WO2023074594A1 - 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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acoustic signal
signal processing
output
processing device
signal
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芳樹 長谷
和希 高澤
公一 小川
佳主馬 前田
達也 柳川
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ピクシーダストテクノロジーズ株式会社
塩野義製薬株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a signal processing device, a cognitive function improvement system, a signal processing method, and a program.
  • Gamma waves refer to those whose frequency is included in the gamma band (25 to 140 Hz) among nerve vibrations obtained by capturing periodic nerve activity in the cortex of the brain by electrophysiological techniques such as electroencephalograms and magnetoencephalography.
  • U.S. Patent No. 5,300,000 discloses adjusting the volume by increasing or decreasing the amplitude of sound waves or soundtracks to create rhythmic stimulation corresponding to stimulation frequencies that induce brain wave entrainment.
  • Multi-sensory Gamma Stimulation Ameliorates Alzheimer's-Associated Pathology and Improvements Cognition Cell 2019 Apr 4;177(2):256-271.e22. doi: 10.1016/j.cell.2019.02.014.
  • the purpose of the present disclosure is to change the amplitude of the acoustic signal while suppressing discomfort given to the listener.
  • a signal processing device includes means for receiving an input acoustic signal, and amplitude-modulating the received input acoustic signal to have an amplitude change corresponding to a gamma wave frequency, and an amplitude waveform envelope means for generating an output acoustic signal whose rise and fall are asymmetric; and means for outputting the generated output acoustic signal.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an acoustic system of this embodiment
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a signal processing device according to an embodiment
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of one aspect of the present embodiment
  • FIG. 4 is a diagram showing a first example of an amplitude waveform of an output acoustic signal
  • FIG. 10 is a diagram showing a second example of an amplitude waveform of an output acoustic signal
  • FIG. 10 is a diagram showing a third example of an amplitude waveform of an output acoustic signal; It is a figure which shows the result of experiment. It is a figure which shows the whole acoustic signal processing flow by the signal processing apparatus of this embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing experimental results of electroencephalogram induction by sound stimulation.
  • FIG. 4 is a diagram showing the correlation between results of psychological experiments and electroencephalogram measurements;
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the acoustic system of this embodiment.
  • the sound system 1 includes a signal processing device 10, a sound output device 30, and a sound source device 50.
  • the signal processing device 10 and the sound source device 50 are connected to each other via a predetermined interface capable of transmitting acoustic signals.
  • the interface is, for example, SPDIF (Sony Philips Digital Interface), HDMI (High-Definition Multimedia Interface), pin connector (RCA pin), or an audio interface for headphones.
  • the interface may be a wireless interface using Bluetooth (registered trademark) or the like.
  • the signal processing device 10 and the sound output device 30 are similarly connected to each other via a predetermined interface.
  • the acoustic signal in this embodiment includes either or both of an analog signal and a digital signal.
  • the signal processing device 10 performs acoustic signal processing on the input acoustic signal acquired from the sound source device 50 .
  • Acoustic signal processing by the signal processing device 10 includes at least modulation processing of an acoustic signal (details will be described later).
  • the acoustic signal processing by the signal processing device 10 may include conversion processing (for example, separation, extraction, or synthesis) of acoustic signals.
  • the acoustic signal processing by the signal processing device 10 may further include acoustic signal amplification processing similar to that of an AV amplifier, for example.
  • the signal processing device 10 sends the output acoustic signal generated by the acoustic signal processing to the acoustic output device 30 .
  • the signal processing device 10 is an example of an information processing device.
  • the sound output device 30 generates sound according to the output sound signal acquired from the signal processing device 10 .
  • the sound output device 30 is, for example, a loudspeaker (which may include powered speakers), headphones, or earphones.
  • the sound output device 30 can also be configured as one device together with the signal processing device 10 .
  • the signal processing device 10 and the sound output device 30 can be mounted on a TV, radio, music player, AV amplifier, speaker, headphone, earphone, smart phone, or PC.
  • the signal processing device 10 and the sound output device 30 constitute a cognitive function improvement system.
  • the sound source device 50 sends out the input acoustic signal to the signal processing device 10 .
  • the sound source device 50 is, for example, a TV, a radio, a music player, a smart phone, a PC, an electronic musical instrument, a telephone, a game machine, a game machine, or a device that conveys an acoustic signal by broadcasting or information communication.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the signal processing device of this embodiment.
  • the signal processing device 10 includes a storage device 11, a processor 12, an input/output interface 13, and a communication interface 14.
  • the signal processing device 10 is connected to the display 21 .
  • the storage device 11 is configured to store programs and data.
  • the storage device 11 is, for example, a combination of ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), and storage (eg, flash memory or hard disk).
  • the program and data may be provided via a network, or may be provided by being recorded on a computer-readable recording medium.
  • Programs include, for example, the following programs. ⁇ OS (Operating System) program ⁇ Application program that executes information processing
  • the data includes, for example, the following data. ⁇ Databases referenced in information processing ⁇ Data obtained by executing information processing (that is, execution results of information processing)
  • the processor 12 is a computer that implements the functions of the signal processing device 10 by reading and executing programs stored in the storage device 11 . At least part of the functions of the signal processing device 10 may be realized by one or more dedicated circuits.
  • Processor 12 is, for example, at least one of the following: ⁇ CPU (Central Processing Unit) ⁇ GPU (Graphic Processing Unit) ⁇ ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ⁇ FPGA (Field Programmable Array) ⁇ DSP (digital signal processor)
  • the input/output interface 13 is configured to acquire user instructions from input devices connected to the signal processing apparatus 10 and to output information to output devices connected to the signal processing apparatus 10 .
  • the input device is, for example, the sound source device 50, physical buttons, keyboard, pointing device, touch panel, or a combination thereof.
  • the output device is, for example, display 21, sound output device 30, or a combination thereof.
  • the input/output interface 13 may include signal processing hardware such as A/D converters, D/A converters, amplifiers, mixers, filters, and the like.
  • the communication interface 14 is configured to control communication between the signal processing device 10 and an external device (for example, the sound output device 30 or the sound source device 50).
  • an external device for example, the sound output device 30 or the sound source device 50.
  • the display 21 is configured to display images (still images or moving images).
  • the display 21 is, for example, a liquid crystal display or an organic EL display.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of one aspect of the present embodiment.
  • the signal processing device 10 modulates an input acoustic signal to generate an output acoustic signal.
  • Modulation is amplitude modulation using a modulation function having a frequency corresponding to gamma waves (for example, frequencies between 35 Hz and 45 Hz).
  • a modulation function having a frequency corresponding to gamma waves (for example, frequencies between 35 Hz and 45 Hz).
  • an amplitude change (volume intensity) corresponding to the frequency is added to the acoustic signal.
  • the amplitude waveforms of the output acoustic signals are different. Examples of amplitude waveforms will be described later.
  • the signal processing device 10 sends the output acoustic signal to the acoustic output device 30 .
  • the sound output device 30 generates an output sound according to the output sound signal.
  • a user US1 listens to the output sound emitted from the sound output device 30.
  • the user US1 is, for example, a patient with dementia, a pre-dementia group, or a healthy person who expects prevention of dementia.
