超音波エコーの聴取トレーニングによるターゲットの表面粗さ弁別精度の向上－心理実験および脳磁図測定－
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(2) 情報処理学会研究報告 IPSJ SIG Technical Report. 1. は じ め に. Vol.2018-MUS-121 No.11 2018/11/21. タ ー ゲ ッ ト と し て ，樹 脂 の 板（ 150 mm 四 方 ，厚 さ 10. コ ウ モ リ に は 基 本 周 波 数 が 数 10 kHz 程 度 ま で 下 降. mm）の 表 面 に 大 き さ の 異 な る 突 起（ 0, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5. の 超 音 波 を 発 す る 種 が あ り [ 1] ， 彼 ら は そ の 反. mm の ５ 種 ） を つ け た モ デ ル を 用 意 し ， こ れ ら に 向 け. す る FM. 射音（エコー）によって周囲の状況を把握するエコー ロケーションと呼ばれる行動をおこない，その聴覚情. て sinc 波 形 を 照 射 し た 。 モデルの物理定数を表１に示す。. 報のみを頼りに高速で飛行することができる。容量の 表１．各材質のパラメータ. 小さい脳によってこれらの処理を行っていることを考 えると，コウモリは効率的なエコーロケーションを実 現していると考えられる。 ヒトにおいても，一部の視覚障害者は視覚情報の代 わりに舌打ち音の反射音などの聴覚情報を用いる。し かし，どのような音響情報を手掛かりとしてエコーロ. パラメータ. 空気. 樹脂. 0.00129. 1.00. Lamé 定 数 λ [GPa]. 0.000141. 2.88. Lamé 定 数 μ[GPa]. 0. 1.44. 密度ρ. [g/𝑐𝑚3. ]. ケーションを実現しているのか，あるいは視覚障害者 に対してどのような技術的サポートが有効であるか等 についてはさらなる検討の余地がある。 本報告では，ヒトのエコーロケーションにおける重 要な要素について検討するため，コウモリのエ コーロ ケーション模擬音を可聴化してヒトに聴取させたとき の心理実験および脳活動測定を行い，表面粗さの異な. なお，媒質の伝搬減衰はないものとした。送波信号 に 最 高 周 波 数 60 kHz の sinc 関 数 を 用 い る こ と か ら 空 間 刻 み 幅 𝑑𝑥を 0.5 mm， 時 間 刻 み 幅 𝑑𝑡は Courant の 安 定 条 件 よ り 0.1083 µs と 設 定 し ， 送 波 か ら 2.4 ms の 時 間 をシミュレートした。結果の例を図１に示す。. る反射体からの反射音の弁別可能性について検討 した 結果について報告する。さらに，聴取トレーニングに よる弁別精度の向上についても検討をおこなったので 報告する。. 2. 実 験 方 法 2.1. 心 理 実 験 2.1.1. FDTD 法 に よ る シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 本研究では複数の反射体の表面形状による反響音 の違いについて検討するため，モデルを任意に作成す. (a) 0 mm:800 µs 後. (b) 2.0 mm:800 µs 後. 図１．音圧分布のシミュレーション結果の例 （図中の 黒丸，白丸はそれぞれ受波点，送波点を示す）. る こ と に 適 し て い る FDTD (Finite-Difference TimeDomain) シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ っ て 反 響 音 を 求 め る こ ととした。 FDTD 法 の 支 配 方 程 式 は 以 下 の よ う な 応 力 𝜎と 粒 子. 図 １ の (a)は 突 起 が な い モ デ ル ， (b)は 2.0 mm 角 の 突 起があるモデルの音源を含むスライス面で観測した音 圧 分 布 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 の 例 で あ る 。 (b)で は ，. 速度 v による微分式で表される。この式を用いて音波. (a)に は 見 ら れ な い ざ ら ざ ら し た よ う な 波（ 散 乱 波 ）が. の 伝 搬 を 計 算 す る メ ソ ッ ド が 3 次 元 弾 性 FDTD 法 で. モ デ ル 付 近 に 続 い て い る の が 見 て 取 れ る 。こ の よ う に ，. あ る （ こ こ で は x 方 向 の 式 の み を 示 す ） [ 2] 。. モデルによってシミュレーション結果に差が生じたこ とから，音色あるいは残響の差異として知覚できるこ とが期待できる。. 2.1.2. 呈 示 刺 激 前述のシミュレーションで作成したインパルス応 答（ sinc 応 答 ）に 35 kHz ～ 7 kHz の 下 降 ス イ ー プ 音 で ある伝送系の情報を得るうえで ，最も情報量の多い. 模 擬 し た コ ウ モ リ の 擬 似 音 [ 3] を 畳 み 込 み ， 呈 示 刺 激 を. もののひとつとしてインパルス応答があげられる。本. 作成した。次節で述べる脳磁図測定にあたって，高周. 研究でも反射体からの反射音のインパルス応答を求め. 波 信 号 に 対 し て は ミ ス マ ッ チ 反 応 [ 4] が 出 現 し に く い と. るが，差分法の計算精度を確保するために，帯域制限. いう性質があるため，スケーリング処理として 元信号. さ れ た パ ル ス で あ る sinc 関 数 を 送 波 波 形 と し て 用 い た 。. を 時 間 領 域 で 21 倍 に 引 き 伸 ば し た も の （ 1.67 kHz ～. ⓒ 2018 Information Processing Society of Japan. 2.
