Development of vocal fold vibration analysis model considering effects of vocal fold elongation and voice disturbance
| Project/Area Number |
23K22702
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| Project/Area Number (Other) |
22H01431 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
石川 諭 九州大学, 工学研究院, 准教授 (60612124)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000)
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| Keywords | 発声障害 / 声帯振動 / 嗄声 / 自励振動 / 構造・流体連成解析 / 声帯の伸長 / 声帯伸長 |
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| Outline of Research at the Start |
声帯ポリープ，喉頭がんなどの発声障害を罹患した場合の声帯振動のメカニズムを解明することは重要な課題である．既存の声帯振動解析では，喉の軟骨の回転による声帯の伸長を考慮できていない課題がある．本研究課題では，声帯の伸長を考慮するために，超弾性体非線形有限要素法等を用い，声帯の伸長の影響を考慮した声帯振動解析モデルを確立する．また，声帯の伸長を変化させながら声帯同士の衝突力を計算して，声帯伸長のさせ方（喉の筋肉の使い方）と声帯ポリープ，声帯結節の発症しやすさ（衝突力が強いと発症しやすい）の関係を推定することや，病変による声帯振動変化のメカニズムを解明することで，咽喉医療に有益な知見を提供する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，声帯の伸長を考慮できる解析モデルを開発して，声帯伸長のさせ方（喉の筋肉の使い方）と声帯ポリープ，声帯結節の発症しやすさ（衝突力が強いと発症しやすい）の関係を推定することや，病変による声帯振動変化のメカニズムを解明することで，咽喉医療に有益な知見を提供することを目的としている．
この目的を達成するため，2023年度は，声帯の伸長は考慮しない3次元解析モデルの開発を実施した．3次元有限要素法により声帯の固有モードを算出し，モード解析による振動解析と1次元声門流体解析を連成させ，計算負荷の小さい3次元声帯振動解析モデルを考案した．2022年度3次元解析モデルの開発では解析方法を考案し，プログラムは作成したものの，自励振動が発生しない等の問題があったが，2023年度はプログラムのミスや考え方の不適切な点を解決し，自励振動の解析が可能になった．また，声帯の伸長を考慮する解析モデルの基本的なアイデアを考案した．
さらに，2023年度は声帯の伸長を考慮した人工声帯の実験装置を製作した．実際のヒトの喉を模擬し，披裂軟骨の回転と壁面（甲状軟骨）の回転によって声帯の伸長を可能にした．声帯はシリコーンゴムで製作し，実際の声帯を模して柔らかいCover層と硬いBody層の2層構造にしている．エアーコンプレッサにより空気を流し，声帯が自励振動する．伸長は考慮しない3次元解析モデルの妥当性を確認するために，回転をさせない場合の人工声帯振動の実験を行い，解析結果と実験結果の一致していたため，声帯の伸長は考慮しない3次元解析モデルの妥当性を確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2023年度は，声帯の伸長を考慮しない場合の3次元振動解析モデルを開発した．このモデルは，3次元有限要素法により固有モードを算出し，モード解析による振動解析と1次元声門流体解析を連成させ，計算負荷の小さい解析モデルとなっている．そして，この3次元声帯振動解析モデルの妥当性を実験により検証した．ただし，声帯の伸長を考慮した場合の3次元解析モデルのアイデアは考案したものの，まだプログラムは作成できていない．早急にプログラムの作成を進めて，実験により解析の妥当性を確認する予定である．
よって，進捗状況は「やや遅れている」としているが，2024年度において十分に挽回可能である．
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| Strategy for Future Research Activity |
2024年度は以下の2点の研究を行う．
(1) 声帯の伸長を考慮した声帯振動解析モデルの開発と伸長の影響把握
ヒトが声を発するとき，軟骨の回転によって声帯が伸長する．これにより局所的に歪みが発生するが，声帯材料は非線形特性を有するため局所的に剛性が変化する．まず，局所的な歪みを解析するため，単軸引張試験の非線形特性を用いて超弾性体の非線形有限要素法により軟骨からの引張力fがかかったときの静的荷重解析を行う．そして，静解析の結果から接線剛性マトリクスKを算出し，静解析の平衡状態において線形化した動解析の式を導出する．導出した式から固有値，固有モードを算出した後，モード解析を用いて声帯の振動解析を行い，流体解析と連成させる．また，自励振動に対する声帯の伸長の影響を把握する．
(2)音声障害の解析モデルの開発・振動メカニズム解明
声帯麻痺，喉頭がん等の発声障害の声帯振動解析モデルを作成する．具体的には，モデルの一部の剛性を変化させる（喉頭がん），軟骨による伸長を弱める（声帯麻痺）等，臨床医（研究協力者）の意見を参考にしながら実態に即した解析モデルを作成する．そして，各病変を模した人工声帯の実験装置を製作し，実験結果と解析結果を比較するとともに，患者の声帯振動の動画や音声データ（市販DVD，九州大学病院耳鼻咽喉科所有データ）と解析結果を比較して発声障害の声帯振動解析モデルを構築する．
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Report
(2 results)
Research Products
(2 results)