  • the output acoustic signal is based on an output acoustic signal that has been modulated using a modulation function with a periodicity between 35 Hz and 45 Hz. Therefore, when the user US1 listens to the sound emitted from the sound output device 30, gamma waves are induced in the brain of the user US1. As a result, an effect of improving the cognitive function of the user US1 (for example, treating or preventing dementia) can be expected.
  • FIG. 4 is a diagram showing a first example of the amplitude waveform of the output acoustic signal.
  • A(t) be the modulation function used to modulate the input acoustic signal
  • X(t) be the function representing the waveform of the input acoustic signal before modulation
  • Y be the function representing the waveform of the output acoustic signal after modulation.
  • the modulation function has a reverse sawtooth waveform at 40 Hz.
  • the input acoustic signal is an acoustic signal representing a homogeneous sound with a constant frequency higher than 40 Hz and a constant sound pressure.
  • the envelope of the amplitude waveform of the output acoustic signal has a shape along the reverse sawtooth wave.
  • the amplitude waveform of the output acoustic signal has an amplitude change corresponding to the frequency of the gamma wave, and the rising portion C and the falling portion B of the envelope A of the amplitude waveform are It is asymmetrical (that is, the rising time length and the falling time length are different).
  • the rise of the envelope A of the amplitude waveform of the output acoustic signal in the first example is steeper than the fall. In other words, the time required for rising is shorter than the time required for falling.
  • the amplitude value of the envelope A sharply rises to the maximum value of amplitude and then gradually falls with the lapse of time. That is, the envelope A has a reverse sawtooth wave shape.
  • FIG. 5 is a diagram showing a second example of the amplitude waveform of the output acoustic signal.
  • the modulation function has a sawtooth waveform at 40 Hz.
  • the input acoustic signal is an acoustic signal representing a homogeneous sound with a constant frequency higher than 40 Hz and a constant sound pressure.
  • the envelope of the amplitude waveform of the output acoustic signal has a shape along the sawtooth wave. Specifically, as shown in FIG. 5, the fall of the envelope A of the amplitude waveform of the output acoustic signal in the second example is steeper than the rise. In other words, the time required for falling is shorter than the time required for rising. The amplitude value of the envelope A gradually rises over time to the maximum value of the amplitude, and then sharply falls. That is, the envelope A has a sawtooth waveform.
  • FIG. 6 is a diagram showing a third example of the amplitude waveform of the output acoustic signal.
  • the modulation function has a sinusoidal waveform at 40 Hz.
  • the input acoustic signal is an acoustic signal representing a homogeneous sound with a constant frequency higher than 40 Hz and a constant sound pressure.
  • the envelope of the amplitude waveform of the output acoustic signal has a shape along the sine wave. Specifically, as shown in FIG.
  • both the rise and fall of the envelope A of the amplitude waveform of the output acoustic signal in the third example are smooth. That is, the envelope A is sinusoidal.
  • the modulation function has a periodicity of 40 Hz, but the frequency of the modulation function is not limited to this, and may be, for example, a frequency of 35 Hz or more and 45 Hz or less.
  • the absolute value of the amplitude value of the envelope A is periodically set to 0, but this is not limiting, and the minimum absolute value of the amplitude value of the envelope A is A modulation function that results in a value greater than 0 (eg, half or quarter the maximum absolute value) may be used.
  • the sound pressure and frequency of the input acoustic signal are constant in the examples shown in FIGS. 4 to 6, the sound pressure and frequency of the input acoustic signal may vary.
  • the input audio signal may be a signal representing music, speech, environmental sounds, electronic sounds, or noise.
  • the envelope of the amplitude waveform of the output acoustic signal is strictly different in shape from the waveform representing the modulation function, but the envelope has a rough shape similar to that of the waveform representing the modulation function (for example, a reverse sawtooth wave, a sawtooth wave, etc.). wavy or sinusoidal), and can provide the listener with the same auditory stimulus as when the sound pressure and frequency of the input acoustic signal are constant.
  • Example A An experiment in which the subject answers the discomfort when hearing multiple types of output sounds corresponding to different modulation functions and input acoustic signals
  • Example B Multiple types corresponding to different modulation functions and input acoustic signals
  • FIG. 7 is a diagram showing the results of the experiment.
  • the induction of gamma waves was confirmed in all modulated waveform patterns. Therefore, it can be expected that gamma waves are induced in the brain of the user US1 when the user US1 listens to the sound emitted from the sound output device 30 in the present embodiment. By inducing gamma waves in the brain of the user US1, an effect of improving the cognitive function of the user US1 (for example, treatment or prevention of dementia) can be expected. Further, it was confirmed that the waveform patterns of the first to third examples caused less discomfort than the waveform pattern of the fourth example.
  • the discomfort given to the listener when listening to the sound is suppressed more than when using the acoustic signal composed of a simple pulse wave. can be expected to be
  • FIG. 9 shows a list of sound stimuli (output sounds) used in this experiment.
  • Column 901 shows the identification number of the sound stimulus (hereinafter referred to as “stimulus number”)
  • column 902 shows the frequency of the sound signal (sine wave) before modulation
  • column 903 shows the presence or absence of modulation and the modulation function used for modulation.
  • column 904 shows the frequency of the modulation function
  • column 905 shows the modulation index.
  • m is the degree of modulation, and 0.00, 0.50 and 1.00 are used.
  • fm is a modulation frequency, and 20 Hz, 40 Hz and 80 Hz are used.
  • t is the time.
  • a sinusoidally modulated sound stimulus corresponds to the third example of the amplitude waveform described above.
  • stimulus numbers "07” and "08” are a sawtooth-wave-modulated sound stimulus and a reverse sawtooth-wave-modulated sound stimulus, respectively.
  • Envelopes of sawtooth wave modulation and inverse sawtooth wave modulation are represented by equations (2) and (3), respectively.
  • the modulation degree m was set to 1.00, and the modulation frequency fm was set to 40 Hz.
  • a sawtooth-wave-modulated sound stimulus and an inverse sawtooth-wave-modulated sound stimulus correspond to the second and first examples of amplitude waveforms described above, respectively.
  • the sawtooth function used here is a discontinuous function that repeatedly increases linearly from -1 to 1 and then instantly returns to -1.
  • the stimuli used in the experiments were adjusted to have equal equivalent noise levels (Laeq) after modulation.
  • the 40-Hz sine wave of stimulus number "01" has a sound pressure level 34.6 dB higher than that of 1 kHz when the equivalent noise level is uniform, but this makes the auditory loudness uniform.
  • Non-Patent Document 1 the stimulus used in the study of Non-Patent Document 1 (1 kHz sine wave with a taper of 0.3 ms before and after was repeated at a period of 40 Hz) was used as a comparison target ( stimulus number "09").
  • This pulse wave-like sound stimulation corresponds to the fourth example of the amplitude waveform described above.
  • This stimulus also had the same equivalent noise level as the stimulus numbers "01" to "08".
  • taper processing was applied for 0.5 seconds each before and after the stimulation. By performing the taper processing at the end in this manner, the equivalent noise level in the steady section is strictly maintained.
  • the duration of stimulation was 10 seconds for psychological experiments and 30 seconds for electroencephalogram measurements.
  • the experiment was conducted in the same quiet, magnetically shielded room as the electroencephalogram measurement experiment, with headphone presentation.
