2020 Fiscal Year Research-status Report
Research on control of the vocal tract and diaphragm in operatic singing
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19K12048
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| Research Institution | Chiba Institute of Technology |
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Principal Investigator |
竹本 浩典 千葉工業大学, 先進工学部, 教授 (40374102)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
榊原 健一 北海道医療大学, リハビリテーション科学部, 准教授 (80396168)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | オペラ歌唱 / rtMRI / 横隔膜 / 肺 / 声道 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度は，歌唱中のプロのオペラ歌手4名の声道形状と横隔膜の運動をリアルタイムMRI（rtMRI）で撮像し，昨年度までに撮像したデータとともに分析した。
まず，様々な音高で歌唱中の声道形状の輪郭を手動でトレースして重ね合わせ，音高と声道形状の関係を検討した。先行研究により，音高の上昇に伴って口の開きが大きくなることが報告されていた。これに加えて，本研究では音高の上昇に伴って頸椎の後弯の度合いが大きくなることが観測された。これは，頸椎の後弯と喉頭軟骨の構造を利用して声帯を伸長させ，声帯の基本周波数を上昇させている可能性があることを示唆する。また，プロでは声種を問わず後弯の度合いは音高に対して連続的に変化したが，学生では最高音のみ後弯するなどの不連続性が見られた。これはプロと学生で声区融合の技術に差があることを示唆すると思われる。
次に，歌唱中の動画の全フレームにおける右肺の矢状断面画像から肺の輪郭を機械学習で抽出して分析した。その結果，吸気や歌唱における肺の形状変化の第1主成分は横隔膜の上下動と胸郭の膨張・収縮であったが，その動きの大きさの相対的な比率には個人差がみられた。第2主成分は歌手の間に共通した運動要素は見られず，個人差が大きかった。しかし，高音から低音に移行する際，プロのオペラ歌手では一時的に吸気のように横隔膜が下降する動作が共通してみられた。このとき，内観報告によれば，「支え直す」歌唱技術を用いたとのことであった。すなわち，横隔膜を一時的に下降させる運動は，「支え直す」技術を指していると思われる。
また，撮像時に録音した音声を分析し，オペラ歌手や伴奏者の評価値と比較した。その結果，帯域ごとのパワー集中率，歌唱方法（声楽的・非声楽的発声），評価値の間には複雑な関係があることが明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
データの取得は遅れているが，解析は順調に進んでいる。当初，連続した2コマで3人の被験者を撮像することを2度行い，年間で合計6人の被験者のデータを取得する予定であった。しかし，実験を行うATR-Promotionsは，コロナ対策として1コマに1人の撮像しか許可しなくなったため，年間で合計4人分のデータしか取得できなかった。しかし，動画の全フレームにおける肺の断面の輪郭を機械学習で半自動的に抽出することに成功し，肺の面積の変化や形状変化などを詳細に検討することができた。これは当初予定していなかった進展である。また，肺の形状変化を分析した結果，「支え直す」という歌唱技術の解明に成功した。これも当初予定していなかった成果である。さらに，音高の上昇と頸椎の後弯の度合いが相関する傾向を見出した。これは音高の制御に関する新たな知見をもたらす可能性がある発見と思われる。このように，データの取得は遅れているものの，その解析は順調に進み，新たな知見が次々に得られているので，これまでのところ研究はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
肺の容積は断面積の3/2乗に比例すると考えられる。そこで，2020年度の研究では，機械学習で抽出した肺の矢状断面の輪郭データから肺の面積を求めて肺の容積変化と呼気流を推定した。すると，「支え直す」動作に伴う横隔膜の下降により一時的に吸気が発生するという結果となった。もちろん，連続した発声中に吸気が発生することはあり得ないので，「支え直す」動作では左右方向など矢状断面の画像では分析できない方向に胸郭が収縮して呼気流を生成していると考えられるが，明らかにすることができなかった。そこで，2021年度は歌唱中の肺の冠状断面における動画を撮像して分析し，「支え直す」動作によって一時的に横隔膜が下降する際，肺のどの部分が収縮しているかを明らかにしたい。
しかし，2021年度もコロナ禍により，ATR-PromotionsがMRIの使用を禁止または制限するなどの事態が予測される。その場合は，機械学習による輪郭抽出を頭部・頸部に適用し，動画の全フレームから声道の輪郭を抽出して音高に対する声道形状の変化の分析を試みる。例えば，主成分分析により，口の開きや頸椎の後弯以外に音高と相関の高い運動成分を探索し，その個人差などについても検討したい。また，前年度までに作成した声道モデルを用いて，フォルマント同調と歌唱フォルマントが聴覚的な印象に与える影響についても考察する。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍により，日本音響学会2020年秋季研究発表会（仙台）および2021年春季研究発表会が共にオンライン開催となり，旅費の支出がなかった。また，実験が1コマ実施できなかったため，次年度使用額が生じた。これらは次年度のMRI実験で使用する予定である。
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