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筋 電 位 に よ る 人 工 喉 頭 の 制 御 に 関 す る 研 究

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Academic year: 2021

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博 士 ( 工 学 ) 閔    惠 貞

学 位 論 文 題 名

筋 電 位 に よ る 人 工 喉 頭 の 制 御 に 関 す る 研 究

学 位 論 文 内 容 の 要 旨

p羽 薗 な 出 こ よ り 喉 頭を 摘 出 し た 人に 脚 臓 酌tし、 カ 、 調 音 器 官は ほ ぼ 正 常 な状 態 で 残 っ ているから,ここ′ヽf可らカVダ音を導入すれーI£話こと1よカ萌定竝する.このような代用発声と し て , 食 道発 声 法 気 管 食遭 シ ャ ン ト 発声 法 お よ ぴ 笛式 人工 喉頭や 電気人 工喉頭 など を用い る方法カヽカ|』される.食道発声旧暑g具を使用しなL、ので会話中に両手が自由であることカく長 所 で あ る が 人 に よ っ て 駕 故 発 轟 カ.vCき な{l ¥t勧 暢る こ と , 葡 鐫 統り 短 く 音 量I剖 ヽ さ い ニとな どの短 所があ る.気 管食 遭シャ ント発 声は肺 からの呼気流を利用できるのカ丶帳所で あ る カt唾 液 あ る い は 食物 の 気 管 内 流ぁ り ぬ く な いと い う 簸 回 仂竜 ら る . 笛式 人工 噸によ る 発声はJめ ヽらの呼気|を泙岾けることから拇暢カ耻Jに豊カq;あるカt口腔チューフ・カく口 の 中 に あ るた め 謁 音 操 作カ 啼iLf /jされる こと発 声時 に常に 手を使 用する こと などOi勅く あ る.電 気^工 喉頭に よる発 声H:電気 工ネ ルヰ趨 罫u用するので音量や持続時間の面では有利 で あ る が明 瞭度カ 磚蜃く ,無 声子音 の形成 凋騅し いこと 音質 カ噸淞 吋ヨで あるこ とな と解決 す べ き 問 題は 多 い , よ って 優 秀 な 代 用発 声 と は 養 図し た時 に自由 に声カ 咄て, しか も声の 強 さ , 音声 持続と ピッチ を変 えるこ とカや でき, 良好な 音質 を持ち しかも 両手が 使え るなど 日常生活より支Jlfb {tいものと考えられる,

  本 刪 葫 繊 に よ っ てsIYarで き , し か も 上i酌 塊 研 の な い 埋 め ぬ ろ 型 電 気 人 工 喉 頭 の 開 発 を 目 指 し て い る ,そ の た め に , 本論 文 で は 電 気人 工 喉 頭 の 制御 信 号 を 得 る筋 を 選 定 し そ の 嗣 魍 帽 針 を 確 立す る こ と お よ び筋 電 位 に よ って 制 御 す る 電気 ^ 工 喉 頭 を開 発 し そ の ^ 工 喉 頭 を 健 常 者 お よ び 喉 頭 摘 出 者 に 適 用 し 陸 能 を 確 認 す る こ と を 目 的 と す る ,   本 論 づ dを8章 か ら 構 成 さ ォ し て い る , 以 下 に 本 論 文c囀 聰 亨 を 牙 そ す |   第1章‑Cは 諦 侖と し て 本 研 究の 背景と 現在 使用さ れてい る代用 発声 法を大 別し, それら の 長 所 お よ び短 所 を 検 討 し従 来 の 電 気 人工 喉 頭 を 改 善し た埋 め込み 型電気 人工喉 頭の 齷妥陸 お よ び そ の第 ー 段 階 と して 筋 電 位 の 帝啣 に よ る 電 気I^ 工 喉 頭 の開 屡 紅 岨 蹴に つい て述べ た