  • An LCD display was installed in front of the experiment participants, and a GUI was prepared for psychological evaluation. All responses were made by mouse operation.
  • the degree of discomfort and irritation when listening to each sound stimulus were evaluated on a 7-point scale. Playback was limited to one time, and the UI was designed so that no response could be given until the 10-second stimulus had finished playing. The next stimulus was set to play automatically when the response was completed. It was also designed to automatically prompt you to take a break in the middle of the experiment.
  • an electroencephalogram measurement (equivalent to experiment B above) was performed. Measurements were performed in a quiet, magnetically shielded room. The length of the stimulus used, including the taper, was 30 seconds. During the experiment, stimuli with the same treatment were presented twice. The interstimulus interval was 5 seconds, and the order of presentation was random. Experimental participants were instructed to move as little as possible and blink as little as possible during the presentation of the stimuli. In addition, a silent short animation video was played on an LCD monitor, and the level of consciousness was controlled to be constant and the level of attention to be stably lowered. Participants in the experiment were asked to choose a video from among those prepared in advance. In addition to the A1 and A2 reference electrodes, the experimental participants were provided with active electrodes at the positions of the Fp1, Fp2, F3, F4, T3, T4, T5, T6, Cz and Pz channels of the 10-20 method, respectively.
  • the measured EEG waveform was analyzed after the experiment. First, of the 30-second stimulus presentation interval, the area taper of 1 second before and after was excluded from the analysis target. After that, 55 sections of 1 second were cut out while shifting by 0.5 seconds. Since the same processing is performed twice, the analysis target is 110 sections. FFT was performed by applying a Hann window to each of these 110 waveforms. Since the window is moved half by half and the Hann window is applied, the data at all times are treated equally as a result.
  • FIG. 10 is a diagram showing experimental results of electroencephalogram evoked by sound stimulation. Specifically, FIG. 10 shows the power ratio of the 40 Hz component of the electroencephalogram evoked by each stimulus in the T6 channel. Values and error bars in the graph are the mean and standard deviation for all experimental participants. ANOVA confirmed a significant difference in stimulation (p ⁇ 0.01).
  • both the sawtooth wave modulation (stimulus number "07”) and the inverse sawtooth wave modulation (stimulus number "08") were significantly different from the unmodulated 1 kHz sine wave (stimulus number "05"). Also, no significant difference was found between these two stimuli. Therefore, it is shown that even a sound of 1 kHz, not a low frequency sound of 40 Hz, can induce a brain wave component of 40 Hz in the brain by setting the amplitude envelope curve of the modulation function to 40 Hz.
  • the pulsed stimulus (stimulus number '09') was also significantly different from the unmodulated 1 kHz sinusoidal wave (stimulus number '05').
  • FIG. 11 is a diagram showing the correlation between the results of psychological experiments and electroencephalogram measurements. Specifically, FIG. 11 shows the relationship between the degree of discomfort and the 40 Hz electroencephalogram component ratio.
  • stimulus number "08” which is a stimulus obtained by modulating a sine wave with a reverse sawtooth wave
  • the degree of discomfort is significantly lower than that of stimulus number "09”, but the 40 Hz electroencephalogram ratio
  • stimulation number "06” which is a stimulus obtained by modulating a sine wave with a sine wave of 80 Hz
  • the decrease in the degree of discomfort is small, but the decrease in the 40 Hz electroencephalogram is significant.
  • stimulus number "07” which is a sine wave modulated by sawtooth wave modulation, has lower discomfort and a 40-Hz electroencephalogram ratio than stimulus number "09", which is pulse-type stimulation.
  • the degree of discomfort is slightly higher and the 40 Hz electroencephalogram ratio is smaller.
  • Stimulus number "03” which is a stimulus obtained by modulating a 1 kHz sine wave with a 40 Hz sine wave at a modulation degree of 100%, has a lower discomfort level and a 40 Hz electroencephalogram ratio than stimulus number "09”, which is a pulse-type stimulus, and has a reverse sawtooth wave.
  • the degree of discomfort is slightly smaller and the 40 Hz electroencephalogram ratio is smaller.
  • FIG. 8 is a diagram showing the overall flow of acoustic signal processing by the signal processing device 10 of this embodiment.
  • the processing in FIG. 8 is implemented by the processor 12 of the signal processing device 10 reading and executing the program stored in the storage device 11 .
  • At least part of the processing in FIG. 8 may be realized by one or more dedicated circuits.
  • the acoustic signal processing in FIG. 8 is started when any of the following start conditions is satisfied. -
  • the audio signal processing of FIG. 8 was called by another process or an instruction from the outside.
  • the user performed an operation to call the acoustic signal processing in FIG. -
  • the signal processing device 10 has entered a predetermined state (for example, the power has been turned on). ⁇ The specified date and time has arrived. - A predetermined time has passed since a predetermined event (for example, activation of the signal processing device 10 or previous execution of the acoustic signal processing in FIG. 8).
  • the signal processing device 10 acquires an input acoustic signal (S110). Specifically, the signal processing device 10 receives an input acoustic signal sent from the sound source device 50 . In step S110, the signal processing device 10 may further perform A/D conversion of the input acoustic signal.
  • the input acoustic signal corresponds, for example, to at least one of the following.
  • - Music content e.g., singing, playing, or a combination thereof (i.e., music), which may include audio content that accompanies video content).
  • - Audio content for example, reading, narration, announcement, broadcast play, solo performance, conversation, monologue, or a combination thereof, etc., may include audio content accompanying video content
  • Other acoustic content e.g., electronic, ambient, or mechanical sounds
  • singing or audio content is not limited to sounds produced by human vocal organs, but may include sounds generated by speech synthesis technology.
  • the signal processing apparatus 10 determines the modulation method used to generate the output acoustic signal from the input acoustic signal acquired in step S110.
  • the modulation method determined here includes, for example, at least one of a modulation function used for modulation processing and a modulation index corresponding to the degree of amplitude change due to modulation.
  • the signal processing device 10 selects which one of the three types of modulation functions described with reference to FIGS. 4 to 6 is to be used. Which modulation function to select may be determined based on an input operation by the user or others, an instruction from the outside, or may be determined by an algorithm.
  • the other person is, for example, at least one of the following.
  • ⁇ The user's family, friends, or acquaintances ⁇ Medical personnel (for example, the user's doctor) - The creator or provider of the content corresponding to the input audio signal - The provider of the signal processing device 10 - The manager of the facility used by the user
  • the signal processing device 10 for example, the characteristics of the input acoustic signal (balance between voice and music, volume change, type of music, timbre, or other characteristics) and user attribute information (age, gender, hearing ability, cognitive function level,
  • the modulation method may be determined based on at least one of user identification information and other attribute information.
  • the signal processing apparatus 10 can determine the modulation method so that the effect of improving the cognitive function by modulation becomes higher, or determine the modulation method so as to make the user less uncomfortable.
  • the signal processing device 10 may determine the modulation method according to a timer. By periodically changing the modulation method according to the timer, it is possible to prevent the user from becoming accustomed to listening to the modulated sound, and to efficiently stimulate the user's brain. Further, the signal processing device 10 may determine the volume of the output acoustic signal according to various conditions, similar to determining the modulation method.
