JP2009532150A - 電気機械発声補助器具 - Google Patents

Abstract

【解決手段】生物組織、特に人間の喉組織の振動を刺激するための電気機械システムは、自己共振周波数を有し、ゼロ点位置付近で又はゼロ点位置から正又は負の方向に振動するために配置された、直線的に移動可能な従動要素(14)として設計され、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するために作動する電気機械変換器(12)と、生物組織に作用するための振動面(20)とを備える。電気機械変換器(12)の従動要素(14)は、電気機械変換器(12)の自己共振周波数を超える自己共振周波数を有する伸縮自在な弾性部(24)によって支持されており、それによって振動面(20)が、一定の入力電圧ではある周波数範囲に亘って略一定である振動で、前記周波数範囲に亘って振動させられる。

Description

本発明は、生物組織、特に人間の喉組織の振動を刺激するための電気機械システムに関する。

喉頭切除又は気管切開を受けた患者が音声言語によって依然として明瞭に表現することができるように、いわゆる発声補助器具を用いることは既に公知である。これらの発声補助器具は、喉組織に押圧されることにより、喉組織を振動させ、それによって咽頭及び口腔内の空気をも振動させる振動面を備えた電気機械システムである。残っている生来の発声器官（連結する管状器官）を用いることにより、その後患者は、場合によっては適切なトレーニングの後に、単語及び音節を発音することができる。

発声補助器具は、例えば独国特許出願公開第３５２９５５３号明細書、米国特許第３９７８２８６号明細書及び米国特許第４０２８４９２号明細書に特に説明されている。公知の発声補助器具は、電気機械的に（例えば磁石／コイルシステムによって）操作されるべきストライカ部材によってパルス状に励起されて、その自己共振に応じて振動する硬いシェル又は同様の反響面を備える。その結果、この公知の発声補助器具を用いる人の声はやや機械的で単調な音を有する。
独国特許出願公開第３５２９５５３号明細書 米国特許第３９７８２８６号明細書 米国特許第４０２８４９２号明細書

本発明の目的は、生成された音声がより自然な人間の音声を有するような音変化を可能とする、生物組織、特に人間の喉組織の振動を刺激するための電気機械システムを提供することである。

本発明によれば、上記の目的は、生物組織の振動を刺激するための電気機械システムにおいて、
- 自己共振周波数を有し、ゼロ点位置付近で又はゼロ点位置から正又は負の方向に振動するために配置された、直線的に移動可能な従動要素で、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するために作動する電気機械変換器と、
- 生物組織に作用するための振動面と、
- 前記振動面に作用的に連結されており、前記電気機械変換器の自己共振周波数を超える自己共振周波数を有する伸縮自在な弾性部によって支持されている前記従動要素と
を備え、前記振動面が、その上限が、前記電気機械変換器の自己共振周波数を超え、伸縮自在な弾性部の自己共振周波数以下である周波数範囲に亘って振動させられ、前記振動面の振動が、一定の入力電圧では前記周波数に亘って略一定である振動で行われることを特徴とする電気機械システムによって達成される。

発声補助器具の創造性のある機能のために、可能な最大の周波数範囲に亘って、喉組織に接する振動面の一定であり、可能な最大の振動を利用可能であることが必要とされる。実際、1,500 ヘルツまでの喉組織の振動刺激が十分であることが明らかにされた。従って、1,500 ヘルツまでの周波数スペクトルでは、可能な限り一定であり、周波数に関係のない大きな振動が存在するべきである。

電気機械システムでは、システムの自己共振未満の振動要素の振動は、その周波数に亘って略一定である。更に、自己共振及び共振周波数が夫々低い場合、大きな振動を生成されることが可能であり、それは、振動要素の「軟性支持」に付随していることは注目されるべきである。電気機械システムの駆動部が電気機械システムのインピーダンス変換器に伝えることが可能な力が、大きくなればなるほど、振動を生成するために必要な力は小さくなる。この様態のもとでは、軟性支持が有利である。