  第2章 .Ctri電 気 ^ 工 喉頭 の 匍 觸 砺 濾邇‑る た め に, 喉 頭 摘 出 の手 術 後 に 残 さ れる 筋 の う ち で 胸 骨舌 骨 筋 , 下 咽頭 収 縮 筋 , 軟口 蓋 筋 が ^ 工喉 頭制 御源と して適 してい るか を調べ た そ の 結 竊 脚 骨 舌 胃 筋 に 関 し て は 発 声 の 約250ms前 に 筋 電 位 の 発 火 が 始 ま る こ とI 通 常 よ り 低い ピ ッ チ で 発声 を 行 う 場 合に 筋 活 重 肋 混ら れる ことお よひ帳 頭摘出 手術 を行う 際 場 合 によ って| 粥曵す こと カ湎捕 旨であ ること から, ^工 喉ゑ把 麟の市 慟ぐで きる と考え ら れ ナ こ 下 咽 頭 収 縮 筋に 関 し て は 健 常者 の 発 声 で は全 く 働 か な い筋 で あ る こ と嚥 下 時 に も 勧 く の で 舞 皖 意 図 し な い 駘 でb^エ . ほ 頁 カ J( ,てし ま うB雛 助暢 る こ と か ら人 工 喉 頭 の 糾 卸 源 と し て は 問 題 う 暢 る . 軟 口 蓋 筋 に 関 し て は 発 音 を行 う 時 に 通 糊i淫Jす る カt調 音の 種 類 に よ っ て 活 動 カ 混 らaぬL鳰 拗竜 ら り , 軟 口 蓋筋 の み を 人 工D臓頁 の市ヰ 卸 信 号 源 と す る こ と は オ ぢ を 全 で あ り , 他 繃 と 併 用 す る こ と カ 浬ま し い と 考 えら れ る . 第3章 で は 電 気,.工 喉 頭 の 制 御 源 と し て の 胸 骨舌 骨 筋 を 提 案 し, 制 御 指 針 を確 立 す る た め に 胸 骨 舌胃 筋 の 筋 電 位の 時 間 お よ び振 幅 に 関 す る随 意性 を調べ た特に 胸屑舌 胃筋 の筋電

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位 を 入 カ と して 電気 人 工喉 頭を$觸サ る 指針 とし て3種 馨 靼) 匍聞 壌 考え たま ず ,人 工喉 頭 の 音 源 のON70FF$I啣 は 筋 澗 を ゆ 始 め で 人 工 喉 頭 の 音 源 の 振 動 を 開 始 し 筋 活 動 の 終 わ り で 音 源 磁 驪 嵯 停 止 す る こ と を 想 定 し た つ 翻 ニ 有 声/無 声 音 の 出 し 分 け は 筋 潤 劾 ヾ 観 測 さ れ る 区間 を有 声 音と し短 時 間筋 活動 が 観測 され な い区 間を 無 声音 とす る こと を恩 定 し た r喉 頭 の ピ ッ チ$i Dは 筋 電 位 の 振 幅 の 変 化 に し た が っ て ピ ッ チ を 変 え る こ と を 想 定 し た 本 顛 範 縮 果 視 覚 お よ ひ1闘 諦 轍 | こ 従 っ てaa漸 詐 撤 め 筋 電 位 嚠 鶺 黼 糊 職 辰 幅 を 随 意 的 に 館觸rでき るこ と を確 認し た よっ て, 胸 骨舌 骨筋 を 使用 して 電 気A工 喉頭 の発 話 のON70FF, 有声 音/無 声 音の 出し 分 けお よび ピ ッチ i觸 埴 行. える 可 能性 カ竜 らることカ汾 かった

  第4章 で は 胸 曙 舌 胃 筋 の 筋 電 位 舘 脚 に よ る 電 気 ^ 工 喉頭 を 試作 し試 作 人工p臆項 を用 い た 発 香 を 彳 孔 丶 な が ら , 試 作 ^ 工 喉 頭 の 陞 翁 隧 調 べ た そ 嚠 壱 晃 試 作 電 気 人 工 噛 郵 曜R駒 ON/oFF舘 脚 ピ ッ チ 匍 閲 功 や で き た ま た 試 作 電 気 人 工 喉 毎 掩 用 い て 有 声 音/無 声 音 を 出し 分 けを 行え る 可能 艚カ 竜 らる ことを確認した試 作電気|^工p侯頭のシステ ムでは表面電 極 か ら 導 出 した 胸喟 舌 旨筋 の筋 電 位を 前置 増 幅舗 こ通 し 全波 甕流 し て包 絡線 を 検出 する . そ の 包 箱 線 を シ ュ ミ ッ ト ト リ ガ 回 路 に 通 し , 人 工 喉 頭 の 音 源 を0N/0FF制 御 させ る. ま た人 工D臓 頁 のピ ッチ 周 波数 制御 のため, その包絡線によルノ ヤレス位置変調回 路で振動子の 駆動 周 波数 を決 め る. 胸骨 舌 骨筋 の筋 電 位カ 牴く な るにした がって振動子駆動 周波数を高く なるようにし た

