WO2004103021A1

WO2004103021A1 - 超音波補聴装置

Info

Publication number: WO2004103021A1
Application number: PCT/JP2004/006703
Authority: WO
Inventors: Seiji Nakagawa; Takefumi Sakaguchi
Original assignee: National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology; Nara Prefecture
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2004-11-25
Also published as: JP2004343302A; WO2004103021A8; JP4143832B2

Abstract

外部音を超音波振動により知覚するための外部音知覚装置であって、入力された外部音に基づいて音信号を生成する音信号生成手段（１０）と、音信号に基づいてキャリア信号を変調することにより、振動信号を生成する振動信号生成手段（２０）と、振動信号に基づいて生体に超音波振動を伝達する振動伝達手段（３０）とを備え、振動伝達手段（３０）は、生体の所定位置に当接させた状態で固定可能な複数の振動子（３１）を備えており、振動信号生成手段（２０）は、振動子（３１）毎にそれぞれ異なる振動信号を生成可能に構成されている。この外部音知覚装置によれば、感音状態の最適化を容易且つ迅速に行うことができる。

Description

明細書発明の名称超音波補聴装置技術分野

本発明は、外部音を超音波振動により知覚するための外部音知覚装置に関する。

背技術

'外部音を知覚するための外部音知覚装置として、難聴者用の補聴器が知られている。補聴器には、音の振動が鼓膜を介して脳の聴覚器官に伝達される気導型の補聴器と、音の振動が鼓膜を介さずに頭蓋骨などから直接人体に伝わる骨導型の補聴器とがあり、振動子を人体の所定部位に取り付けて使用する。最近では、振動子を介して超音波振動を脳の聴覚器官に伝達することにより、外部音を知覚可能にした構成も知られている（特開 2 0 0 1— 3 2 0 7 9 9号公報、特開 2 0 0 2 - 3 0 0 7 0 0号公幸艮など)。特開 2 0 0 2— 3 0 0 7 0 0号公報には、 1つの変調部から出力された超音波信号が、直列又は並列に接続された複数の超音波振動子にそれぞれ入力されるように構成し、これら複数の超音波振動子を頭部の所定部位に配置することが示されている。

複数の超音波振動子を使用する場合は、単一の超音波振動子を使用する場合に比べて感音状態（外部音の知覚状態）を良好にすることができるが、振動子の取り付け位置によって感音状態が変化する。このため従来は、感音状態を確認しながら各振動子を徐々に移動させて取り付け位置を決定するようにしていたが、このような方法では感音状態の微調整が困難であり、各振動子を最適位置に取り付けるのに時間を要してレ、た。発明の開示

本発明は、このような点に鑑みなされたものであって、感音状態の最適化を容易且つ迅速に行うことができる外部音知覚装置の提供を目的とする。

本発明者らは、頭部モデルを用いた実測及び数値シミュレーションを行うことにより、後述するように、複数の振動子を用いた場合の頭部内の音圧分布を調べた。この結果、超音波刺激の:^には、可聴音刺激に比べて生体内における音圧分布が複雑なものとなり、各振動子の取り付け位置によつて音圧分布が大きく変化することが明らかになった。本発明者らは、種々の条件下で頭部内の音圧分布を解析することにより、以下の知見を得た。

即ち、本発明の前記目的は、外部音を超音波振動により知覚するための外部音知覚装置であって、入力された外部音に基づいて音信号を生成する音信号生成手段と、前記音信号に基づいてキャリア信号を変調することにより、振動信号を生成する振動信号生成手段と、 ΙΐίΙΗ振動信号に基づいて生体に超音波振動を伝達する振動伝達手段とを備え、前記振動伝達手段は、生体の所定位置に当接させた状態で固定可能な複数の振動子を備えており、前記振動信号生成手段は、前記振動子毎にそれぞれ異なる前記振動信号を生成可能に構成されている外部音知覚装置により達成される。

この外部音知覚装置において、前記振動信号生成手段は、少なくとも 1 の前記振動子に対応する前記キヤリァ信号の周波数及び Ζ又は位相を調節可能な入力部を備えることが好ましレ、。図面の簡単な説明 '