  • the signal processing apparatus 10 may decide not to perform modulation (that is, set the degree of modulation to 0) as one of the options for the modulation method. Further, the signal processing apparatus 10 may determine the modulation method so that the modulation is performed when a predetermined time has elapsed after the modulation method is determined so as not to perform the modulation. Furthermore, the signal processing apparatus 10 may determine the modulation method so that the degree of modulation gradually increases when changing from a state in which no modulation is performed to a state in which modulation is performed.
  • the signal processing apparatus 10 modulates the input acoustic signal (S112) to generate an output acoustic signal. Specifically, the signal processing apparatus 10 performs modulation processing according to the modulation method determined in S111 on the input acoustic signal acquired in S110. As an example, the signal processing device 10 amplitude-modulates the input acoustic signal using a modulation function having a frequency corresponding to a gamma wave (for example, a frequency of 35 Hz or more and 45 Hz or less). As a result, an amplitude change corresponding to the frequency is added to the input acoustic signal. In step S112, the signal processing device 10 may further perform at least one of amplification, volume control, and D/A conversion of the output acoustic signal.
  • the signal processing device 10 transmits an output acoustic signal (S113). Specifically, the signal processing device 10 sends the output sound signal generated in step S112 to the sound output device 30 . The sound output device 30 generates sound according to the output sound signal. The signal processing device 10 ends the acoustic signal processing in FIG. 8 at step S113.
  • the signal processing apparatus 10 may collectively perform the processing in FIG. 8 for an input sound signal having a certain reproduction period (for example, music content of one piece of music), or may perform the processing for each predetermined reproduction period of the input sound signal. The process of FIG. 8 may be repeated (for example, every 100 ms).
  • the signal processing device 10 may continuously perform modulation processing on an input acoustic signal, such as modulation by analog signal processing, and output a modulated acoustic signal.
  • the processing shown in FIG. 8 is terminated according to a specific termination condition (for example, a certain period of time has passed, a user operation has been performed, or the output history of modulated sound has reached a predetermined state). You may The order of processing by the signal processing device 10 is not limited to the example shown in FIG. 8, and for example, the determination of the modulation method (S111) may be performed before the acquisition of the input acoustic signal (S110).
  • the signal processing apparatus 10 of the present embodiment performs amplitude modulation on an input acoustic signal to generate an output acoustic signal having an amplitude change corresponding to the gamma wave frequency. Generate. In the output acoustic signal, the rise and fall of the envelope of the amplitude waveform are asymmetrical.
  • the signal processing device 10 outputs the generated output acoustic signal to the acoustic output device 30 .
  • the amplitude of the acoustic signal can be increased or decreased in a predetermined cycle while suppressing discomfort given to the listener.
  • the sound output device 30 causes the user to listen to the sound corresponding to the output sound signal, thereby inducing gamma waves in the user's brain due to fluctuations in the amplitude of the output sound signal.
  • the effect of improving the user's cognitive function for example, treating or preventing dementia
  • the output acoustic signal may have amplitude changes corresponding to frequencies between 35 Hz and 45 Hz. As a result, when the user hears the sound corresponding to the output acoustic signal, it can be expected that gamma waves will be induced in the user's brain.
  • the input audio signal may be an audio signal corresponding to music content.
  • the motivation of the user to listen to the sound corresponding to the output acoustic signal can be improved.
  • the storage device 11 may be connected to the signal processing device 10 via the network NW.
  • the display 21 may be built in the signal processing device 10 .
  • the signal processing device 10 may extract a part of the acoustic signal from the input acoustic signal, modulate only the extracted acoustic signal, and then generate the output acoustic signal.
  • the signal processing device 10 modulates an input acoustic signal and generates an output acoustic signal is sent to the acoustic output device 30 .
  • the signal processing device 10 generates an output acoustic signal by synthesizing a modulated input acoustic signal obtained by modulating the input acoustic signal with other acoustic signals, and converts the generated output acoustic signal into an acoustic signal. It may be sent to the output device 30 . Further, the signal processing device 10 may send the modulated input acoustic signal and other acoustic signals to the acoustic output device 30 at the same time without synthesizing them.
  • the envelope of the amplitude waveform is a reverse sawtooth wave or a sawtooth wave, and the rise and fall of the envelope are asymmetrical.
  • the output acoustic signal generated by the signal processing device 10 is not limited to these, and may have other amplitude waveforms in which the rise and fall of the envelope of the amplitude waveform are asymmetrical.
  • the slope of the tangent to the envelope may gradually decrease, or the slope of the tangent to the envelope may gradually increase.
  • the slope of the tangent to the envelope may gradually decrease, or the slope of the tangent to the envelope may gradually increase.
  • the modulation function has a frequency of 35 Hz or more and 45 Hz or less
  • the modulation function used by the signal processing device 10 is not limited to this, and any modulation function that affects the induction of gamma waves in the brain of the listener may be used.
  • the modulation function may have frequencies between 25 Hz and 140 Hz.
  • the frequency of the modulating function may change over time, and the modulating function may have a frequency below 35 Hz or a frequency above 45 Hz in part.
  • the output sound signal generated by the signal processing device 10 is output to the sound output device 30 that emits a sound corresponding to the output sound signal and is heard by the user.
  • the output destination of the output acoustic signal by the signal processing device 10 is not limited to this.
  • the signal processing device 10 may output the output acoustic signal to an external storage device or information processing device via a communication network or by broadcasting.
  • the signal processing device 10 may output the input acoustic signal that has not been modulated together with the output acoustic signal generated by the modulation processing to an external device.
  • the external device can arbitrarily select and reproduce one of the unmodulated acoustic signal and the modulated acoustic signal.
  • the signal processing device 10 may output information indicating the content of modulation processing to an external device together with the output acoustic signal.
  • Information indicating the content of modulation processing includes, for example, any of the following.
  • Information indicating the modulation function Information indicating the degree of modulation Information indicating the volume With this, the external device can change the reproduction method of the acoustic signal according to the content of the modulation processing. Further, when the signal processing device 10 acquires additional information (for example, an ID3 tag in an MP3 file) together with the input sound signal, the signal processing device 10 may change the additional information and output it to the external device together with the output sound signal.
  • Non-Patent Document 1 discloses that when 40-Hz sound stimulation induces gamma waves in the brain, amyloid ⁇ is reduced and cognitive function is improved. That is, by making the user hear the sound corresponding to the output acoustic signal output by the signal processing device 10, the amount of amyloid ⁇ in the brain of the user is reduced and the deposition is suppressed. It is expected to be useful for the prevention or treatment of various diseases.
  • CAA cerebral amyloid angiopathy
  • CAA is a disease in which amyloid ⁇ protein deposits on the walls of small blood vessels in the brain, making the walls of blood vessels fragile and causing cerebral hemorrhage and the like.
