JP7515801B2 - 信号処理装置、認知機能改善システム、信号処理方法、及びプログラム - Google Patents
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Description
ガンマ波とは、脳の皮質の周期的な神経活動を、脳波や脳磁図といった電気生理学的手法により捉えた神経振動のうち、周波数がガンマ帯域(25~140Hz)に含まれるものを指す。
音響システムの構成について説明する。図1は、本実施形態の音響システムの構成を示すブロック図である。
音響出力装置30は、信号処理装置10とともに、一装置として構成することもできる。具体的には、信号処理装置10および音響出力装置30は、TV、ラジオ、音楽プレーヤ、AVアンプ、スピーカ、ヘッドホン、イヤホン、スマートフォン、またはPCに実装可能である。信号処理装置10および音響出力装置30は、認知機能改善システムを構成する。
信号処理装置の構成について説明する。図2は、本実施形態の信号処理装置の構成を示すブロック図である。
・OS(Operating System)のプログラム
・情報処理を実行するアプリケーションのプログラム
・情報処理において参照されるデータベース
・情報処理を実行することによって得られるデータ(つまり、情報処理の実行結果)
・CPU(Central Processing Unit)
・GPU(Graphic Processing Unit)
・ASIC(Application Specific Integrated Circuit)
・FPGA(Field Programmable Array)
・DSP(digital signal processor)
入力デバイスは、例えば、音源装置50、物理ボタン、キーボード、ポインティングデバイス、タッチパネル、又は、それらの組合せである。
出力デバイスは、例えば、ディスプレイ21、音響出力装置30、又は、それらの組合せである。
本実施形態の一態様について説明する。図3は、本実施形態の一態様の説明図である。
図3に示すように、信号処理装置10は、音源装置50から入力音響信号を取得する。信号処理装置10は、入力音響信号に対して変調を行うことで、出力音響信号を生成する。変調は、ガンマ波に対応する周波数(例えば35Hz以上45Hz以下の周波数)を持つ変調関数を用いた振幅変調である。これにより、音響信号には、上記周波数に対応する振幅の変化(音量の強弱)が付加される。同じ入力音響信号に対して異なる変調関数を適用すると、出力音響信号の振幅波形は異なる。振幅波形の例については後述する。
図4は、出力音響信号の振幅波形の第1例を示す図である。入力音響信号の変調に用いる変調関数をA(t)とし、変調前の入力音響信号の波形を表す関数をX(t)とした場合に、変調後の出力音響信号の波形を表す関数をY(t)とした場合に、
Y(t)=A(t)・X(t)
となる。
第1例において、変調関数は40Hzの逆ノコギリ波状の波形を有する。入力音響信号は、40Hzより高い一定の周波数を有し、音圧も一定である、均質な音を表す音響信号である。その結果、出力音響信号の振幅波形の包絡線が、逆ノコギリ波に沿った形状となる。
具体的には図4に示すように、出力音響信号の振幅波形は、ガンマ波の周波数に対応する振幅の変化を有し、振幅波形の包絡線Aの立ち上がり部分Cと立ち下がり部分Bとが非対称(つまり、立ち上がりの時間長と立ち下がりの時間長とが異なる。)となっている。
第1例における出力音響信号の振幅波形の包絡線Aの立ち上がりは、立ち下がりと比較して急峻である。言い換えれば、立ち上がりに要する時間が立ち下がりに要する時間に比べて短い。包絡線Aの振幅値は、振幅の最大値まで急上昇した後に、時間の経過ととともに次第に下降する。すなわち、包絡線Aは、逆ノコギリ波状となっている。
出力音響信号の振幅波形の第2例について説明する。図5は、出力音響信号の振幅波形の第2例を示す図である。
具体的には図5に示すように、第2例における出力音響信号の振幅波形の包絡線Aの立ち下がりは、立ち上がりと比較して急峻である。言い換えれば、立ち下がりに要する時間が立ち上がりに要する時間に比べて短い。包絡線Aの振幅値は、振幅の最大値まで時間の経過ととともに次第に上昇した後に、急下降する。すなわち、包絡線Aは、ノコギリ波状となっている。