第 1図は、本発明の一実施形態に係る外部音知覚装置の概略構成を示す正面図である。

第 2図は、前記外部音知覚装置のプロック図である。

第 3図は、前記外部音知覚装置における振動伝達部の断面図である。

第 4図は、人体の頭部内における音圧分布の解析に用いる（a ) 頭部モデル及ぴ（b ) 励振波形を示す図である。

第 5図（a ) 〜（d ) は、頭部内音圧分布の解析結果の一例を示す図である。第 6図（a )〜（d )は、頭部内音圧分布の解析結果の他の例を示す図である。第 7図（a ) 〜（d ) は、図 5 ( a ) 〜（d ) に対応する所定部位における音圧の時間変化を示す図である。

第 8図（a ) 〜（d ) は、図 6 ( a ) 〜（d ) に対応する所定部位における音圧の時間変化を示す図である。

第 9図（a) 〜（c) は、頭部内音圧分布の角浙結果の一例を示す図である。第 10図（a) 〜（c) は、頭部内音圧分布の解析結果の他の例を示す図である。

第 1 1図 (a) (c) は、頭部内音圧分布の解析結果の更に他の例を示す図である。

第 1 2図（a) (c) は、頭部内音圧分布の解析結果の更に他の例を示す図である。

第:！ 3図（a) (c) は、図 9 (a) (c) に対応する所定部位における音圧の時間変化を示す図である。

第 14図（a) 〜（c) は、図 10 (a) - (c) に対応する所定部位における音圧の時間変化を示す図である。

第 1 5図（a) 〜（c) は、図 1 1 (a) - (c) に対応する所定部位における音圧の時間変ィ匕を示す図である。

第 1 6図（a) 〜（c) は、図 12 (a) (c) に対応する所定部位における音圧の時間変化を示す図である。

第 1 7図（a) 〜（d)は、頭部内音圧分布の解析結果の一例を示す図である。第 1 8図（a) ~ (d) は、図 1 7 (a) 〜（d) に対応する所定部位における音圧の時間変化を示す図である。

第 1 9図（a) 〜（d)は、頭部內音圧分布の解析結果の一例を示す図である。第 20図（a) 〜（d) は、図 19 (a) 〜（d) に対応する所定部位における音圧の時間変ィ匕を示す図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実態形態について添付図面を参照して説明する。図 1は、本発明の一実施形態に係る外部音知覚装置の概略構成を示す正面図であり、図 2は、そのプロック図である。図 1及ぴ図 2に示すように、この外部音知覚装置は、入力された外部音に基づいて音信号を生成する音信号生成部 10と、得られた音信号に基づいて振動信号を生成する振動信号生成部 20と、前記振動信号に基づく機械的振動を伝達する振動伝達部 3 0とを備える。

音信号生成部 1 0は、マイクロホンなどから構成されており、外部からの音を検出して増幅することにより音信号を生成する。

振動信号生成部 2 0は、キヤリァ信号を生成するキヤリァ信号発生部 2 2と、キヤリァ信号の周波数、振幅およびタイミング（位相）を調整可能な入力部 2 4 と、音信号生成部 1 0において生成された音信号に基づいてキャリア信号を変調することにより振動信号を生成するキヤリァ信号変調部 2 6とを備えている。キャリァ信号の周波数は、高度の難聴者であっても良好な感音状態が得られるように、超音波領域である 2 0〜： 1 0 0 k H zであることが好ましく、 2 0〜5 0 k H zであることがより好ましい。したがって、入力部 2 4は、上記周波数域の一部または全部を含む範囲でキヤリァ信号の周波数を調整可能であることが好ましい。入力部 2 4は、例えば、周波数、振幅、位相をそれぞれ連続的に変化させることができるように、個別に調整可能なボリユームスィツチから構成することができる。