  • the technology described in the above embodiments can be an innovative therapeutic method. That is, the sound system 1 comprising the signal processing device 10 and the sound output device 30 for allowing the user to hear a sound corresponding to the output sound signal output by the signal processing device 10 is used for treatment or prevention of cerebral amyloid angiopathy. It can also be used as a medical system for
  • Sound system 10 Signal processing device 11: Storage device 12: Processor 13: Input/output interface 14: Communication interface 21: Display 30: Sound output device 50: Sound source device

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Abstract

信号処理装置は、入力音響信号を受け付ける手段と、受け付けた入力音響信号を振幅変調することで、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、生成された出力音響信号を出力する手段と、を備える。

Description

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
　本開示は、信号処理装置、認知機能改善システム、信号処理方法、及びプログラムに関する。
　１秒間に４０回程度の頻度でパルス性の音刺激を生物に知覚させ、生物の脳内でガンマ波を誘発させると、生物の認知機能改善に効果があるという研究報告がある（非特許文献１参照）。
　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。
　特許文献１には、脳波の同調を誘導する刺激周波数に相当する律動的な刺激を作成するために、音波またはサウンドトラックの振幅を増大または減少させることにより、音量を調節することが開示されている。
特表2020-501853号公報
Multi-sensory Gamma Stimulation Ameliorates Alzheimer’s-Associated Pathology and Improves Cognition Cell 2019 Apr 4;177(2):256-271.e22.  doi: 10.1016/j.cell.2019.02.014.
　しかしながら、音響信号の振幅を増減させた場合の振幅波形としてどのような波形が望ましいかについては、十分な検討がなされていない。同じ周波数の周期性を有する音響信号であっても、振幅波形の特徴によって、認知機能の改善効果の高さや聴者に与える不快感が異なることが考えられる。
　本開示の目的は、聴者に与える不快感を抑制しながら音響信号の振幅を変化させることである。
　本開示の一態様の信号処理装置は、入力音響信号を受け付ける手段と、受け付けた入力音響信号を振幅変調することで、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、生成された出力音響信号を出力する手段と、を備える。
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。 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。 本実施形態の一態様の説明図である。 出力音響信号の振幅波形の第１例を示す図である。 出力音響信号の振幅波形の第２例を示す図である。 出力音響信号の振幅波形の第３例を示す図である。 実験の結果を示す図である。 本実施形態の信号処理装置による音響信号処理の全体フローを示す図である。 実験で使用した音刺激のリストを示す図である。 音刺激による脳波惹起の実験結果を示す図である。 心理実験と脳波測定の結果の相関を示す図である。
　以下、本発明の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
（１）音響システムの構成
　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。
　図１に示すように、音響システム１は、信号処理装置１０と、音響出力装置３０と、音源装置５０とを備える。
　信号処理装置１０と音源装置５０は、音響信号を伝送可能な所定のインタフェースを介して互いに接続される。インタフェースは、例えば、SPDIF（Sony Philips Digital Interface）、HDMI（登録商標）（High-Definition Multimedia Interface）、ピンコネクタ（RCAピン）、またはヘッドホン用のオーディオインターフェースである。インタフェースは、Bluetooth（登録商標）などを用いた無線インタフェースであってもよい。信号処理装置１０と音響出力装置３０は同様に、所定のインタフェースを介して互いに接続される。本実施形態における音響信号は、アナログ信号とデジタル信号との何れか又は両方を含む。
　信号処理装置１０は、音源装置５０から取得した入力音響信号に対して音響信号処理を行う。信号処理装置１０による音響信号処理は、少なくとも音響信号の変調処理（詳細は後述する。）を含む。また、信号処理装置１０による音響信号処理は、音響信号の変換処理（例えば、分離、抽出、または合成）を含み得る。さらに、信号処理装置１０による音響信号処理は、例えばＡＶアンプと同様の音響信号の増幅処理をさらに含み得る。信号処理装置１０は、音響信号処理によって生成した出力音響信号を音響出力装置３０へ送出する。信号処理装置１０は、情報処理装置の一例である。
　音響出力装置３０は、信号処理装置１０から取得した出力音響信号に応じた音を発生させる。音響出力装置３０は、例えば、ラウドスピーカ（アンプ内蔵スピーカ（パワードスピーカ）を含み得る。）、ヘッドホン、またはイヤホンである。
　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。
　音源装置５０は、入力音響信号を信号処理装置１０へ送出する。音源装置５０は、例えば、ＴＶ、ラジオ、音楽プレーヤ、スマートフォン、ＰＣ、電子楽器、電話機、ゲーム機、遊技機、または、放送もしくは情報通信により音響信号を搬送させる装置である。
（１－１）信号処理装置の構成
　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。
　図２に示すように、信号処理装置１０は、記憶装置１１と、プロセッサ１２と、入出力インタフェース１３と、通信インタフェース１４とを備える。信号処理装置１０は、ディスプレイ２１に接続される。
　記憶装置１１は、プログラム及びデータを記憶するように構成される。記憶装置１１は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び、ストレージ（例えば、フラッシュメモリ又はハードディスク）の組合せである。プログラム及びデータは、ネットワークを介して提供されてもよいし、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録して提供されてもよい。
　プログラムは、例えば、以下のプログラムを含む。
・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
　データは、例えば、以下のデータを含む。
・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）
　プロセッサ１２は、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、信号処理装置１０の機能を実現するコンピュータである。なお、信号処理装置１０の機能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。プロセッサ１２は、例えば、以下の少なくとも１つである。
　・ＣＰＵ（Central Processing Unit）
　・ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）
　・ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）
　・ＦＰＧＡ（Field Programmable Array）
　・ＤＳＰ（digital signal processor）