出力音響信号の振幅波形の第3例について説明する。図6は、出力音響信号の振幅波形の第3例を示す図である。
第3例において、変調関数は40Hzの正弦波状の波形を有する。入力音響信号は、40Hzより高い一定の周波数を有し、音圧も一定である、均質な音を表す音響信号である。その結果、出力音響信号の振幅波形の包絡線が、正弦波に沿った形状となる。
具体的には図6に示すように、第3例における出力音響信号の振幅波形の包絡線Aの立ち上がりと立ち下がりはいずれも滑らかである。すなわち、包絡線Aは、正弦波状となっている。
なお、上記の第1例から第3例において、変調関数は40Hzの周期性を有するものとしたが、変調関数の周波数はこれに限定されず、例えば35Hz以上45Hz以下の周波数であってもよい。また、上記の第1例から第3例において、包絡線Aの振幅値の絶対値は周期的に0になるものとしたが、これに限らず、包絡線Aの振幅値の最小絶対値が0より大きい値(例えば最大絶対値の2分の1又は4分の1)になるような変調関数が用いられてもよい。
(2-5―1)実験の概要
本開示の技術による効果を検証するために行った実験について説明する。
本実験では、男性18名、女性8名の被験者に対して、40Hzの変調関数を用いて変調された音響信号に基づく出力音を聴かせ、その際に感じる心理反応、および脳内のガンマ波の誘発の程度を評価した。また、比較のために、40Hzのパルス波状の波形を有する音響信号に基づく出力音を聞かせた場合の心理反応とガンマ波の誘発の程度も評価した。心理反応は、被験者の主観を基準に、アンケートの回答(7段階尺度)により評価した。ガンマ波の誘発の程度は、被験者の頭部に装着した複数の電極により計測した。変調された音響信号に応じて出力音を生成する音響出力装置30としては、被験者の頭部に装着されるヘッドホンを採用した。
・実験A…それぞれ異なる変調関数と入力音響信号に応じた複数種類の出力音を聞いた際の不快感を被験者が回答する実験
・実験B…それぞれ異なる変調関数と入力音響信号に応じた複数種類の出力音を聴いた際の被験者の脳波を測定する実験
・実験C…それぞれ異なる変調関数と入力音響信号に応じた複数種類の出力音を聴いた際の被験者の脳波を測定する実験(実験Bとは音の長さが異なる。)
・不快に感じる
・苛立たしさを感じる
・音声は不自然だ
・音声が聞き取りにくい
本開示の技術による効果を検証するための上述の実験について、さらに詳細に説明する。なお、以下では上述の実験Aと実験Bを中心に説明し、実験Cについては省略する。本実験では、誘発すべきガンマ波として40Hzの周波数を有する脳波に着目する。本実験で使用した音刺激(出力音)のリストを図9に示す。列901は音刺激の識別番号(以降「刺激番号」と呼ぶ。)を示し、列902は変調前の音信号(正弦波)の周波数を示し、列903は変調有無及び変調に用いた変調関数を示し、列904は変調関数の周波数を示し、列905は変調度を示す。
本実施形態の音響信号処理について説明する。図8は、本実施形態の信号処理装置10による音響信号処理の全体フローを示す図である。図8の処理は、信号処理装置10のプロセッサ12が、記憶装置11に記憶されたプログラムを読み出して実行することによって実現される。なお、図8の処理の少なくとも一部が、1又は複数の専用の回路により実現されてもよい。
・他の処理又は外部からの指示によって図8の音響信号処理が呼び出された。
・ユーザが図8の音響信号処理を呼び出すための操作を行った。
・信号処理装置10が所定の状態(例えば電源投入)になった。
・所定の日時が到来した。
・所定のイベント(例えば、信号処理装置10の起動、または図8の音響信号処理の前回の実行)から所定の時間が経過した。
具体的には、信号処理装置10は、音源装置50から送出される入力音響信号を受け付ける。
ステップS110において、信号処理装置10は、入力音響信号のA/D変換をさらに行ってもよい。
・音楽コンテンツ(例えば、歌唱、演奏、またはそれらの組み合わせ(つまり、楽曲)。動画コンテンツに付随する音声コンテンツを含み得る。)