振動伝達部 3 0は、振動信号を機械的な振動として外部に伝達する振動子を複数備えている。図 3に示すように、振動伝達部 3 0は、振動子 3 1が収容された円筒状のケース 3 2を複数備えており、各ケース 3 2の開口縁に吸盤 3 4を取り付けて構成されている。各ケース 3 2は、可撓性を有する連結部材等により結合振動子 3 1は、ジンパル機構により、互いに直交する 2軸の回りに揺動可能に支持されている。即ち、振動子 3 1は、振動面を露出させるように第 1の枠体 4 0に固定されており、第 1の枠体 4 0は、第 1の支持軸 4 2を介して第 2の枠体 4 4に揺動自在に支持されている。そして、第 2の枠体 4 4は、第 1の支持軸 4 2と直交する第 2の支持軸 4 6を介してケース 3 2の内部に揺動自在に支持されている。振動子 3 1の振動面は、ケース 3 2の開口からわずかに突出しており、吸盤 3 4を所定の取付部位に吸着させると、振動子 3 1の振動面が被吸着面に接触して押圧するように構成されている。各ケース 3 2の底部（図の上部）中央には連通孔 3 2 aが形成されており、この連通孔 3 2 aに球状の袋状体 4 8が結合されている。袋状体 4 8はゴム材などの弾性材からなり、押圧により弹性変形可能に構成されている。袋状体 4 8の内部空間は、連通孔 3 2 aを介してケース 3 2の内部と連通している。

以上の構成を備えた外部音知覚装置において、振動信号生成部 2 0は、複数の振動子 3 1に対応して複数設けられており、各振動子 3 1に対してそれぞれ異なるキヤリァ信号に基づく振動信号を出力できるように構成されている。

次に、上記外部音知覚装置の作動について説明する。まず、複数の振動子 3 1 を、人体の所定部位（例えば、乳様突起の近傍）にそれぞれ取り付ける。各振動子 3 1〖ま、袋状体 4 8を手で摘んだ状態で所定部位に吸盤 3 4を押し付けることにより、ジンパル機構によって人体に確実に接触させることができる。この後、摘んでいた手を離すと、袋状体 4 8の形状復元力によりケース 3 2の内部が負圧になって吸着力が得られるので、振動子 3 1の取り付けを確実にすることができる。

この後、外部音知覚装置のスィッチを ONにして、外部音が入力されると、音信号生成部 1 0は、外部音を電気信号に変換して音信号を生成し、所定のレベルまで増幅した後に、振動信号生成部 2 0に向けて出力する。

振動信号生成部 2 0は、キヤリァ信号発生部 2 2力所定の振幅及び周波数を有するキャリア信号を生成し、キャリア信号変調部 2 6力このキャリア信号を音信号に基づいて変調することにより、振動信号を生成する。振動信号生成部 2' 0は、振動子 3 1毎に対応する振動信号を個別に生成し、振動伝達部 3 0に出力する。振動伝達部 3 0は、入力された振動信号に基づいて各振動子 3 1を振動させる。この結果、外部音に対応する超音波振動が人体に伝達される。なお、キヤリア信号変調部 2 6は、音信号が入力されない期間は；振動信号を出力しないように制御する。

振動伝達部 3 0からの超音波振動によって、頭部内に音圧分布が生じる。本実施形態にぉ、ては、振動伝達部 3 0の上記構成によつて振動子 3 1の経時的な位置ずれを効果的に防止することができるが、頭部内の音圧分布は、各振動子 3 1 の取り付け位置の僅かな相違によって大きく変化するため、感音状態が最適となる部位に各振動子 3 1を正確に取り付けることは困難である。そこで、本実施形態においては、各振動子 3 1に対応するキャリア信号の周波数、位相および振幅を入力部 2 4において個別に調整可能に構成しており、任意の振動子 3 1に対応する周波数、位相および振幅のいずれかを徐々に変化させることで、頭部内における音圧分布の微調整を可能にしている。この結果、超音波の干渉によって生じる腹及び節の位置を制御したり、超音波の焦点を絞って局所的に音圧を高めたりすることが可能になり、感音状態を容易且つ迅速に最適化することができる。感音状態を最適ィ匕するための具体的な方法は特に限定されるものではないが、例えば、以下の方法を挙げることができる。まず、複数の振動 3 1から発せられる超音波の振幅を小さめに設定し、感音状態が概ね良好となるようにそれぞれ乳様突起に対して適当に取り付けていくことで、各振動子 3 1の位置決めを行う。そして、感音状態がより良好となるように、各振動子 3 1の周波数及 Ό¾≥相を調整し、決定する。例えば振動子 3 1を 2個取り付けて使用する場合、各振動子 3 1に対応するキヤリァ信号の周波数を同時に変ィ匕させて、感音状態が最も良好になる周波数をそれぞれ設定する。この後、各振動子 3 1に対応するキャリア信号の位相にっレ、ても同様の方法で設定することにより、キヤリァ信号の最適な周波数及立相及を振動子 3 1毎に個別に得ることができ、感音状態を最適化することができる。周波数及立相の設定は、どちらが先であってもよい。最後に、所望の感音状態が得られるように、振幅を所望の大きさに設定する。