しかしながら、軟性支持は、共振周波数が比較的低く、従って伝達範囲が比較的小さいことも意味し、特に、電気機械システムの自己共振未満の範囲のみが伝達範囲として用いられることが可能である。従って、約1.5kHzの比較的高い自己共振まで達する伝達範囲を得るためには、駆動部は相対的に高い自己共振を有する必要がある。しかしながら、高い自己共振は、支持が比較的硬性である必要があるという影響を有し、それにより比較的低い弾性エネルギー、ひいてはより小さな振動を引き起こす。

本発明の電気機械システムは、電気機械エネルギーを機械エネルギーに変換するために、駆動部、つまり電気機械変換器を備える。この電気機械変換器は、人間の組織に作用するために振動面に作用的に接続されている。電気機械変換器は、振動面をゼロ点位置付近で、又は例えば振動面が組織に押圧された状態でゼロ点位置から正又は負の方向に振動させるのに効果的である。

本発明によれば、電気機械変換器の従動要素は、駆動要素の支持のために伸縮自在な弾性部によって連動され、そういうものとしてこの弾性部は、電気機械変換器の自己共振周波数を超える自己共振周波数を有する。従って、振動面は、上限が電気機械変換器の自己共振周波数を超え、伸縮自在な弾性部の自己共振周波数以下である周波数範囲に亘って振動可能であり、振動面の振動が、（振動面が生物組織に連結され、実際現実的である例えば4 乃至7Nの力によって生物組織に押圧されるならば）一定の入力電圧では周波数に亘って略一定である振動で行われる。この点では、従動要素自体は、振動面を含むか、又は振動面に連結されることが可能である。しかしながら、振動面が、発声補助器具としてシステム全体の所望の効果を得るために十分な力で喉組織に押圧される場合のみ、この連結、つまりアバットメントがもたらされ得る。これにより、システムが組織から離されたとき、システムの振動面が励起されず、従って放射ノイズが低減されるという利点がある。

創造性のある構成を用いて、例えば自己共振が比較的低い磁気制限（magnetorestrictive）変換器又は電気音響変換器のような電気機械駆動部を利用することも可能である。従って、軟性支持を有する駆動部を用いることができ、結果として大きな振動が比較的低い力によって生成され得るという利点がある。駆動部の自己共振を超える周波数の場合にもそのような大きな振動の生成を可能にするために、駆動部と振動面とに平行に、従動要素を支持して中心に置くための伸縮自在な弾性部が配置され、この弾性部の自己共振周波数は、電気機械システムが操作される場合の最高周波数と略同一である。このようにして、システム全体が、振動面の略一定であり、比較的大きな振動で作動することが達成される。

本発明の有利な実施形態によれば、従動要素が振動面に向かう方向に付勢されるように、伸縮自在な弾性部が電気機械変換器の従動要素に機械的付勢で連結されている。

更に、伸縮自在な弾性部が少なくとも１つのばね要素を含むことが適切に提供され得る。一般に、このばね要素は、該ばね要素に適切な物質の（直線的に移動可能な振動要素のための）任意の可能なタイプの（センタリング）ばね要素であってもよく、これらは、伸長面に横方向から作用するカップばね、板ばね、螺旋ばねであってもよく、又は膜タイプの支持体であってもよい。しかしながら、コイルばねが、ばね要素に特に役立つ。

本発明の更なる有利な実施形態によれば、伸縮自在な弾性部が、互いに連結された第１ばね要素及び第２ばね要素を含み、ばね要素の少なくとも１つが電気機械変換器の従動要素を付勢するために機能する。

伸縮自在な弾性部は、電気機械変換器及び電気機械変換器の従動要素を夫々中心に置くために設けられている。駆動部のセンタリングが、本発明によって提供されるような伸縮自在な弾性部によって行なわれる場合、センタリングは、単なる「弾性」効果だけではなく、弾性及び追加の自己共振のシステム全体も用いることによりもたらされ、つまり、伸縮自在な弾性部によって生成された付勢が大きければ大きい程、伸縮自在な弾性システムの自己共振がますます大きくなる。