・音声コンテンツ(例えば、朗読、ナレーション、アナウンス、放送劇、独演、会話、独言、またはそれらの組み合わせの音声など。動画コンテンツに付随する音声コンテンツを含み得る。)
・他の音響コンテンツ(例えば、電子音、環境音、または機械音)
ただし、歌唱、または音声コンテンツは、人間の発声器官により発せられる音声に限られず、音声合成技術により生成された音声を含み得る。
ステップS110の後に、信号処理装置10は、変調方法の決定(S111)を実行する。
具体的には、信号処理装置10は、ステップS110において取得した入力音響信号から出力音響信号を生成するために用いる変調方法を決定する。ここで決定される変調方法には、例えば、変調処理に用いる変調関数と、変調による振幅の変化の程度に対応する変調度との、少なくとも何れかが含まれる。一例として、信号処理装置10は、図4から図6を用いて説明した3種類の変調関数のうち何れを用いるかを選択する。いずれの変調関数を選択するかは、ユーザもしくは他者による入力操作又は外部からの指示に基づいて決定されてもよいし、アルゴリズムによって決定されてもよい。
・ユーザの家族、友人、または知人
・医療関係者(例えばユーザの担当医)
・入力音響信号に対応するコンテンツの作成者、または提供者
・信号処理装置10の提供者
・ユーザが利用する施設の管理者
具体的には、信号処理装置10は、S110において取得した入力音響信号に対して、S111において決定した変調方法に応じた変調処理を行う。一例として、信号処理装置10は、入力音響信号に対して、ガンマ波に対応する周波数(例えば、35Hz以上45Hz以下の周波数)を持つ変調関数を用いた振幅変調を行う。これにより、入力音響信号には、上記周波数に対応する振幅の変化が付加される。
ステップS112において、信号処理装置10は、出力音響信号の増幅、音量調節、またはD/A変換の少なくとも1つをさらに行ってよい。
具体的には、信号処理装置10は、ステップS112において生成した出力音響信号を音響出力装置30へ送出する。音響出力装置30は、出力音響信号に応じた音を発生する。
信号処理装置10は、ステップS113を以て、図8の音響信号処理を終了する。
なお、信号処理装置10は、一定の再生期間を有する入力音響信号(例えば1曲の音楽コンテンツ)に対して図8の処理をまとめて行ってもよいし、入力音響信号の所定の再生区間ごと(例えば100msごと)に図8の処理を繰り返し行ってもよい。あるいは、信号処理装置10は、例えばアナログ信号処理による変調のように、入力される音響信号に対して連続的に変調処理を行って変調済みの音響信号を出力してもよい。図8に示す処理は、特定の終了条件(例えば、一定時間が経過したこと、ユーザ操作が行われたこと、または変調済みの音の出力履歴が所定の状態に達したこと)に応じて終了してもよい。
また、信号処理装置10による処理の順番は図8に示す例に限定されず、例えば変調方法の決定(S111)が入力音響信号の取得(S110)より前に行われてもよい。
以上説明したように、本実施形態の信号処理装置10は、入力音響信号に対して振幅変調を行うことで、ガンマ波の周波数に対応する振幅の変化を有する出力音響信号を生成する。出力音響信号においては、振幅波形の包絡線の立ち上がりと立ち下がりが非対称である。信号処理装置10は、生成した出力音響信号を音響出力装置30に向けて出力する。これにより、聴者に与える不快感を抑制しながら音響信号の振幅を所定の周期で増減させることができる。そして、音響出力装置30が、かかる出力音響信号に応じた音をユーザに聴かせることで、ユーザの脳内において出力音響信号の振幅の変動に起因してガンマ波が誘発される。その結果、ユーザの認知機能の改善(例えば、認知症の治療、または予防)の効果を期待できる。
記憶装置11は、ネットワークNWを介して、信号処理装置10と接続されてもよい。ディスプレイ21は、信号処理装置10に内蔵されてもよい。
また、信号処理装置10は、変調済み入力音響信号とその他の音響信号とを、合成することなく同時に音響出力装置30に送出してもよい。
・変調関数を示す情報
・変調度を示す情報
・音量を示す情報
これにより、外部装置は、変調処理の内容に応じて音響信号の再生方法を変更することができる。
