JP2022158755A - 電気式人工喉頭 - Google Patents

Abstract

【課題】首に装着することによりハンズフリーでかつ利用者等の特定の肉声に近い声を再現することができる電気式人工喉頭を提供する。【解決手段】ＬＰＣ残差波を用いた電気式人工喉頭において、回路部２０は、ハンズフリー型でかつ自然の声に近い発声を生成するために異なる二つの振動子（狭域振動子１１、広域振動子１２）を用いる。【選択図】図１

Description

新規性喪失の例外適用申請有り

本発明は、電気式人工喉頭に関する。

健常者は、自らの呼気が喉頭（声門） を経由する際に声帯を振動させることにより音を発生させ、その音の周波数成分を舌・顎や唇などの調音器官で変えることにより様々な発話を行っている。この声帯の振動により発生される音は、発話の基となる音であることから、「喉頭原音」などと呼ばれる。

これに対し、喉頭を摘出してしまった喉頭摘出者は、通常であれば自らの意思による発声は不可能であるが、調音器官さえ残存していれば、人工的に作り出した音を喉頭原音の代わりに口腔内で発生させ、または、口腔内へ送り込んでやることにより、不完全ながらも発声ができるようになる。

このような喉頭原音の代わりとなる音を人工的に作り出す装置の一つに電気式人工喉頭がある。電気式人工喉頭は、喉頭原音の代わりとなる音を、機械的、または、電気機械的に生成し、その音を頸部の振動などを通じて口腔内に導くことによって、喉頭摘出者自らによる発声を支援する。この種の電気式人工喉頭の中には、振動板と、その振動板を振動させて口腔内に音を発生させる、もしくは音を口腔内に導くためのボイスコイルモータとを搭載し、振動板の振動の周期や強度を変化させることによって、発生する音に変化をつけているものがある。

例えば、特許文献１に開示された電気式人工喉頭では、特定の肉声データから線形予測分析によって算出された喉頭原音データを記憶する記憶部と、利用者の操作あるいは生体情報に応じて喉頭原音データの周期および／またはピーク値を制御する制御部と、制御部により制御された音データに基づく音を出力させる音出力部とを有し、利用者等の特定の肉声に近い声を再現することができる電気式人工喉頭を提供する。

また、特許文献２に開示された電気式人工喉頭では、音を発生させるための基本となるパルス信号の波形に、周期または／およびデューティー比の微小変化を与えて得られる一連のパルス信号に応じた駆動をさせることで、声の自然性の向上、または個人性を付与し得るような仕組みを提供することが可能になっている。

また、非特許文献１に開示された電気式人工喉頭では、電気式人工喉頭本体から分離した振動子を顎下部に装着具で固定し、リモコン化した指スイッチや脇スイッチ、足スイッチのいずれかで操作でき、会話中の身体的制約を解消するリモコン操作によるハンズフリー型人工喉頭の仕組みを提供することが可能になっている。

特許第６４０３４４８号 特許第４９４０４０８号 株式会社電制。 リモコン操作によるハンズフリー型人工喉頭の製品化。障害者自立支援機器等開発促進事業，平成２３年度、報告書

健常者の声は、基本周波数を司る周期成分とそれ以外の部分を司る非周期成分とで構成されている。一方、特許文献１に開示された電気式人工喉頭は、周期成分しか考慮されておらず、音声の明瞭度は上がるものの機械的な音声の出力にとどまってしまう。

また、特許文献２に開示された電気式人工喉頭では、パルス信号の周期およびデューティー比を、健常者あるいは喉頭摘出手術前の患者等から録音された音声の音波形を基に取得するようにしているため、受聴者に生理的に受け入れやすい微小変化を与えることができ、人間の声帯から発生する音により近い音を再現することができる。

しかしながら、特許文献２に開示された電気式人工喉頭であっても、出力させる音に、声道による共鳴の影響等については考慮されていないため、利用者等の特定の肉声に近い声を再現することができないという課題がある。

そして特許文献１および特許文献２のどちらもデバイス本体を手に持って、喉に押し付けて使用しなければならないという課題がある。

非特許文献１はハンズフリー型で提供しているものの、振動音に関して特定の肉声に近づける声を再現するような処理はされていないという課題がある。

特許文献１及び２そして非特許文献１で使用している振動子は共振周波数が６０Ｈｚから２００Ｈｚの間と限られているため、女性や子供の高域の振動音は生成できないという課題がある。

本発明は、このような背景の下に案出されたものであり、利用者等の特定のヒトの肉声に近い声を再現することができるハンズフリー型の電気式人工喉頭を提供することを目的とする。

本発明に係る電気式人工喉頭は、振動子を二つにして広域用と狭域用でそれぞれを用意し、さらに人の声に近づけるためのアルゴリズムを用いて振動音を作成し、スマートフォンなどの音声保存装置を使用して操作する。