第5章 て ま 市 販 電 気 人 工 瞬 項 の 隘 ヒ と 試 作 電 気 | ^ . 工 噴 郵 囃 騎 髄 一 定 な 謌 酎髄 睦保 つ よ う に 静 的 な 面 で 比 戯 繃 し た . そ の 繰 人 工 喉 頭 の 音 源 のON/OFF餌 閥 貶 堆 時 琶 お よ び 有声 音 /無 ザ葦 掩 出し 分け 司 育bヒ 陸に おい て は両 方の 人 工喉 頭は 同 鞭あ った 試作^工喉頭 では ピ ッチ 変化 範 囲が 正鴬 な 喉頭 での 声 の周 波数 範 囲により 近しヽことさらに 手を使用しな い と い う 利 点が ある . 本研 究で 用 いた 市販 電 気人 工喉 頭 は指 で制 御 する アン プ リコ ード 社 55xであった

  第6章dま 胸 骨 舌 骨 筋 に よ っ て 制 御 す る ^ 工 喉 頭 の ピ ッ チ 制 緝 式 に つ い て 検 討 す る ・ 電気I人工 喉 頭を 用い る 場合 ;声 帯の振動 の代わりに人工喉頭 の振動子で振動を 与えるので;

振薮庁砲)振 動周滋豐劫ヾピッチ周i虜改となる.胸骨舌骨筋によって匍觸する電気I^工喉頭のピ ッチ 館 閤坊 式は2種類 の 方j劫 堵え られ る .ひ とっ は 筋電位の 換晴め刈ヽさくな るのにしたが って ピ ッチ を高 く する 反比 例 型V・ 瓱麹 奐方 式 でる .他 は 筋電 位の 振 幅か 吠き くなるのにし た が っ て ピ ッチ を高 く する 比餅 型 .F変 換が ある . この2種類 のピ ッ チ匍 閤坊 式 を生 理的 な 側 面 ´ 耐 矣 討 し , ま た 試 作 電 気 人 工 喉 頭 を 用L丶 て こ の2種 煩の 二 方式 を試 し たそ 嚠裸 反 比 伊 型V,F変換 方式 を 胸骨 舌旨 筋 の筋 電位 に よっ て舘 閲 サる 電気 ^ 工喉 頭の 市 嚇贓 とし て 拐 彌 で き る こ と カ 判 明 し た 比 儚 ‐F変 挨 斌 も 舘 艦 贓 と し て 採 用 で き る カ ` 調 音 操 | 乍 な ど で 下 鶚 い 稱 あ ミ に な る 場 合 に 対 し て は 十 分 考 慮 カ 迦 繕gと 考 え ら れ る , 第7章 で は 喉 頭 摘 出 際 にI剛 覲 蹴 を 残 さ れ た 被 驗 翻 筋 電 位 奄 彁 べ た ま た 喉 頭 摘 出者カ囃祚義 争胃筋の舘脚によ る試作電気^工H臓爵を用いた発声を′↑虱ヽその動作を確認する 実 験 を 行 っ ナこ その 結 栗喉 頭摘 出 にお いて 胸 骨舌 骨筋 を 舌胃 でで 切 断し ,再 建 せず に保 存 した場合¢蟻 昨義手胃筋の筋電 位カ司飾簡韲8力月になって も活重むすることカ ぢ劫ヽったまた 喉頭摘出者カ 繭£作^工喉頭を 用いて発声を行うこ とができナこ

第8章では本研究の成果 を総括し,今後の 課題や展望につい て探った

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学位論文審査の要旨 主査    教授    伊福部   達 副 査    教 授    山 本 克 之 副 査    教 授    永 井 信 夫 副査    助教授    高橋   誠

学 位 論 文 題 名

「筋電位による人工喉頭の制御に関する研究」

   喉頭を摘出した人達の理想的な代用発声法とは,意図した時に声を出すこと が で き , 声 の 強 さ や 高 さ を 自 由 に 制 御 で き る も の で あ る ,    本論文では,上記の要求を満足する埋め込み型電気人工喉頭の開発を最終目 標として,電気人工喉頭の制御信号を得るための発声に関係する最適な残存筋 を選定している.次に,残存筋から発生する筋電位によって試作電気人工喉頭 を制御できることを実験的に明らかにし,将来の埋め込み型人工喉頭のための 設計指針を得ている.

   学位論文の主ナょ結果は以下に要約される.

   第 1 章では,序論として本研究の背景と現在使用されている代用発声法を大 別し,それらの長所および短所を検討し,従来の電気人工喉頭を改善した埋め 込み型電気人工喉頭の必要性およびその第一段階として筋電位の制御による電 気人工喉頭の開発の必要性について述べている.