　入出力インタフェース１３は、信号処理装置１０に接続される入力デバイスからユーザの指示を取得し、かつ、信号処理装置１０に接続される出力デバイスに情報を出力するように構成される。
　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。
　さらに、入出力インタフェース１３は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、増幅器、ミキサ、フィルタ、などの信号処理用ハードウェアを含み得る。
　通信インタフェース１４は、信号処理装置１０と外部装置（例えば、音響出力装置３０、または音源装置５０）との間の通信を制御するように構成される。
　ディスプレイ２１は、画像（静止画、または動画）を表示するように構成される。ディスプレイ２１は、例えば、液晶ディスプレイ、または有機ＥＬディスプレイである。
（２）実施形態の一態様
　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。
（２－１）実施形態の概要
　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。
　信号処理装置１０は、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出力音を発生させる。
　ユーザＵＳ１（「聴者」の一例）は、音響出力装置３０から発せられた出力音を聴く。ユーザＵＳ１は、例えば、認知症患者、認知症予備群、又は健常者であって認知症の予防を期待する者である。前述のように、出力音響信号は、３５Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下の周期性を有する変調関数を用いて変調された出力音響信号に基づいている。故に、ユーザＵＳ１が音響出力装置３０から発せられた音を聴くことで、ユーザＵＳ１の脳内においてガンマ波が誘発される。これにより、ユーザＵＳ１の認知機能の改善（例えば、認知症の治療、または予防）の効果が期待できる。
（２－２）振幅波形の第１例
　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。
（２－３）振幅波形の第２例
　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。
　第２例において、変調関数は４０Ｈｚの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、ノコギリ波に沿った形状となる。
　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。
（２－４）振幅波形の第３例
　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。
　図４から図６に示す例では、入力音響信号の音圧と周波数が一定であるものとしたが、入力音響信号の音圧と周波数は変化してもよい。例えば、入力音響信号は、音楽、音声、環境音、電子音又はノイズを表す信号であってもよい。この場合、出力音響信号の振幅波形の包絡線は厳密には変調関数を表す波形とは異なる形状となるが、包絡線の大まかな形状は変調関数を表す波形と同様（例えば逆ノコギリ波状、ノコギリ波状、又は正弦波状）となり、入力音響信号の音圧と周波数が一定である場合と同様の聴覚刺激を聴者に与えることができる。
（２－５）実験結果
（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。
　本実験では、以下の実験Ａから実験Ｃを順番に行った。
・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。）
　実験Ａでは、以下の項目についてどのくらい当てはまるかについて７段階尺度評価のアンケートを行った。
・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
　この実験では、上述した振幅波形の第１例、振幅波形の第２例、及び振幅波形の第３例にそれぞれ対応する変調関数を用いて変調された音響信号と、パルス波状の波形を有する第４例の音響信号とを用いて評価を行った。その結果を図７に示す。図７は、実験の結果を示す図である。
　図７に示すとおり、全ての変調波形パターンにおいて、ガンマ波の誘発が確認された。このことから、本実施形態において音響出力装置３０から発された音をユーザＵＳ１が聴くことで、ユーザＵＳ１の脳内においてガンマ波が誘発されることが期待できる。そして、ユーザＵＳ１の脳内にガンマ波を誘発させることで、ユーザＵＳ１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。また、第１例から第３例の波形パターンにおいて、第４例の波形パターンよりも不快感の程度が低いことが確認された。このことから、本実施形態において開示される変調関数により変調された音響信号を用いる場合、単純なパルス波からなる音響信号を用いる場合よりも、音を聞かせた際に聴者に与える不快感が抑制されることが期待できる。
　また、図７に示す通り、ガンマ波の誘発の程度は、第２例および第３例と比較して、第１例の波形パターンが最も高いことが確認された。一方、不快感の程度は、第３例が最も低く、第２例が最も高いことが確認された。このことから、本実施形態において信号処理装置１０が音響出力装置３０へ出力する出力音響信号の振幅波形の包絡線が逆ノコギリ波状になる場合に、聴者に与える不快感を抑制しながら高い認知機能改善効果を得られることが期待できる。また、本実施形態において信号処理装置１０が音響出力装置３０へ出力する出力音響信号の振幅波形の包絡線が正弦波状になる場合に、聴者に与える不快感がより抑制されることが期待できる。
（２－５―２）実験の詳細
　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。
　正弦波を用いた刺激群として９種類の刺激を用意した（刺激番号「０１」～「０９」）。まず、比較対象として、４０Ｈｚの正弦波を作成した（刺激番号「０１」）。この刺激は純粋な正弦波であり、変調はおこなわれていない。次に、１ｋＨｚ連続正弦波を変調した。変調は、１ｋＨｚ正弦波と以下の包絡線を乗じることでおこなった。包絡線には、通常の正弦波（いわゆるＡＭ変調）に加え、ノコギリ波と逆ノコギリ波を使用した。刺激番号「０２」～「０６」は正弦波変調された音刺激である。正弦波変調の包絡線は、式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ｍは変調度であり、０．００，０．５０，１．００を用いた。ｆｍは変調周波数であり、２０Ｈｚ，４０Ｈｚ，８０Ｈｚを用いた。ｔは時刻である。正弦波変調された音刺激は、上述した振幅波形の第３例に相当する。次に、刺激番号「０７」、「０８」はそれぞれ、ノコギリ波変調された音刺激と逆ノコギリ波変調された音刺激である。ノコギリ波変調と逆ノコギリ波変調の包絡線はそれぞれ、式（２）及び式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　変調度ｍは１．００とし、変調周波数ｆｍは４０Ｈｚとした。ノコギリ波変調された音刺激および逆ノコギリ波変調された音刺激はそれぞれ、上述した振幅波形の第２例及び第１例に相当する。ここで用いられるｓａｗｔｏｏｔｈ関数は、－１から１まで線形に増加した後、瞬時に－１に戻る挙動を繰り返す不連続関数である。実験に用いた刺激は、変調した後に等価騒音レベル（Ｌａｅｑ）が等しくなるように調整された。なお、例えば、刺激番号「０１」の４０Ｈｚ正弦波は、等価騒音レベルを揃えると１ｋＨｚと比べて３４．６ｄＢ大きい音圧レベルとなるが、これで聴感上のラウドネスが揃う。
　これらに加えて、非特許文献１の研究で使われている刺激（１ｋＨｚ正弦波１波長に前後０．３　ｍｓのテーパーを掛けたものを４０Ｈｚの周期で繰り返すパルス列）を比較対象として用いた（刺激番号「０９」）。このパルス波状の音刺激は、上述した振幅波形の第４例に相当する。この刺激も刺激番号「０１」～「０８」と等価騒音レベルを揃えた。
　その後、再生開始時および再生終了時のノイズを防ぐため、刺激の前後に０．５秒ずつのテーパー処理を掛けた。このように最後にテーパー処理をおこなうことにより、定常区間の等価騒音レベルが厳密に保たれている。刺激の時間長は、心理実験のものを１０秒、脳波測定のものを３０秒とした。
　これらの刺激を、実験参加者に対して、全てヘッドホンで、Ｌａｅｑ＝６０ｄＢでモノラル（ｄｉｏｔｉｃ）呈示した。すなわち、変調なしの正弦波１ｋＨｚが音圧レベル６０ｄＢとなるように調整した。音圧校正はダミーヘッドでおこなった。実験参加者は、日本語を母語とする、聴力正常な２６名（２２．７±２．１歳、男性１８名＋女性８名）である。
　脳波測定実験に先立ち、各刺激の心理評価実験（上述の実験Ａに相当）をおこなった。テーパー部分を含めた刺激の長さは１０秒である。全ての実験参加者は、これらの刺激音をこの心理実験で初めて聴取したため、各刺激音に対する慣れの影響は最小限であったと考えられる。