感音状態を最適化する方法としては、これ以外に、一方の振動子 3 1に対応するキャリア信号の周波数、位相及び振幅をそれぞれ所定値に維持したまま、他方の振動子 3 1に対応するキヤリァ信号の周波数、位相及び振幅を順次変ィ匕させて、感音状態を化することも可能である。この場合には、少なくとも 1つの振動子 3 1に対応するキヤリァ信号の周波数、位相及ぴ振幅を入力部 2 4にお、て調整可能に構成されてレヽればよレ、。

(実施例）

流体中の音場解析に用いられる時間領域有限差分法（F D T D法： Finite - Difference Time-Domain Method) を用いて、振動子により頭部内に形成される音場を計算により求め、各振動子に対応するキヤリァ信号の周波数及び位相の相違による音圧分布の変化を調べた。

具体的には、まず、標準的な日本人男性の頭部解剖図を参考に人体頭部モデルを作成し、この頭部モデルの左耳付近に判圣 5 mmの円形振動板を複数配置して、それが一様振動するものとして骨導音呈示を模擬した。蝸牛を含む X y平面の頭部モデルの断面図を図 4 (a) に示す。図 4における「I」、「Π」及ぴ「ΙΠ」は、それぞれ振動子 I、振動子 π及ぴ振動子 mの取り付け位置を示しており、「 I」が耳の前、「Π」が耳の後ろ、「ΙΠ」が耳の更に後ろである。音源に与える励振波形は、立ち上がり波にランプ関数をかけた連続正弦波とした。一例として、 30k Hzの励振波形を図 4 (b) に示す。

(条件 1 ) 周波数の相違による音圧分布の変ィ匕

上記頭部モデルにおいて振動子 I及び振動子 Πを使用し、振動子 Iの周波数を 30kHzに維持した状態で振動子 Πの周波数を変ィ匕させ、頭部内の音圧分布を調べた。振動子 I及び振動子 Πの位相は同じ（位相差 0) に設定した。図 5及び図 6は、図 4に示す頭部断面における音圧分布を濃淡で示したものであり、縦軸及び横軸の単位は _mmである。図 5 (a) 〜（d) は、振動子 Πの周波数が 15 kHz, 20 kHz, 30 kHz及び 30. 001 k H zの:^にそれぞれ対応しており、図 6 (a)〜（d) は、振動子 Πの周波数が 30. 01 kHz, 30. 1 kHz, 31 kHz及ぴ 32 kHzの場合にそれぞれ対応している。また、図 7及ぴ図 8は、それぞれ図 5及ぴ図 6に対応する周波数条件下での左の蝸牛における音圧（縦軸）の時間（横軸）変化を示している。

図 5〜図 8から明らかなように、振動子の励振周波数を徐々に変化させることにより、頭部内の音圧分布及び所定部位における感音レベルも徐々に変化する。このように、一方の振動子に対応するキヤリァ信号の周波数を調節することにより、感音状態を制御可能である。