狭域振動子は従来のＥＬで使用されている振動子で６０Ｈｚから２００Ｈｚの範囲で音量が安定する。振動子はコイルと永久磁石によるローレンツ力によって軸が上下することで振動を発生する。この原理はボイスコイルに電流を通し、磁気回路により磁束を発生させることで、フレミングの左手の法則により推力が発生し、軸を押し上げて振動板に打ち付けている。電流をオフにすると反力がかかって逆に振動板から軸が離れる。この動作を繰り返すことで振動音を発生させている。

広域振動子はフォスター電機株式会社が製作した、特開２０２０－１９９５０６と同構造のものである。振動音を発生させる原理は狭域振動子と同じであるが、５５Ｈｚから１０００Ｈｚの広い周波数帯域を安定して出せるように設計されている。しかしその分狭域振動子よりも出力音量は小さくなっている。

振動音生成のアルゴリズムは、特定の音声の基本周波数が狭域振動子の共振周波数帯域である２００Ｈｚを境に、６０Ｈｚから２００Ｈｚの周波数帯では、狭域振動子が振動音の周期成分を出力し、広域振動子が非周期成分を出力する。２００Ｈｚより大きい範囲では狭域振動子は動作せず、広域振動子が周期成分を出力する。

上記の周期成分とは特定の音声データのＬＰＣ残差波の基本周波数と倍音成分を増幅した振動音のことを指す。

上記の非周期成分とはＷＯＲＬＤというソフトウェアを用いて特定の音声データから非周期性指標のみを取り出した振動音のことを指す。

本発明によると、首に装着することによりハンズフリーでかつ利用者等の特定の肉声に近い声を再現することができる電気式人工喉頭を提供することができる。

利用者等の特定の肉声データの基本周波数が６０Ｈｚから２００Ｈｚの範囲の際、本発明の第１実施形態に係る電気式人工喉頭の装着部１０と、電気式人工喉頭の装着部１０に振動音を提供する電気式人工喉頭の回路部２０と、電気式人工喉頭の回路部２０に振動音を提供するための振動音を保存する振動音保存装置３０と、利用者等の特定の肉声データに線形予測分析等の所定の処理を実行して得られた声の元となる振動音の周期成分および非周期成分を作成し振動音保存装置３０に提供する原音生成装置４０とを含むシステムを説明するための図である。 利用者等の特定の肉声データの基本周波数が２００Ｈｚより大きい場合、本発明の第１実施形態に係る電気式人工喉頭の装着部１０と、電気式人工喉頭の装着部１０に振動音を提供する電気式人工喉頭の回路部２０と、電気式人工喉頭の回路部２０に振動音を提供するための振動音を保存する振動音保存装置３０と、利用者等の特定の肉声データに線形予測分析等の所定の処理を実行して得られた声の元となる振動音の周期成分を作成し振動音保存装置３０に提供する原音生成装置４０とを含むシステムを説明するための図である。 電気式人工喉頭の装着部１０の構成を装着時の前から見た図である。 電気式人工喉頭の装着部１０の構成を装着時の後ろから見た図である。 狭域振動子１１の内部構造である。 自然発話による音声波形の７００Ｈｚから２０００Ｈｚまでの周波数スペクトル波形の図である。 旧来型の電気式人工喉頭による音声波形の７００Ｈｚから２０００Ｈｚまでの周波数スペクトル波形の図である。 本発明に係る電気式人工喉頭による、本発明に係る生成アルゴリズムで作成された振動音を用いて発声した音声波形の７００Ｈｚから２０００Ｈｚまでの周波数スペクトル波形の図である。 本発明に係る電気式人工喉頭による、単なるＬＰＣ残差波の振動音を用いて発声した音声波形の７００Ｈｚから２０００Ｈｚまでの周波数スペクトル波形の図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１は、電気式人工喉頭の装着部１０と、電気式人工喉頭の装着部１０に振動音を提供する電気式人工喉頭の回路部２０と、電気式人工喉頭の回路部２０に振動音を提供するための振動音を保存する振動音保存装置３０と、利用者等の特定の肉声データに線形予測分析等の所定の処理を実行して得られた声の元となる振動音の周期成分および非周期成分を作成し振動音保存装置３０に提供する原音生成装置４０とを含むシステムであり、基本周波数が６０Ｈｚから２００Ｈｚの男性の声の生成時に使用される。

（第２実施形態）
図２は、電気式人工喉頭の装着部１０と、電気式人工喉頭の装着部１０に振動音を提供する電気式人工喉頭の回路部２０と、電気式人工喉頭の回路部２０に振動音を提供するための振動音を保存する振動音保存装置３０と、利用者等の特定の肉声データに線形予測分析等の所定の処理を実行して得られた声の元となる振動音の周期成分を作成し振動音保存装置３０に提供する原音生成装置４０とを含むシステムであり、基本周波数が２００Ｈｚより大きいの女性の声の生成時に使用される。