　実験は、脳波測定実験と同じ静かな磁気シールドルーム内で、ヘッドホン呈示によりおこなった。実験参加者の前にＬＣＤディスプレイを設置し、心理評価をおこなうためのＧＵＩを用意した。回答は全てマウス操作によりおこなわせた。質問項目として、各音刺激を聞いた際の不快度と苛立たしさを、それぞれ７段階で評価させた。再生は１回限りとし、１０秒の刺激の再生が終わるまでは回答ができないようにＵＩを設計した。回答が終わったら自動的に次の刺激が再生されるように設定した。また、実験の途中で休憩を取るように自動的に促すように設計した。
　実験参加者には、「この実験でお聞きいただく音が、テレビ番組や動画配信サービス、ラジオなどの音声として流れていて、それを自宅のリビングルームで聴いているような場面を想像して、その音がどのくらい不自然か、あるいは聞き取りにくいか、などを判断してください」という教示をおこなった。再生される単語の意味は実験とは無関係であることも説明した。実験に先立ち、４つの刺激を用いて練習タスクをおこなった。実験では、被験者ごとに７段階の回答を１～７の数値尺度と見做して算術平均し、この値を被験者間で平均した。
　心理実験の後、脳波測定（上述の実験Ｂに相当）をおこなった。測定は静かな磁気シールドルーム内でおこなった。用いた刺激のテーパー部分を含めた長さは３０秒であった。実験中、同じ処理を施した刺激を２回ずつ呈示した。刺激間間隔は５秒とし、呈示順はランダムとした。刺激を呈示する間、実験参加者には可能な限り動かないように、また、可能な限り瞬きを減らすように指示した。また、ＬＣＤモニターで無声の短編アニメーション映像を再生し、意識レベルが一定に、また、アテンションレベルが安定的に低くなるようにコントロールした。映像は、事前に用意した中から実験参加者に選ばせた。実験参加者には、Ａ１，Ａ２の基準電極に加え、１０－２０法のＦｐ１，Ｆｐ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｃｚ，Ｐｚチャンネルの位置にアクティブ電極をそれぞれ設置した。
　測定された脳波波形は、実験後に解析された。まず、３０秒の刺激呈示区間のうち、前後の１秒ずつの領域テーパーを解析対象から除外した。その後、０．５秒ずつずらしながら、１秒間の区間を５５個切り出した。同じ処理をおこなったものを２回ずつ呈示しているので、解析対象は１１０区間である。この１１０個の波形それぞれにＨａｎｎ窓を掛けてＦＦＴをおこなった。ｗｉｎｄｏｗを半分ずつ移動してＨａｎｎ窓を掛けているため、結果的に全ての時刻のデータは対等に扱われている。ＦＦＴ結果に対し、１４Ｈｚ～１００Ｈｚ成分のパワーの総和に対する４０Ｈｚ成分のパワーの比率を求め、これを１１０区間で平均し、各実験参加者の電極ごとに一つずつのスカラー値（４０Ｈｚ　ＥＥＧ　ｐｏｗｅｒ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｒａｔｉｏと呼ぶ。）を得た。まず、各チャンネルについて、各刺激に対する反応ごとに、被験者間の平均値と標準偏差を求めた。このデータから、脳波惹起が脳の左右のいずれで優位であるかを調べ、その領域中で電気的ノイズの影響をほとんど受けていないとみられた代表の電極を一つ選択した。この電極の値に対し、仮説検定をおこなった。それぞれの刺激群に対し、分散分析（ＡＮＯＶＡ）で差異を確認するとともに、Ｔｕｋｅｙ法により多重比較による差の検定をおこなった。
　図１０は、音刺激による脳波惹起の実験結果を示す図である。具体的には、図１０は、Ｔ６チャンネルにおける、各刺激により惹起された脳波の４０Ｈｚ成分のパワー比率を示す。グラフ中の値とエラーバーは全実験参加者の平均値および標準偏差である。ＡＮＯＶＡにより、刺激の有意な差異が確認された（ｐ＜０．０１）。
　まず、正弦波を用いた刺激について述べる。変調していない１ｋＨｚの正弦波（刺激番号「０５」）を基準とすると、４０Ｈｚ正弦波（刺激番号「０１」）との間で脳波の４０Ｈｚ成分に差異は見られなかった（ｐ＝０．９４）。これらの刺激の等価騒音レベルは揃えてあり、ラウドネスもほぼ揃っている。すなわち、単に４０Ｈｚの低周波音を呈示しても４０Ｈｚ成分の脳波は惹起できないことを示唆している。また、これにより、ヘッドホンに印可された４０Ｈｚ成分の信号が電気的なノイズとして脳波電極で検出されていたわけではないことが示された。なぜなら、４０Ｈｚ成分は刺激番号「０１」に最も大きく含まれる。また、２０Ｈｚ正弦波変調（刺激番号「０２」）や８０Ｈｚ正弦波変調（刺激番号「０６」）でも４０Ｈｚ成分が惹起されないこともわかった。加えて、４０Ｈｚ正弦波変調（刺激番号「０３」，「０４」，「０５」）では、変調度に応じて４０Ｈｚ成分が惹起されている傾向が観察される。
　これに対し、ノコギリ波変調（刺激番号「０７」）と逆ノコギリ波変調（刺激番号「０８」）は、いずれも非変調の１ｋＨｚ正弦波（刺激番号「０５」）と有意差があった。また、これらの２つの刺激の間では有意差は見られなかった。従って、４０Ｈｚの低周波音ではなく、１ｋＨｚの音であっても変調関数の振幅包絡線を４０Ｈｚに設定することで、脳内に４０Ｈｚの脳波成分を惹起できることを示している。加えて、パルス性の刺激（刺激番号「０９」）も非変調の１ｋＨｚ正弦波（刺激番号「０５」）と有意差があった。また、パルス性の刺激（刺激番号「０９」）と、ノコギリ波変調及び逆ノコギリ波変調（刺激番号「０７」，「０８」）との間に、有意差はなかった。これらのデータは、パルス性の音に限らず、正弦波を振幅変調した音（元の１ｋＨｚ正弦波のピッチ感を保っている音）であっても、同じような脳波惹起効果が得られることを示している。
　最後に、心理実験結果と脳波測定結果との相互の値の関係性を検討する。図１１は、心理実験と脳波測定の結果の相関を示す図である。具体的には、図１１は、不快度と４０Ｈｚ脳波成分比率との関係を示す。
　不快度と４０Ｈｚ脳波比率の関係について、正の相関が見られる（ｒ＝０．５６）。このことから、少なくとも今回使用した刺激群では、不快度が高いほど４０Ｈｚ脳波の惹起も大きいという大まかな傾向にあることがわかる。例えば、刺激番号「０９」のパルス性の刺激では、不快度が非常に高いが、同時に、４０Ｈｚ脳波も最も大きく惹起されていることがわかる。しかしながら、相関はそれほど強くないため、回帰直線を引いたとしてもそこから大きく外れる刺激も存在する。例えば、正弦波を逆ノコギリ波変調した刺激である刺激番号「０８」は回帰直線よりも上に位置しており、不快度は刺激番号「０９」よりも大きく低下しているが４０Ｈｚ脳波比率の低下度合いは他の刺激よりも小さいと言える。逆に、正弦波を８０Ｈｚ正弦波変調した刺激である刺激番号「０６」では、不快度の低下は小さいが４０Ｈｚ脳波の低下は著しい。また、正弦波をノコギリ波変調した刺激である刺激番号「０７」は、パルス性刺激の刺激番号「０９」と比較して不快度と４０Ｈｚ脳波比率ともに小さく、逆ノコギリ波変調の刺激番号「０８」と比較して不快度はやや高く４０Ｈｚ脳波比率は小さい。１ｋＨｚ正弦波を４０Ｈｚ正弦波により変調度１００％で変調した刺激である刺激番号「０３」は、パルス性刺激の刺激番号「０９」と比較して不快度と４０Ｈｚ脳波比率ともに小さく、逆ノコギリ波変調の刺激番号「０８」と比較して不快度はやや小さく４０Ｈｚ脳波比率は小さい。
（３）音響信号処理
　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。
　図８の音響信号処理は、以下の開始条件のいずれかの成立に応じて開始する。
・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。
　図８に示すように、信号処理装置１０は、入力音響信号の取得（Ｓ１１０）を実行する。
　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。
　入力音響信号は、例えば、以下の少なくとも１つに対応する。
・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。
　本実施形態において、他者とは、例えば以下の少なくとも１人である。
・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
　信号処理装置１０は、例えば、入力音響信号の特徴（音声と音楽のバランス、音量変化、音楽の種類、音色、またはその他の特徴）とユーザの属性情報（年齢、性別、聴力、認知機能レベル、ユーザ識別情報、またはその他の属性情報）との少なくとも何れかに基づいて、変調方法を決定してもよい。これにより信号処理装置１０は、変調による認知機能の改善効果がより高くなるように変調方法を決定したり、ユーザに与える違和感がより小さくなるように変調方法を決定したりできる。また例えば、信号処理装置１０は、タイマに応じて変調方法を決定してもよい。タイマに応じて定期的に変調方法を変更することで、ユーザが変調された音を聴くのに慣れてしまうことを抑制し、効率的にユーザの脳に刺激を与えることが期待できる。また、信号処理装置１０は、変調方法の決定と同様に、各種条件に応じて出力音響信号の音量を決定してもよい。