本発明の更なる有利な実施形態によれば、電気機械変換器の従動要素と振動面との間に、生物組織に振動面の振動する振動量を適合させるための、（例えば気体タイプ又は液体タイプの）インピーダンス変換器が配置されてあり、インピーダンス変換器は、入力側で電気機械変換器及び電気機械変換器の従動要素によって夫々励起されることが可能であり、他方では、出力側で振動面を励起する。このインピーダンス変換器を用いることにより、振動面の振動、つまり電気機械システムの放射抵抗を、振動が結合されるべき媒体の放射抵抗に適合させることができる。従って、もしも伸縮自在な弾性部と組み合わせた電気機械変換器又は従動要素が、媒体（生物組織又は特に喉組織）へのエネルギーの結合を与える最適の方法で振動面を励起しなければ、インピーダンス変換器は、振動エネルギーが生物組織へ効果的に伝えられるように放射抵抗を適合させるために用いることが可能である。

適切には、インピーダンス変換器は、入力側に電気機械変換器の従動要素又は伸縮自在な弾性部によって励起されることが可能な入力面を、出力側に励起される出力面を有し、これらの面が、非圧縮性流体（所定の伝達範囲で圧縮不可能であり、形状を変更可能であるガス、又は液体、ゲル、シリコン、粘着性媒体、又は別の物質）によって互いに作用的に連結されている。インピーダンス変換器の両面は柔軟又は移動可能（硬い又は伸縮自在）であるべきである。適切に実現するには、入出力面を画定する領域が自由に残されている一方、周囲の物体によって包まれた密閉膜面内に非圧縮性流体を含むことが必要である。

振動面又はインピーダンス変換器の振動を変更可能にするために、インピーダンス変換器は、異なるサイズの入力面及び出力面を含む。従って、例えば振動面の振動を増加させるために、インピーダンス変換器の出力面は入力面より大きくなるように選択される。反対に、インピーダンス変換器のない電気機械システムによって生成された振動が低減されるべきである場合、インピーダンス変換器の入力面は、出力面より大きくなるように選択される必要がある。インピーダンス変換器を用いて、振動を励起するために電気機械システムが用いられる夫々の媒体に、駆動部の利用可能な機械動力の最適な伝達のために、モジュール型電気機械システムを適合させることも可能である。

この状況では、インピーダンス変換器の特徴が、請求項１に記載の従動要素の弾性支持と必ずしも組み合わされる必要がないことは注目されるべきである。代わりに、インピーダンス変換器の特徴は、インピーダンス変換器の入力側に連結された従動要素が、弾力的に支持されず、中心に置かれない場合にも、夫々実現可能である発声補助器具の別個の特徴を構成する。従って、例えば従動要素が、移動の長手方向の経路に沿って中心に置かれずに、直線移動のために配置されてもよい。

それ故、喉頭手術を受けて喉頭が切除された患者のための発声補助器具の分野では、ある周波数の範囲に亘って振動面を励起することが、本発明により初めて提案されている。今まで、発声補助器具の振動面は、ストライカ要素によって、ベルの場合のような単なるパルス状に作用されていた。従って、振動面の振動は、それ自身の自己共振、又はその上に振動面が形成された要素の自己共振によって決定されていた。音の変化はこのように排除されていた。しかしながら、本発明では、この先行技術の方法は完全に放棄され、少なくとも発声補助器具の作動中に、振動面への振動発生要素の永久連結が達成される。従って、振動面がある周波数の範囲に亘って振動することができるように異なる周波数を振動面に導入することが可能になる。具体的な使用では、数10ヘルツから約1,500 ヘルツまでの周波数範囲が実行可能であることが分かった。それによって、患者の声が、既に公知である発声補助器具のやや金属的な音の代わりに、人間の音声を呈することが可能となる。

本発明は、更に、従動要素が振動面に連結されるように、振動面を人の喉組織に適用することにより言語音を生成するための、喉頭切除又は気管切開を受けた人による上述されるような電気機械システムの使用方法に関する。