(3) 情報処理学会研究報告 IPSJ SIG Technical Report. Vol.2018-MUS-121 No.11 2018/11/21. 0.33 kHz）を 用 い た 。こ の と き ，音 源 か ら の 直 接 音 を 除 去 し て エ コ ー の み の 信 号 を 用 い る こ と と し ，こ れ を 40 ms 間 隔 で ５ つ 足 し 合 わ せ た も の（ こ こ で は“ バ ズ ”と 呼ぶ）を最終的な呈示刺激として 用いた。図２に突起 0 mm, 2.0 mm モ デ ル の 呈 示 刺 激 の ス ペ ク ト ロ グ ラ ム の 例を示す。これらを比較すると，刺激の後半部分の振 幅 が 小 さ い 残 響 部 分 (1 kHz ～ 3 kHz 付 近 )に 違 い が 見 られることがわかる。. 図３．心理実験の実験系. 2.1.4. 聴 取 ト レ ー ニ ン グ 心理実験の参加者らからは，初めの段階では数種類 の聴取音の違いがどのような違いであるか分からなか ったが，回答を進めていくうちに徐々に分かりだした との内観報告を得た。このため，聴取音の違いを認識 するための聴取トレーニングを ，心理実験の参加者全 員に実施した。トレーニングの実験系は図３と同様で あ り ，１ 回 の 試 行 で 音 を ２ つ 呈 示 す る 。１ つ 目 は 0 mm (a) 0 mm. の音であり，２つ目は５種類のうちからランダムで呈 示する。このとき，どの刺激音が呈示されているのか という情報は常にディスプレイ上に表示される。実験 参加者には，１つ目と２つ目の音が同一のもの（２つ 目 が 0 mm の 音 ）で あ る か 異 な る も の（ ２ つ 目 が 0 mm 以外の音）であるかを認識できるまで繰り返し再生し て聴取させた。なお，十分な回数聴取しても識別が困 難である場合は次の試行に移るよう指示した。. (b) 2.0 mm 図２．呈示刺激のスペクトログラム例. 2.2. MEG 測 定 2.2.1. MEG ヒトの脳内を流れる神経活動電流によって ，頭部周. 2.1.3. 呈 示 方 法. 囲 に 発 生 す る 微 小 な 変 動 磁 界 を 脳 磁 図. 呈 示 音 と し て ， FDTD シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ っ て 作. （ magnetoencephalogram: MEG） と 呼 ぶ 。 MEG は 完 全. 成した５種類の刺激を用いた。実験系を図３に示す。. 非侵襲計測であり，他の脳活動測定手法に比べて時間. 実 験 参 加 者 （ 19 - 48 歳 ， 男 性 11 名 ， 女 性 1 名 ） に ヘ. 分解能が優れている（1 ミリ秒以下）という特徴があ. ッ ド ホ ン（ MDR-7506, SONY）を 装 着 し ，PC か ら オ ー. る 。本 研 究 で 用 い た 全 頭 型 MEG 測 定 装 置（ Neuromag-. デ ィ オ イ ン タ ー フ ェ ー ス （ UA-1EX, Roland） を 介 し て. 122, Neuromag Ltd, Finland）で は ，頭 部 を 覆 う よ う に 配. 両耳に刺激を呈示した。この実験は異なる２種類の刺. 置 さ れ た 122 個 の セ ン サ ー に よ り ， 図 ４ の よ う な 脳 磁. 激を一定のインターバルを設けて合計３回呈示するパ. 界データを取得することができる 。. ラ ダ イ ム（ AXB 法 ）で お こ な っ た 。刺 激 呈 示 の オ ン セ ッ ト 間 隔 は 500 ms と し た 。こ の パ ラ ダ イ ム は ，１ 回 目 (A)と ３ 回 目 (B)の 刺 激 は 異 な る も の と し ， ２ 回 目 の 刺 激 (X)が A と B の ど ち ら と 同 一 で あ る か を 実 験 参 加 者 に選択させるものである。呈示順序による影響を排除 す る た め に ，A と B の 組 み 合 わ せ お よ び X の 組 み 合 わ せ を 考 慮 し た た め ，刺 激 の 組 み 合 わ せ は 5𝑃2 ×2 = 40 パ タ ー ン で あ っ た 。 こ の 40 パ タ ー ン を １ セ ッ ト と し て ， 1 人あたり５セット分のデータを取得した。回答や次 の刺激呈示開始の操作は図３のようなシステムを用い てマウスで操作させた。. ⓒ 2018 Information Processing Society of Japan. 図 ４ ． MEG 測 定 で 得 ら れ る 波 形 の 例. 3.