(条件 2 ) 位相の相違による音圧分布の変ィ匕

上記頭部モデルにおいて振動子 I及び振動子 Πを使用し、振動子 I及び振動子 Πの周波数を 30kHzに維持した状態で振動子 Iと振動子 Πとの位相差を生じさせ、頭部内の音圧分布を調べた。図 9〜図 12は、図 4に示す断面での音圧分布を濃淡で示したものであり、縦軸及び横軸の単位は mmである。図 9 (a) 〜 ( c )は、振動子 Iの位相に対する振動子 Πの位相の遅れが、それぞれ 180° , 150° 及び 120° の場合にそれぞれ対応しており、図 10 (a)〜（c)は、振動子 Iの位相に対する振動子 Πの位相の遅れ力それぞれ 90° ， 60° 及び 30° の場合にそれぞれ対応している。また、図 11 (a) 〜（c) は、振動子 Iの位相に対する振動子 Πの位相の進みが、それぞれ 180° ， 150° 及ぴ 1 20° の場合にそれぞれ対応しており、図 12 (a) 〜（c) は、振動子 Iの位相に対する振動子 Πの位相の進みが、それぞれ 90° ， 60° 及び 30° の場合にそれぞれ対応している。また、図 13〜図 16は、それぞれ図 9〜図 12に対応する周波数条件下での左の蝸牛における音圧（縦軸）の時間（横軸）変化を示している。

図 9〜図 16から明らかなように、複数の振動子における励振波形間の位相差を徐々に変化させることにより、頭部内の音圧分布及ぴ所定部位における感音レベルも徐々に変化する。このように、一方の振動子に対応するキヤリァ信号の位相を調節することにより、感音状態を制御可能である。

(条件 3 ) 取付位置の相違による音圧分布の変化

上記頭部モデルにおいて、 3つの振動子（振動子 i、振動子 π及び振動子 m) カゝら使用する 2以上の振動子の組み合わせを変えて、頭部内の音圧分布を調べた。図 17は、図 4に示す断面での音圧分布を濃淡で示したものであり、縦軸及び横軸の単位は mmである。図 17 (a) 〜（d) は、振動子 I · Π、振動子 Π · ΙΠ、振動子 I ·ΠΙ及び振動子 I · Π · ΠΙの各組み合わせに対応している。また、図 1 8は、図 17に対応する各条件下での左の蝸牛における音圧（縦軸）の時間（横軸）変化を示している。各振動子の周波数は 30 k H zであり、位相差は 0とした。

図 17及び図 18から明らかなように、振動子の取り付け位置が僅かに異なるだけで、音圧分布及び所定部位における音圧レベルが大きく変ィ匕している。このように、振動子の取り付け位置を変えることにより感音状態を最適化することは困難である。

(条件 4 ) 音による音圧分布

上記条件 3において、各振動子の周波数を 3 k H zとする他は同様の条件下で頭部内の音圧分布を調べた。図 19 (a) 〜（d) は、振動子 I · Π、振動子 Π · ΙΠ、振動子 I · ΠΙ及び振動子 I · Π · mの各組み合わせに対応している。また、図 2 0は、図 1 9に対応する各条件下での左の蝸牛における音圧（縦軸）の時間 (横軸）変化を示している。

図 Γ 9及ぴ図 2 0力ら明らかなように、振動子の取り付け位置が変ィ匕しても、音圧分布及び所定部位における音圧レベルはほとんど変ィ匕しない。このように、可聴音の場合には、振動子の取り付け位置が感音状態に与える影響は少ない。

Claims

請求の範囲

1 . 外部音を超音波振動により知覚するための外部音知覚装置であって、入力された外部音に基づ、て音信号を生成する音信号生成手段と、

前記音信号に基づいてキヤリァ信号を変調することにより、振動信号を生成する振動信号生成手段と、

ΙίίΙΒ振動信号に基づヽて生体に超音波振動を伝達する振動伝達手段とを備え、前記振動伝達手段は、生体の所定位置に当接させた状態で固定可能な複数の振動子を備えており、

.前記振動信号生成手段は、前記振動子毎にそれぞれ異なる前記振動信号を生成可能に構成されて、る外部音知覚装置。

2. 前記振動信号生成手段は、少なくとも 1つの前記振動子に対応する前記キヤリァ信号の周波数及び/又は位相を調節可能な入力部を備える請求項 1に記載の

3. 前記入力部は、 2 0〜1 0 0 k H zの周波数域の一部又は全部を含む範囲で前記キヤリァ信号の周波数を調整可能に構成されている請求項 2に記載の外部音

4. 前記入力部は、周波数、振幅及立相をそれぞれ連続的に変ィ匕させることができるように、個別に調整可能なボリユームスィツチを備える請求項 2に記載の