図３は、装着部を装着時に前から見た図で、図４は装着部を装着時に後ろから見た図である。狭域振動子１１と広域振動子１２、そしてバンド１３とバックル１４において構成されている。

（狭域振動子の原理）
図５の狭域振動子は株式会社電制のＥＬ「ユアトーン」に採用されている。ボイスコイルに電流を通し、磁気回路により磁束を発生させることで、フレミングの左手の法則により推力が発生し、軸を押し上げて振動板に打ち付けている。電流をオフにすると反力がかかって逆に振動板から軸が離れる。これを繰り返すことで振動音を発生させている。

広域振動子の原理および構造は特開２０２０－１９９５０６を参照いただきたい。

以下、本発明の実施例について説明する。本実施例にあっては、自然発話、旧来型の電気式人工喉頭、本発明に係る電気式人工喉頭のそれぞれで“こんにちは”を録音した。そして“こんにちは”の“は”の中の母音“あ”の音素開始時点から０．１秒抽出した音声にフーリエ変換をかけて周波数スペクトルを求めた。録音環境はパソコン（パナソニック、レッツノート、ＣＦ－５Ｖ）、マイク（オーディオテクニカ、ＡＴＲ１１００ｘ）、マイク端子ＵＳＢ変換ケーブル（プラネックス、ＰＬ－ＵＳ３５ＡＰ）、そしてＰｒａａｔのソフトウェアを用いた。

図６から図８にかけて７００Ｈｚから２０００Ｈｚの範囲で自然発話、旧来型の電気式人工喉頭、本発明に係る電気式人工喉頭のそれぞれの周波数スペクトルを示した。横軸は周波数に、縦軸は音圧レベルを指す。母音“あ”の第１ホルマントが約７８０Ｈｚ、第２ホルマントが約１２４０Ｈｚであるため、７００Ｈｚから２０００Ｈｚの範囲においてのスペクトルをプロットした。すると旧来型の電気式人工喉頭での発声に見られなかった第１ホルマントおよび第２ホルマントの特徴が本発明に係る電気式人工喉頭での発声では見られた。すなわちより自然発話に近づいたということが分かる。

図９では本発明に係る電気式人工喉頭で単なるＬＰＣ残差波を振動音とした音声波形を示した。これよりも図８で示した本発明に係る生成アルゴリズムで作成した振動音の方が、第１ホルマントが特にはっきりと見えることが分かる。このことから“あ”の特徴が作成した振動音の方がＬＰＣ残差波よりもはっきり出ていると分かり、振動音として基本周波数とその倍音の±１０Ｈｚを１２ｄＢ上げたＬＰＣ残差波を用いることは新規性及び有効性があるといえる。

１０…電気式人工喉頭装着部
１１…狭域振動子、１１Ａ…振動板、１１Ｂ…軸、１１Ｃ…ゴム膜、１１Ｄ…ボイスコイル、１１Ｅ…永久磁石、１１Ｆ…磁気回路
１２…広域振動子
１３…バンド
１４…バックル
２０…電気式人工喉頭 回路部、２１…Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ オーディオアンプ、２２…充電／昇圧基板、２３…リチウムイオンポリマー電池、２４…振動音の周期成分、２５…振動音の非周期成分
３０…振動音保存装置
４０…振動音生成装置、４１…振動音の周期成分、４２…振動音の非周期成分、４３…記録媒体、４３Ａ…録音音声データ、４４…録音用マイク

Claims (5)

1. 二つの異なる振動子を備えた装着部と、装着部に振動音を提供する回路部と、回路部に振動音を提供するための振動音を保存する振動音保存装置と、振動音を作成し振動音保存装置に提供する原音生成装置を含むシステムからなることを特徴とする電気式人工喉頭。
2. 振動子の一つが６０Ｈｚから２００Ｈｚの周波数帯で振動音の周期成分を出力する狭域振動子で、他の一つが６０Ｈｚから２００Ｈｚの範囲では振動音の非周期成分を、２００Ｈｚより大きい範囲では振動音の周期成分を出力する広域振動子であることを特徴とする請求項１に記載の電気式人工喉頭。
3. 振動子二つを帯上に並列に配置し、喉部に巻き付け装着することによりハンズフリーで音声用の振動を入力することを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の電気式人工喉頭。
4. 事前に録音された人の声を基準にした音声合成技術により人の声に近い出力を得ることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の電気式人工喉頭。
5. 音声合成技術が振動音の周期成分と非周期成分を生み出すアルゴリズムを用いることを特徴とする請求項４に記載の電気式人工喉頭。

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