(4) 情報処理学会研究報告 IPSJ SIG Technical Report. Vol.2018-MUS-121 No.11 2018/11/21. 2.2.2. 呈 示 方 法 心理実験に加えて，同一の呈示音を呈示してトレー ニ ン グ 前 後 で 脳 活 動 計 測 を お こ な っ た 。MEG 測 定 の 実 験系を図５に示す。実験は磁気シールドルーム内で行 わ れ た ． 実 験 参 加 者 （ 19 - 48 歳 ， 男 性 12 名 ， 女 性 3 名 ， 右 利 き 15 名 ） に イ ヤ ホ ン （ ER-2 TUBE PHONE, Etymotic Research）を 装 着 さ せ た 状 態 で ，座 位 に お け る 脳 磁 界 を 測 定 し た 。PC か ら 出 力 さ れ た 刺 激 音 を オ ー デ ィ オ イ ン タ ー フ ェ ー ス （ UA-22， Roland お よ び UR22， Steinberg），ア ン プ（ XM4180，YAMAHA）を 介 し て 実 験参加者に呈示した。このとき， 刺激音のオンセット. (a) ト レ ー ニ ン グ 前. (b) ト レ ー ニ ン グ 後. 図６．心理実験の正答率 （エラーバーは被験者間の標準偏差）. と同期したトリガー信号を出力することで， 刺激音オ ン セ ッ ト を 基 準 と し て -100 ～ 500 ms の 区 間 に つ い て 測 定 デ ー タ 計 測 し た ． デ ー タ に は 120 回 の 加 算 平 均 を 施し，背景ノイズを低減した。. 3.2. MEG 測 定 次に，各低頻度刺激に対する右側一次聴覚野 （図４ 参 照 ）に お け る 脳 磁 界 波 形 の 例 を 図 ７ に 示 す 。こ れ は ，. 刺激の呈示は，高頻度刺激の中に稀に低頻度刺激 を. ある被験者のあるチャンネルにおける各刺激に対する. 混 ぜ て 各 低 頻 度 刺 激 が 120 回 に 達 す る ま で 呈 示 す る フ. 脳 活 動 に つ い て ，deviant と control の 差 を 表 し て い る 。. ェ ー ズ（ odd ball）の あ と ，各 刺 激 を 連 続 で 120 回 呈 示. 呈 示 開 始 時 刻（ 0 ms）か ら 200 ms 程 度 経 過 し た 時 間 帯. す る フ ェ ー ズ（ control）の 順 で お こ な っ た 。Odd ball に. に見られる上向きのピークがミスマッチ反応であると. お い て 高 頻 度 刺 激 は 0 mm（ 突 起 な し ）モ デ ル ，低 頻 度. 考 え ら れ ， こ の 例 で は 3.0 mm と 3.5 mm の 反 射 体 に 対. 刺 激 は そ れ 以 外 の ４ 種 類 と し ，呈 示 確 率 は 高 頻 度 90 %，. するミスマッチ反応が大きいことが見て取れる。これ. 低 頻 度 10 %（ 2.5 %*4）と し た 。ま た ，低 頻 度 刺 激 が 呈. は ，0 mm（ 平 坦 な 壁 ）か ら の 反 射 と は 異 な る と い う こ. 示されたあと少なくとも３回は高頻度刺激を呈示する. とを脳が認識していることを示している。. 擬似ランダムで呈示をおこなった。. 図 ５ ． MEG 測 定 の 実 験 系. 3. 実 験 結 果 ・ 考 察. 図 ７ ． 脳 磁 界 波 形 の 例 （ 右 側 頭 部 （ チ ャ ン ネ ル ４ ））. 3.1. 心 理 実 験 まず，心理実験の結果を図６に示す。実験で呈示し. 刺 激 呈 示 か ら 150 ～ 350 ms 区 間 の 実 効 値 ， お よ び. た 刺 激 は ５ 種 類 で あ る の で 刺 激 パ タ ー ン 数 は 5𝑃2 ×. こ の 値 を 実 験 参 加 者 全 員 で 平 均 し た も の を 図 ８ (a) に. 2=40 パ タ ー ン で あ る が ， MEG 測 定 の 条 件 に 合 わ せ た. 示す。加えて，トレーニングを実施したのちに同様に. 0 mm に 対 す る そ の 他 の 反 射 体 の ス コ ア の み を 代 表 と. MEG 測 定 し た 際 の 結 果 を 図 ８ (b)に 示 す 。 ト レ ー ニ ン. し て 図 ６ に 示 す 。 最 も 大 き な 突 起 が あ る 3.5 mm の 識. グ前後での明確な有意差は見られなかったが， トレー. 別において，トレーニング前後において正答率に有意. ニング後において突起の大きさが大きくなるに伴って. 傾向が見られた。他方，トレーニング前後にかかわら. ミスマッチ反応が大きくなるという可能性が示唆され. ず 最 も 小 さ な 突 起 で あ る 2.0 mm の 刺 激 で は 他 よ り も. た。