   第 2 章では,筋電位制御による電気人工喉頭の制御源の選択のために,喉頭 摘出の手術後に残される筋のうちで,胸骨舌骨筋,下咽頭収縮筋および軟口蓋 筋を人工喉頭の制御源として適するかどうかを調べている,その結果,胸骨舌 骨筋が,喉頭摘出手術を行う際,場合によっては残存させることが可能である こと,通常より低いピッチで発声を行う場合に筋活動が見られること,および 発声の約250ms 前に筋電位の発火が始まるので,人工喉頭の「ON 」信号として 使用が可能であることを示している.

   第 3 章では,電気人工喉頭の制御源としての胸骨舌骨筋を提案し,制御指針 を確立するために胸骨舌骨筋の筋電位の時間および振幅に関する随意性を調べ ている.特に胸骨舌骨筋の筋電位を入カとして電気人工喉頭を制御する指針と して 3 種類の制御を考えている.まず,人工喉頭の音源のON7 0FF 制御は,筋 活動の始めで人工喉頭の音源の振動を開始し,筋活動の終わりで音源の振動を 停止することを想定している.っぎに,有声/無声音の出し分けは,筋活動が 観測される区間を有声音とし,短時間筋活動が観測されない区間を無声音とす ることを想定している.人工喉頭のピッチ周波数制御は,筋電位の振幅の変化 が小さくなるのにしたがってピッチ周波数を変えることを想定している.本実 験の結果,視覚および聴覚刺激に従って胸骨舌骨筋の筋電位の持続時間や振幅 を随意的に制御できることを確認している.以上から,胸骨舌骨筋を使用して 電気人工喉頭の発話のON70FF ,有声/無声音の出し分けおよびピッチ周波数 制御を行える可能性があることを明らかにしている.

   第 4 章では,胸骨舌骨筋の筋電位制御による電気人工喉頭を試作し,試作人 工喉頭を用いた発話を行いながら,試作人工喉頭の性能を調べている.その結

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果,試作電気人工喉頭の音源のON70FF 制御,ピッチ周波数制御ができ,また,

試作電気人工喉頭を用いて有声/無声音を出し分けを行える可能性があること を確認している.試作電気人工喉頭のシステムでは,表面電極から導出した胸 骨舌骨筋の筋電位から包絡線を検出し,その包絡線をシュミットトリガ回路に 通し,人工喉頭の音源をON/OFF 制御させている,また,人工喉頭のピッチ周 波数制御のため,その包絡線によルパルス位置変調回路で振動子の駆動周波数 を決めている.

   第5 章では,市販電気人工喉頭の性能と試作電気人工喉頭の性能を一定な調 音状態を保っように静的な面で比較検討している.その結果,人工喉頭の音源 の ON/OFF 制御の性能および有声/無声音を出し分けの可能性においては両方 の人工喉頭は同等であることを確かめている.試作人工喉頭ではピッチ周波数 変化範囲が正常な喉頭での声の周波数範囲により近いこと,さらに手を使用し ないという利点があることを確認している.

   第6 章では,胸骨舌骨筋によって制御する人工喉頭のピッチ周波数制御にお いて2 種類の方式について検討している.ひとっは筋電位の振幅が小さくなるの にしたがってピッチ周波数を高くする反比例型V‑F 変換方式である,他は,筋電 位の振幅が大きくなるにしたがってピッチ周波数を高くする比例型V‑F 変換であ る.この 2 種類のピッチ周波数制御方式を生理的な側面で検討し,また,試作 電気人工喉頭を用いてこの2 種類の方式を試している,その結果,反比例型V‑

F 変換方式が,胸骨舌骨筋の筋電位によって制御する電気人工喉頭の制御方式と して有効であることを明らかにしている.

   第7 章では,喉頭摘出の際に胸骨舌骨筋を残された被験者の筋電位を調べて いる.また,喉頭摘出者が胸骨舌骨筋の筋電位によって制御する試作電気人工 喉頭を用いた発声を行い,その動作を確認している.その結果,喉頭摘出にお いて胸骨舌骨筋を舌骨下で切断し,再建せずに保存した場合の胸骨舌骨筋の筋 電位が手術後8 力月になっても活動すること見いだしている,また,喉頭摘出 者が試作人工喉頭を用いて発声を行うことができることを確かめている,

   第8 章では,本研究の成果を総括し,今後の課題や展望について探っている.

   以上のように著者は,筋電位制御による人工喉頭の新方式を提案し,将来の 埋め込み型電気人工喉頭の設計指針を見いだしたことから,生体工学とくに福 祉工学に寄与するところ大である.

   よって,著者は,北海道大学博士(工学)の学位を授与される資格あるもの と認める.

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参照

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