들이 있다. 영아기(만 1-2세) 때 약시와 약시 위험 요인에 대해 검진을 받은 소아들은 그렇지 않은 소아들보다 8세경 약시 유병률이 각각 1.0%, 2.6%로 유의미하게 낮았다.4 또한 생후 37개월 이내 6회의 집중적인 약시 검진을 시행한 경우 37개월 동안 1회의 검진을 시행한 경우보다 약시의 유병률이 더 낮았고 병원에 방문하여 치료를 받을 확률이 더 높았으며, 약시 환아에서 시력이 좋았다.15 이는 소아에서 조기에 시력을 검사해서 시력저하를 발견하는 것이 진단과 치료 시기를 앞당길 수 있고, 이는 약시의 예후에 영향을 끼친다고 할 수 있다. 하지만 안과 의원, 전문의가 없는 도시에서는 지리적 여건으로 시력 검진이 제대로 이루어지지 않기 때문에 조기에 약시를 치료할 수 있는 기회를 놓치게 된다. 어플리케이션을 사용하면 집에서 병원에 가지 않고도 짧은 시간 안에 시력 측정을 할 수 있다. 특히 낯선 환경을 두려워해서 병원에서 시력 측정이 잘 되지 않는 소아들이 편안한 환경에서 손쉽게 시력검사를 시행할 수 있을 것이다.

본 연구에서는 어플리케이션을 이용한 시력 측정 소요 시간은 근거리 42.24초, 원거리 38.42초로 시력표를 이용한 경우 근거리 19.10초, 원거리 18.97초보다 길었지만, 시력 측정 결과에는 유의한 차이를 보이지 않았다. 저자는 시력표와 어플리케이션 시력 측정에 소요되는 시간의 격차를 줄이기 위해서 차등으로 측정하는 방법을 적용하였다(Fig. 2). 그럼에도 불구하고 어플리케이션으로 측정한 소요 시간이 시력표를 이용한 경우보다 통계적으로 유의하게 오랜 시간이 소요되었다. 어플리케이션 설정을 위해 처음 대기하는 시간(5초)과 각 숫자당 제한 시간을 8초로 설정하여 숫자를 틀리거나 읽지 않았을 때 다음 시표로 전환되기까지 시간(8초), 정답일 때 표시되는 애니메이션 효과(1초)가 소요 시간 차이의 원인으로 생각한다. 하지만 집에서 병원을 방문하는 이동 시간과 시력표로 시력을 측정하는 데 걸리는 시간을 고려한다면, 스마트폰 어플리케이션을 이용한 시력 측정은 장소나 비용에 구애받지 않는 접근성이 좋은 유용한 검사이므로 초기 시력저하의 원인과 기타 안과 질환을 빨리 발견할 수 있는 기회를 줄 수 있다는 점에서 병원을 방문하기 어려운 경우에 어플리케이션이 유용할 수 있다.

병원에서 시력을 잴 때에는 피검자가 발음 등의 문제로 일부 숫자를 잘못 읽더라도 검사자가 제대로 읽었다고 판단하여 시력을 측정할 수 있지만 어플리케이션을 이용한 시력 측정에는 명확한 발음이 안되면 제대로 숫자를 보았음에도 불구하고 시표를 잘못 읽었다고 어플리케이션이 판단할 수 있다. 이런 한계를 극복하기 위해 저자는 어플리케이션에서는 한글 음성을 낱소리로 변환하여 과반수 이상을 맞추었을 때는 맞게 읽었다고 설정을 하였다. 예를 들어 숫자 7의 시표는 한글음성으로 '칠'이라고 읽지만 아이들에서는 '힐, 필, 질, 찔' 등으로 발음이 될 수 있으나 시표 7을 올바르게 보았다고 판단할 수 있다. 그래서 'ㅊ', 'ㅣ', 'ㄹ'의 낱소리로 구분하여 각각을 비교하여 일치 유무를 판단하였다.