最後に、本発明は、更に喉頭切除又は気管切開を受けた人によって用いられるために、言語音を生成する方法において、
- 従動要素が振動面に連結されるように、上述されたような電気機械システムを振動面により人の喉組織に適用する
- 言語音を生成するために適切なように、人が口腔を形成する及び／又は口、唇及び舌を動かす
ステップを備える方法を提供する。

本発明の実施形態は、添付図面を参照して以下により詳細に説明される。

図１は、人間の喉組織の振動を刺激するために設けられた電気機械システム10の多様な要素及び機能的ブロックの配置及び調整された動作の概略図を示す。電気機械システム10は、質量m1を有する従動要素14を含む電気機械変換器12を備える。電気機械変換器12は、その中を電流が流れ、従動要素14を往復移動させるために配置されている、コイル18が配置された磁気システム16を含む。次に従動要素14は、該従動要素に作用的に接続されている中間インピーダンス変換器22を介して振動面20に連結されている。本実施形態では、電気機械変換器12は、例えばプランジャコイル及び磁石システムを含む電気音響変換器として設計されている。プランジャコイルは、従動要素として直接設けられることが可能であり、又はこのような要素に接続されることも可能であり、後者が本実施形態の場合である。

本発明によれば、電気機械変換器12及び電気機械変換器12の従動要素14を夫々中心に置くために伸縮自在な弾性部24が用いられ、弾性部は、本実施形態では振動質量m2,m3 を夫々有し、従動要素14に平行に接続された２つのコイルばね26,28 を含む。２つのコイルばね26,28 は、互いに接続されており、互いを避ける端部、すなわちアバットメント部分29に互いを支持するために配置されている。２つのコイルばね26,28 の接続点39は、電気機械変換器12の従動要素14に機械的に連結されている。２つのコイルばね26,28 の構成及び／又はそれらの付勢により、「弾性」が、従動要素14のセンタリングに与えられることが可能であり、このセンタリングシステムは、更に（ばね26,28 によって決定された）少なくとも１つの自己共振を含み、自己共振は、ばね26,28 の付勢が大きければ大きい程、ますます大きくなる。

既に上述されたように、インピーダンス変換器22は、電気機械変換器12と振動面20との間に接続されている。このインピーダンス変換器22を用いることにより、振動面20の振動に対する効果に関して、従動要素14によって行われる振動に影響を与えることが可能である。インピーダンス変換器22は、環状構成で、非圧縮性流体30で満たされ、受入体34に囲まれた膜バッグ32として設けられている。この受入体34内では、膜バッグ32は入力面36及び出力面38で露出している。これら２面間のサイズ比の選択に応じて、従動要素14の振動は、振動面20のより高い振動又は振動面のより低い振動に変換可能である。

図２は、図１に係る電気機械システム10の可能な実現例を示す。この例は、第１ハウジング部42及び第２ハウジング部44を有するハウジング40を備える。第１ハウジング部42は、磁心16、コイル18及びプランジャとして設けられた従動要素14を収容する。プランジャは、コイル18に接続されたコイル受入フランジ46を有する。更に第１ハウジング部42に、電気機械変換器12とは別に、伸縮自在な弾性部24が収容されている。図２では、更にコイルばね26,28 が示されており、コイルばね26は、固定アバットメント29として機能する磁心16に支持され、コイルばね28は、第１ハウジング部42、又は固定アバットメント29として第１ハウジング部に接続された保持要素48に支持されている。更に両方のコイルばね26,28 は、プランジャ内で連動している。従って、伸縮自在な弾性部24を用いることにより、プランジャは中心に置かれる。

電気機械変換器12の従動要素14（プランジャ）は、インピーダンス変換器22の流体が満たされた膜バッグ32の入力面36と接する一方、インピーダンス変換器22の出力面38が、振動面20を含む組織刺激要素50に接して配置されている。組織刺激要素50及びインピーダンス変換器22は第２ハウジング要素44に収容されている。

本実施形態では、わずかな力で大きな振動を生成する電気機械変換器12が、駆動部として用いられる。機械的性能（力x 振動）は、インピーダンス変換器22によって、大きな力で振動面20又は振動する組織刺激要素50のより小さな振動に変換される。

