2014 Fiscal Year Research-status Report
頚部筋電位信号により制御を行う発声補助デバイスに関する研究
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26350685
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| Research Institution | DAIICHI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY |
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Principal Investigator |
大惠 克俊 第一工業大学, 工学部, 准教授 (80388123)
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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 人工喉頭 / 表面筋電位 / スピーキングバルブ / 気管切開 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成26年度においては，スピーキングバルブおよび発声用小型ポンプの形状最適化を最重要課題とした．スピーキングバルブに関しては，バルブ内へ設置する整流板形状についての考察を行った．本年度で提案したものはバルブ正面内側に設置する円錐型整流板と，バルブ側面内側に設置する円弧型および三角柱型の３種である．円錐型は高さ，円弧型は半径，三角柱型は中心角度をそれぞれ変更し，有限要素シミュレーションによる解析を行った．その結果，円錐型は高さを増すことで有効性が確認されたが，円弧型および三角柱型では吸気時と排気時において異なった傾向を示した．
発声用小型ポンプに関しては，有限要素シミュレーションにより流路形状による気流抵抗の変化についての解析を行った．その結果，複数のポンプからの流路を集合させる際に互い違いに集合させるのではなく，２本ずつ同時（２本からの流れがぶつかり合うよう）に集合させた方がよりよい結果が得られた．いずれもシミュレーション上でのさらなる最適化を行う必要が認められたため，本年度で計画していた光三次元造形装置を用いた試作は実施するに至らなかった．
音源形状の最適化に関しては，本年度は実施しなかった．
制御パラメータの最適化に関しては，発声音のピッチ周波数と筋電位信号を同時に測定・記録し，その相関関係を求めた．その結果，これまで優れていると考えていた２次関数よりも，指数関数もしくは対数関数の方が高い決定係数を示す被験者が多いことが判明した．この関係式を用いて制御実験を行った結果，単一の被験者のみの実験ではあるが制御性の向上が確認された．
制御ユニット形状の最適化に関しては，本年度は実施しなかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
スピーキングバルブ形状の最適化に関しては，形状最適化の過程において吸気時と排気時で整流板形状と気流抵抗の大小の傾向が全く異なることが判明したため，より詳細な形状検討を行う必要が生じた．そのため計画よりはやや遅れが出ており，試作にまでは至っていない．しかし形状に関しては非常に興味深い傾向が見られたので，それらを今後の研究の基本方針として進める予定である．またアクチュエータとしてステッピングモータを用いた駆動手法に関しての考察を進め，従来と異なる形状としたため，その点に関しても遅延が見られる．しかし従来のものよりも単純な構造となるため，試作・評価時ではスムーズな研究進捗が見込まれる．
発声用小型ポンプの最適化に関しては，設計上考慮するパラメータが当初の予想より増加したため，そのシミュレーションの条件作りが長引き，結果として計画よりやや遅れて進行している．しかし考えられるパラメータに関しての整理を終え，現段階での基本的な形状の解析は終了した．
制御パラメータの最適化に関しては，従来のものより優れた制御性を持つことが期待される関数が判明したため，それに対する検証を行っている．計画と比べると複数センサによる信号検出には着手できていないが，新たな関数が判明したという点を考慮すると，達成度は満足できるものであると考える．
制御ユニット形状および音源形状の最適化に関しては，研究体制の変更に伴い，現在は中断している．制御ユニットを用いた新たな福祉用デバイスに関してはいくつか検討しており，この点に関しては予定よりも進んでいると考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
スピーキングバルブ：整流板形状の最適化に関しては，26年度において判明した「吸気時と排気時における最適形状の違い」から，両者を共に満たす条件を求めることを目指す．また呼気圧・吸気圧に関して，これまでは最大圧力に関するシミュレーションのみを行ってきたが，今後は弱い圧力時に関する解析も進める．さらに整流板形状をこれまでの「左右対称」から「左右非対称」へと拡張し，解析を行う．駆動に関しては，モータの選定および駆動機構に関する設計を行い，安全性を考慮に入れた試作品を3Dプリンタにより製作する．
発声用小型ポンプ：26年度の解析結果から得られた基本形状を持つポンプを3Dプリンタを用いて試作し，その出力に関しての測定を行う．この測定に必要な圧力センサおよび流量センサの作製も合わせて行う予定である．
制御パラメータ：26年度の結果から得られた新たな制御用関数を用いて，制御精度の検証を行う．その際に被験者による差異を速やかに補正可能とする制御関数の導出手法についての検討を行い，そのシステムの構築を行う．また得られた関数により実際に人工喉頭の制御を行い，聴き取り評価による客観的評価までを行いたい．さらに複数センサを用いた信号検出と，それらを応用した制御手法に関する検討にも着手する予定である．
その他：筋電位信号による小型の制御回路を作製し，制御ユニットとしての試作を行う．制御ユニット形状の最適化も，並行して行う予定である．またこれまでに本制御ユニットにより駆動される新たなデバイスに関する検討を行っており，これらを試作する予定である．
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| Causes of Carryover |
研究申請当初，平成26年度において圧電発音体，スピーキングバルブ，発声補助用小型ポンプおよび制御ユニットの試作を行う予定であったが，最適化の遅延，研究内容の一時中断等により試作に至らなかったため，計上していた試作費が未使用となり残高が発生した．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成27年度においてはある程度のシミュレーション結果が出そろうため，計画より多くのデバイスの試作を行う予定であり，次年度の助成金と合わせて部品費，試作費および材料費等に使用する予定である．
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