また、信号処理装置10は、入力音響信号と共に付加情報(例えばMP3ファイルにおけるID3タグ)を取得した場合に、当該付加情報を変更して出力音響信号と共に外部装置へ出力してもよい。
10 :信号処理装置
11 :記憶装置
12 :プロセッサ
13 :入出力インタフェース
14 :通信インタフェース
21 :ディスプレイ
30 :音響出力装置
50 :音源装置
Claims (17)
- 入力音響信号を受け付ける手段と、
前記入力音響信号の少なくとも一部を振幅変調することで、所定の周波数に対応する振幅の変化を有する出力音響信号であって振幅波形の包絡線の立ち上がりと立ち下がりが非対称である出力音響信号を生成する手段と、
生成された前記出力音響信号を出力することでユーザの脳内でガンマ波を誘発する手段と、を備える、
信号処理装置。 - 前記出力音響信号における振幅波形の包絡線の立ち上がりは、当該包絡線の立ち下がりと比較して急峻である、請求項1に記載の信号処理装置。
- 前記出力音響信号の振幅波形の包絡線が逆ノコギリ波状である、請求項2に記載の信号処理装置。
- 前記出力音響信号における振幅波形の包絡線の立ち下がりは、立ち上がりと比較して急峻である、請求項1に記載の信号処理装置。
- 前記出力音響信号の振幅波形の包絡線がノコギリ波状である、請求項4に記載の信号処理装置。
- 入力音響信号を受け付ける手段と、
前記入力音響信号の特徴に基づいて、変調方法を決定する手段と、
決定された前記変調方法に応じて前記入力音響信号の少なくとも一部を振幅変調することで、所定の周波数に対応する振幅の変化を有する出力音響信号であって振幅波形の包絡線が正弦波状である出力音響信号を生成する手段と、
生成された前記出力音響信号を出力することでユーザの脳内でガンマ波を誘発する手段と、を備える、
信号処理装置。 - 前記変調方法には、変調処理に用いられる変調関数が含まれる、
請求項6に記載の信号処理装置。 - 前記変調方法には、変調による振幅の変化の程度に対応する変調度が含まれる、
請求項6に記載の信号処理装置。 - 前記変調方法を決定する手段は、変調が行われない状態から変調が行われる状態へ変化する場合に前記変調度が徐々に増加するように前記変調方法を決定する、
請求項8に記載の信号処理装置。 - 前記入力音響信号の特徴は、音声と音楽のバランス、音量変化、音楽の種類、及び音色の少なくとも何れかに関する特徴である、
請求項6に記載の信号処理装置。 - 前記入力音響信号は、音楽コンテンツと音声コンテンツとの少なくとも何れかを含む音響信号である、請求項1から請求項10の何れかに記載の信号処理装置。
- 前記所定の周波数はガンマ波に対応する周波数である、請求項1から請求項10の何れかに記載の信号処理装置。
- 前記所定の周波数は35Hz以上45Hz以下の周波数である、請求項1から請求項10の何れかに記載の信号処理装置。
- ユーザの認知機能を改善するための認知機能改善システムであって、
請求項1から請求項10の何れかに記載の信号処理装置と、
前記信号処理装置により出力される前記出力音響信号に応じた音を発生させる音響出力装置と、を備える、
認知機能改善システム。 - 入力音響信号を受け付け、
前記入力音響信号の少なくとも一部を振幅変調することで、所定の周波数に対応する振幅の変化を有する出力音響信号であって振幅波形の包絡線の立ち上がりと立ち下がりが非対称である出力音響信号を生成し、
生成された前記出力音響信号を出力することでユーザの脳内でガンマ波を誘発する、
信号処理方法。 - 入力音響信号を受け付け、
前記入力音響信号の特徴に基づいて、変調方法を決定し、
決定された前記変調方法に応じて前記入力音響信号の少なくとも一部を振幅変調することで、所定の周波数に対応する振幅の変化を有する出力音響信号であって振幅波形の包絡線が正弦波状である出力音響信号を生成し、
生成された前記出力音響信号を出力することでユーザの脳内でガンマ波を誘発する、
信号処理方法。 - コンピュータを、請求項1から請求項10の何れかに記載の信号処理装置の各手段として機能させるためのプログラム。
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