음성인식률에서 가장 낮은 인식률은 숫자 7 (79%)로 나왔고, 숫자 4가 가장 높은 인식률(91%)로 나왔다. 숫자 4가 높은 인식률이 되는 이유는 낱소리의 개수가 상대적으로 적고 한글 음성 '사'와 비슷한 음원을 가진 경우가 적기 때문이다. 2부터 9까지 전체 평균 음성인식률은 87%이지만 어플리케이션이 한 번에 인식을 못하더라도 제한 시간 동안에 1-2번 재차 발음하면 인식률은 더 높아지므로 어플리케이션을 이용하여서 잘못된 발음 인식으로 시력이 낮게 측정되는 가능성은 적다고 저자는 생각한다.

본 연구는 몇 가지 한계점을 가지고 있는데, 어플리케이션에 사용된 시표는 단독 시표이지만 임상에서 사용하는 시력 차트는 시표가 나열되어 있어 약시에서는 어플리케이션이 기존의 시력 측정보다 높게 시력이 측정될 수 있다.16 약시가 있는 소아는 밀집 현상 때문에 약시안의 시력검사에서, 단독 시표로 측정한 시력이 줄로 배열되어 있는 시표로 측정한 줄시력보다 더 좋게 측정되기 때문이다.17 따라서 독립된 시표로 시력을 측정하게 되면 약시 소아에서의 시력을 과대평가하여 약시 진단을 놓칠 수 있다.18 검사자가 직접 시력표로 검사를 할 때에는 지정하지 않는 시표를 소아가 읽으면 판단에 따라 다시 지정한 시표를 읽도록 할 수 있지만 어플리케이션에서는 줄시표를 사용하여 읽을 숫자를 지정해주는 것이 오히려 소아에서는 더 혼란스럽고, 줄시표에서 다른 숫자를 읽었을 때 이를 판단하는 것이 힘들어 단독 시표를 사용하였다. 향후 줄시표로 제작된 어플리케이션을 개발하여 본 연구의 어플리케이션과 비교하여 한계점을 극복할 수 있을 것이다. 또한 본 어플리케이션에서 음성을 인식하는 알고리즘 때문에 숫자 '2'를 '오'로 잘못 읽어도 맞다고 판단할 수 있어 다른 방식의 음성 인식 메커니즘을 사용하지 않는 한 숫자 '5'를 시표로 사용할 수 없는 한계가 있다. 이번 연구는 20세 이상의 성인을 대상으로 두 검사 간의 유의미한 시력 측정의 차이가 없음을 확인하여서, 아직 발음이 미숙한 소아에서는 차이가 있을 수 있다. 본 연구는 한국어 어플리케이션으로 시력을 측정하기 위한 최초의 연구로 먼저 성인에서의 차이를 보고자 하였으며, 소아를 대상으로 추가적인 연구가 필요할 것이다. 또한 아직 그림으로 시력을 측정하는 어플리케이션은 개발되지 않았기 때문에 숫자를 모르는 소아들에서는 어플리케이션으로 시력을 측정할 수가 없는 한계점이 있다. 마지막으로 원거리 시력 측정 시 TV 화면에 스마트폰 화면을 미러링 후 신용카드를 화면에 대고 어플리케이션 가이드선을 신용카드와 같도록 시표 크기를 검사전에 조절하여 TV 화면이나 해상도가 다르더라도 동일한 조건으로 시력을 측정할 수 있도록 하였으나, 해상도가 낮은 TV에서는 시력이 낮게 측정될 수 있다.

결론적으로 원·근거리 시력 측정 모두 어플리케이션과 시력표로 측정한 결과는 유의미한 차이를 보이지 않았지만, 시력 측정 소요 시간은 시력표로 측정한 경우가 더 적게 소요되었다. 스마트폰 어플리케이션을 이용한 시력 측정은 지리적, 환경적으로 시력검사를 하기 어려운 경우나 병원과 같은 낯선 환경에서 협조가 되지 않는 소아들에게 유용하게 사용할 수 있을 것이다. 시력 측정 어플리케이션의 정확성과 유용성이 입증되어 시력 측정이 어려운 환경에 있는 경우 스마트폰 어플리케이션을 이용하여 병원에 가지 않고 집에서도 원·근거리 시력을 측정할 수 있어 안과 검진에 활용할 수 있고, 시력저하를 조기에 발견하여 시력 회복의 기회를 제공하고 생활의 불편을 해소할 수 있을 것으로 기대한다.

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