しかし，今回用いた中では最も小さな突起である. ス コ ア が 大 き く 下 回 る（ チ ャ ン ス レ ベ ル で あ る 50 %に. 2.0 mm の 刺 激 に 関 し て は ，ト レ ー ニ ン グ の 有 無 に か か. 近い）ことが確認できる。これより， 今回の刺激の周. ら ず 振 幅 が 小 さ い ま ま で あ り ，改 善 は 見 ら れ な か っ た 。. 波 数 条 件（ 5 kHz ～ 1 kHz の 信 号 を 1.67 k ～ 0.33 kHz. これは心理実験の結果とも整合しており ，今回の反射. に ダ ウ ン サ ン プ リ ン グ し た も の ）で は ，2.0 mm 程 度 の. 音 の 観 測 方 法 で は 2.0 mm 程 度 の 突 起 か ら の 反 射 音 を. 微小な突起からの反射音の弁別は困難である可能性が. 識 別 す る こ と は 困 難 で あ る こ と が MEG 測 定 の 結 果 か. 考えられる。. らも示唆された。. ⓒ 2018 Information Processing Society of Japan. 4.
(5) 情報処理学会研究報告 IPSJ SIG Technical Report. Vol.2018-MUS-121 No.11 2018/11/21. (a) ト レ ー ニ ン グ 前. (b) ト レ ー ニ ン グ 後. 図 ８ ． 100-350 ms 区 間 に お け る MEG 信 号 の 実 効 値 の 平均値（エラーバーは被験者間の標準偏差）. 4. ま と め と 今 後 の 課 題 FDTD 法 に よ る 音 響 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 用 い て 模 擬したコウモリのエコーロケーション音による 樹脂板 表 面 粗 さ の 弁 別 可 能 性 に つ い て ，1.67 kHz ～ 0.33 kHz の チ ャ ー プ 音 を 用 い た 反 射 音 を 呈 示 刺 激 と し て MEG 測定および心理実験によって検討した。聴取トレーニ ン グ の 前 後 で 再 び 同 様 の MEG 測 定 お よ び 心 理 実 験 を 行 い ，ト レ ー ニ ン グ 前 後 の 結 果 を 比 較 し た 。MEG 測 定 の結果においては明確な有意差は見られなかったが， トレーニング後において突起の大きさに伴って聴覚野 付近でのミスマッチ反応が大きくなるという可能性が 示唆された。心理実験の結果においては，最も大きな 3.5 mm の 突 起 が あ る 板 か ら の 反 射 音 の 識 別 に つ い て ， トレーニング前後において正答率に有意傾向が見られ た。 今後，刺激作成におけるシミュレーションにおいて 頭部伝達関数を考慮することによってよりヒトの聴取 条件に近い刺激を作成することや，より高周波 成分ま でが含まれる刺激を用いることなどを検討する必要が ある。. 文. 献. [1] 飛 龍 志 津 子 ,力 丸 裕 ，渡 辺 好 章 ， “コウモリの生物ソ ナ ー シ ス テ ム ”， 日 本 音 響 学 会 誌 , vol.62, no.4, pp.345-350, Apr.2006. [2] J.Virieux, “P-SV wave progration in heterogeneous media－ Velocity –stress finite-difference method－ ”, Geophysics, vol.51, pp.889-901, Apr.1986. [3] 角 谷 美 和 ， 猿 丸 祐 樹 ， 晩 田 泰 斗 ， 蘆 原 郁 ， 小 林 耕 太 ，渡 辺 好 章 ，飛 龍 志 津 子 ， “超音波バイノーラル エコーを用いたヒューマンエコーロケーション － タ ー ゲ ッ ト の 質 感 に 関 す る 評 価 － ，” 日 本 音 響 学 会 講 演 論 文 集 ， pp.843-844, Mar.2016. [4] R. Näätänen and T. W. Picton, “N2 and Automatic versus Controlled Processes”, Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. Suppl., vol. 38, pp.169-186, Jan. 1986.. ⓒ 2018 Information Processing Society of Japan. 5.
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