本発明の本質的な態様はもう一度以下に強調される。

各電気機械システムは、自己共振未満で、周波数に依存しない振動、つまり周波数全体に亘って一定の振動を有している。「軟性」支持によってもたらされる共振周波数が低い場合、大きな振動が生成され得る。駆動部がインピーダンス変換器に伝えることが可能な力が大きくなればなるほど、振動を生成するために必要とされる力が小さくなる。それ故、軟性支持は利点である。しかしながら、軟性支持は、電気機械システムの自己共振未満の範囲のみが周波数伝達範囲として用いられることが可能であるので、振動が一定である伝達範囲が単に小さくなることを意味する。電気機械システムは、発声補助器具として用いられるとき、1.5kHzまでの伝達範囲を有するべきであることが分かった。従って、このような伝達範囲に達することを可能にするために、駆動部は比較的高い自己共振を有する必要がある。しかしながら、より高い自己共振は、結果として弾性が低減された「より硬性な」支持を意味し、それにより大きな力が必要とされる低減された振動を引き起こす。

物理的な相互関係は、駆動部のセンタリングのために、例えば１又は複数の（コイル）ばね等の伸縮自在な弾性部を用いることにより断たれ得る。この弾性部は、（ばねによって引き起こされる）弾性及び追加の自己共振の複合システムを表わし、ばねの付勢が大きくなればなる程、自己共振がますます大きくなる。

ばねの高い弾性と組み合わせた電気機械変換器の動的質量は、低く調整されたシステムを構成し、大きな振動を可能にする。高周波へと向かう範囲では、ばねの自己共振は連続的に増加する加速、ひいては略一定の振動を与えて、他の構成ではシステムの低い自己共振を超える共振に達することが不可能である。

例えば、２つのばねがセンタリングのために用いられる場合、ばねの自己共振周波数が互いに近くなればなる程、高周波へと向かう加速の増加が大きくなる。従って、例えば組み立てられた状態で約1.5kHzの自己共振を夫々有する２つのばねを用いるとき、1.5kHzの範囲で、２つの振動システムの機械的連結に応じて、1.4kHz乃至1.6kHzの範囲で２つの共振ピークを得る。従って、1.4kHzまで、駆動システムが、例えば200 ヘルツであってもよい共振周波数を超える周波数で操作されるが、略一定の振動を得る。駆動システムに通常たった１つの弾性を与える従来のセンタリング要素を用いるとき、本発明によってもたらされ得る上記の作用は不可能である。本発明によって提供される配置によってのみ、インピーダンス変換器の有無にかかわらず、比較的大きな周波数範囲の比較的大きな振動を人間の喉組織に導入することが可能になる。

上記の概説された技術的状況は以下のように要約することができる。
- 発声補助器具のために、可能な最大の周波数範囲に亘って可能な最大の一定振動が必要とされる。
- しかしながら、一定振動は、電気機械変換器（駆動部）の自己共振未満でのみ利用可能であり、それは、従来の配置では、駆動部の自己共振が電気機械システム全体の伝達範囲の上限周波数を形成することを意味する。
- 従って、有用な性能を得るために、電気機械システム全体の側で可能な最大の振動が必要である。
- 駆動システムの支持の弾性はシステムの自己共振及び振動を決定し、軟性支持は自己共振が低い大きな振動をもたらし、硬性支持は自己共振が高い小さな振動をもたらすことが認められる。
- ばね要素、特にコイルばねは、（付勢を介して影響され得る）自己共振と同様に、（動的質量を介して影響され得る）弾性も有する。
- ばね特性、動的質量及び付勢の適切な選択によって、従来の変換器技術では解消できなかった、自己共振と支持（駆動）の硬性との間の相互関係が解消される。これにより、大きい自己共振を有する一方、大きな振動を有する電気機械システム全体の設計が可能になる。

本発明の実施形態に係る電気機械システムの本質的な機能要素を示す略図である。 システムが人間の喉組織の振動を刺激するために用いられ得るという趣旨で、図１の電気機械システムの構成を示す縦断面図である。

Claims (13)