　なお、ステップＳ１１１において信号処理装置１０は、変調方法の選択肢の１つとして、変調を行わない（つまり、変調度を０にする）ことを決定してもよい。また信号処理装置１０は、変調を行わないように変調方法が決定された後、所定時間が経過した場合に、変調が行われるように変調方法を決定してもよい。さらに信号処理装置１０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際に、変調度が徐々に大きくなるように、変調方法を決定してもよい。
　ステップＳ１１１の後に、信号処理装置１０は、入力音響信号の変調（Ｓ１１２）を実行することで、出力音響信号を生成する。
　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。
　ステップＳ１１２の後に、信号処理装置１０は、出力音響信号の送出（Ｓ１１３）を実行する。
　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。
（４）小括
　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。
　出力音響信号は、３５Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下の周波数に対応する振幅の変化を有していてもよい。これにより、出力音響信号に応じた音をユーザに聞かせた場合に、当該ユーザの脳内においてガンマ波の誘発が期待できる。
　入力音響信号は、音楽コンテンツに対応する音響信号であってもよい。これにより、ユーザが出力音響信号に応じた音を聴くモチベーションを向上させることができる。
　また、実験において、３パターンの波形のうちいずれの波形においてもガンマ波の誘発が確認されたため、第１例、第２例、および第３例の振幅波形をもつ入力音響信号により、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）の効果が期待できる。
（５）変形例
　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。
　上記説明では、信号処理装置１０が入力音響信号を変調する例を示した。しかしながら、信号処理装置１０は、入力音響信号から一部の音響信号を抽出し、抽出した音響信号に対してのみ変調を行ったうえで、出力音響信号を生成してもよい。
　上記説明では、信号処理装置１０が入力音響信号を変調することで生成した出力音響信号を音響出力装置３０に送出する例を示した。しかしながら、信号処理装置１０は、入力音響信号を変調することで得られる変調済み入力音響信号に対して、その他の音響信号を合成することで出力音響信号を生成し、生成した出力音響信号を音響出力装置３０に送出してもよい。
　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。
　上記説明では、信号処理装置１０が入力音響信号を変調することで生成される出力音響信号において、振幅波形の包絡線が逆ノコギリ波又はノコギリ波となり、包絡線の立ち上がりと立ち下がりが非対称となる例を示した。しかしながら、信号処理装置１０により生成される出力音響信号はこれらに限定されず、振幅波形の包絡線の立ち上がりと立ち下がりが非対称となる他の振幅波形を有するものであってもよい。
　例えば、包絡線の立ち上がり部分において、包絡線の接線の傾きが次第に小さくなってもよいし、包絡線の接線の傾きが次第に大きくなってもよい。また例えば、包絡線の立ち下がり部分において、包絡線の接線の傾きが次第に小さくなってもよいし、包絡線の接線の傾きが次第に大きくなってもよい。
　上記説明では、変調関数が３５Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下の周波数を備える場合の例を中心に説明した。ただし、信号処理装置１０が用いる変調関数はこれに限定されず、聴者の脳内におけるガンマ波の誘発に影響する変調関数であればよい。例えば、変調関数が２５Ｈｚ以上１４０Ｈｚ以下の周波数を備えていてもよい。また例えば、変調関数の周波数が経時的に変化してもよく、変調関数が部分的に３５Ｈｚ未満の周波数又は４５Ｈｚより高い周波数を有していてもよい。
　上記説明では、信号処理装置１０により生成された出力音響信号が、出力音響信号に応じた音を発してユーザに聞かせる音響出力装置３０へ出力される場合について説明した。ただし、信号処理装置１０による出力音響信号の出力先はこれに限定されない。例えば、信号処理装置１０は、通信ネットワークを介して、又は放送により、外部の記憶装置又は情報処理装置へ出力音響信号を出力してもよい。このとき、信号処理装置１０は、変調処理により生成された出力音響信号と共に、変調処理がされていない入力音響信号を、外部の装置へ出力してもよい。これにより、外部装置は、変調処理がされていない音響信号と変調処理がされた音響信号とのうち一方を任意に選択して再生することができる。
　また、信号処理装置１０は、出力音響信号と共に、変調処理の内容を示す情報を外部の装置へ出力してもよい。変調処理の内容を示す情報は、例えば、以下の何れかを含む。
・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。
　上述の実施形態では、信号処理装置１０を含む音響システム１を、認知機能の改善（例えば、認知症の治療、または予防）のための認知機能改善システムとして用いる場合を中心に説明した。ただし、信号処理装置１０の用途はこれに限定されない。非特許文献１には、４０Ｈｚの音刺激が脳内のガンマ波を誘発すると、アミロイドβが減少し、認知機能が改善されることが開示されている。すなわち、信号処理装置１０により出力される出力音響信号に応じた音をユーザに聞かせることで、ユーザの脳内におけるアミロイドβが減少して沈着が抑制され、アミロイドβの増加又は沈着が原因となる疾患の予防又は治療に役立つことが期待される。アミロイドβの沈着が原因とされる疾患として、例えば脳アミロイドアンギオパチー（ＣＡＡ）がある。ＣＡＡは、アミロイドβたんぱくが脳の小血管壁に沈着することにより、血管壁がもろくなって脳出血などが生じやすくなる病気である。認知症と同様に、ＣＡＡそのものに対する治療薬は存在しないため、上述の実施形態で説明した技術が革新的な治療法となりうる。すなわち、信号処理装置１０と、信号処理装置１０により出力される出力音響信号に応じた音をユーザに聞かせる音響出力装置３０とを備える音響システム１は、脳アミロイドアンギオパチーの治療又は予防のための医療システムとして用いることもできる。
　以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の範囲は上記の実施形態に限定されない。また、上記の実施形態は、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更が可能である。また、上記の実施形態及び変形例は、組合せ可能である。
１　　　　：音響システム
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 (11)

  1. 　入力音響信号を受け付ける手段と、
    　受け付けた前記入力音響信号を振幅変調することで、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手段と、を備える、信号処理装置。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　入力音響信号を受け付ける手段と、
    　受け付けた前記入力音響信号を振幅変調することで、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手段と、を備える、信号処理装置。
  7. 　前記出力音響信号は、３５Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下の周波数に対応する振幅の変化を有する、請求項１から請求項６の何れかに記載の信号処理装置。
  8. 　前記入力音響信号は、音楽コンテンツに対応する音響信号である、請求項１から請求項６の何れかに記載の信号処理装置。
  9. 　請求項１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ユーザに聞かせる手段と、を備える、認知機能改善システム。
  10. 　入力音響信号を受け付け、
    　受け付けられた前記入力音響信号を振幅変調することで、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、信号処理方法。
  11. 　コンピュータに、請求項１０に記載の信号処理方法を実行させるためのプログラム。
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