1. 生物組織、特に人間の喉組織の振動を刺激するための電気機械システムにおいて、
   - 自己共振周波数を有し、ゼロ点位置付近で又はゼロ点位置から正又は負の方向に振動するために配置された、直線的に移動可能な従動要素(14)で、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するために作動する電気機械変換器(12)と、
   - 生物組織に作用するための振動面(20)と、
   - 前記振動面(20)に作用的に連結されており、前記電気機械変換器(12)の自己共振周波数を超える自己共振周波数を有する伸縮自在な弾性部(24)によって支持されている前記従動要素(14)と
   を備え、
   前記振動面(20)が、その上限が、前記電気機械変換器(12)の自己共振周波数を超え、伸縮自在な弾性部(24)の自己共振周波数以下である周波数範囲に亘って振動させられ、前記振動面の振動が、一定の入力電圧では前記周波数に亘って略一定である振動で行われることを特徴とする電気機械システム。
2. 前記伸縮自在な弾性部(24)が、前記振動面(20)に向かう方向に前記従動要素(14)を付勢するための機械的付勢で、前記電気機械変換器(12)の前記従動要素(14)に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の電気機械システム。
3. 前記伸縮自在な弾性部(24)は、前記電気機械変換器(12)の前記従動要素(14)に連結されており、前記従動要素(14)と、前記電気機械変換器(12)の外部に固定された点との間で伸びる少なくとも1つのばね要素(26,28) を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械システム。
4. 前記ばね要素がコイルばね(26,28) であることを特徴とする請求項３に記載の電気機械システム。
5. 前記伸縮自在な弾性部(24)が、互いに連結された第１ばね要素(26)及び第２ばね要素(28)を含み、前記ばね要素(26,28) の少なくとも１つが前記電気機械変換器(12)の前記従動要素(14)を付勢するために機能することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電気機械システム。
6. 前記振動面(20)が、前記従動要素(14)に形成されているか、又は前記従動要素(14)が、前記振動面(20)又は該振動面(20)が形成されている要素(50)に連結、詳細には接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電気機械システム。
7. 前記電気機械変換器(12)の前記従動要素(14)と前記振動面(20)との間に、生物組織に前記振動面(20)の振動する振動量を適合させるためのインピーダンス変換器(22)が配置されてあり、該インピーダンス変換器(22)は、入力側で前記従動要素(14)によって励起されることが可能であり、出力側で前記振動面(20)を励起することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電気機械システム。
8. 前記インピーダンス変換器(22)の入力側は励起可能な入力面(36)を有し、前記インピーダンス変換器(22)の出力側は励起可能な出力面(38)を有し、これらの面が、例えば所定の伝達範囲で圧縮不可能であるガス、液体、ゲル、シリコン、別の粘着性媒体、又は別の物質のような非圧縮性流体によって互いに作用的に連結されていることを特徴とする請求項７に記載の電気機械システム。
9. 前記インピーダンス変換器(22)の入力面及び出力面(36,38) が異なるサイズを有することを特徴とする請求項８に記載の電気機械システム。
10. 前記振動面(20)が硬いか又は伸縮自在であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の電気機械システム。
11. 前記振動面(20)が、取り外されているか又は十分な力で組織に押し当てられていない場合、前記従動要素(14)は、前記振動面(20)から間隔をあけて置かれているか、又はもし備えられている場合は前記インピーダンス変換器(22)から間隔をあけて置かれていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の電気機械システム。
12. 前記従動要素(14)が前記振動面(20)に連結されるように、前記振動面(20)を人の喉組織に適用することにより言語音を生成するための、喉頭切除又は気管切開を受けた人による請求項１乃至１１のいずれかに記載の電気機械システムの使用方法。
13. 喉頭切除又は気管切開を受けた人によって用いられるために、言語音を生成する方法において、
    - 前記従動要素(14)が前記振動面(20)に連結されるように、請求項１乃至１１のいずれかに記載の電気機械システムを振動面(20)により人の喉組織に適用する
    - 言語音を生成するために適切なように、人が口腔を形成する及び／又は口、唇及び舌を動かす
    ステップを備えることを特徴とする方法。

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