SOUND

令和３年度研究助成 【サウンド技術振興部門】より

境界要素法を用いた音響シミュレーションによる口蓋裂言語障害の病態解明
山口大学大学院医学系研究科
歯科口腔外科学講座
教授

三島

克章

蓋化を引き起こすという報告もある 。しかし
2）

１．背景と目的ながら、鼻咽腔閉鎖機能と口蓋形態が産生され口蓋裂術後にみられる構音障害を大別する

る音にどの様に、どの程度影響しているのかをと、鼻咽腔閉鎖不全（図１）に関連深い声門破解析する方法がなかったため、現在まで不明の裂音や鼻漏出に伴う子音の歪等と、鼻咽腔閉鎖ままである。

不全に関連が低い構音障害がある。後者には、

近年、有限要素法や境界要素法などの波動音

上顎の発育障害からもたらされる口蓋の浅化、響解析の進歩により、三次元的な音響伝達空間狭窄、短縮などの形態異常と口蓋化構音の出現の解析が可能となり、声道の形態と音響の関係に関与する可能性が示唆されており （図2）、を可視化し、詳細に分析することが可能とな

また反対咬合による舌の位置異常が子音の口ってきた。現在までの報告の多くは、解析か

1）

ら得られる第1フォルマント（F1）と第2フォ ル マ ン ト（F2） は、 実 音 声 のF1、F2と比較すると、かなり乖離した結果となってい

図1

鼻腔からの内視鏡画像
発音時の鼻咽腔閉鎖不全がみられる

図2

口蓋裂術後の口蓋の写真
歯列の狭窄と口蓋の浅化がみられる
7

SOUND

図3

健常者の/i/発音時の声道モデル

図4

健常者の/i/発音時の解析用モデル

3）
，
4）

Space Claim（ver 19.0）を用いてメッシュサイる。

そこで、境界要素法による音響解析を構音器ズの調整および均一化や不要なメッシュの削除官に応用することで、声道とそこで産生されるを行い、さらに鼻孔と口裂のメッシュは除去し音、すなわち声道の形態と音声との関連性をシて開放状態とし、解析モデルとした（図4）。

ミュレーションすることにより、両者の関連性

2）シミュレーション方法を明らかにし、構音障害の発生機序を解明する（1） 音響解析法ことをめざした。

音響解析ソフトWAON （ver 4.42）を使用し、Ⓡ1 ～ 2,000Hzまで1Hz刻みでの解析を行った。

2.研究方法音の伝搬を表す波動方程式としてKirchhoff-１）解析モデルの作成
仰臥位にて、母音の持続発声状態でCT撮影

Helmholtz積分方程式を使用し、離散化手法として境界要素法を用いた 。
5）を行い、CT-DICOMデータから３D可視化ソフ（2） 音響解析モデルのパラメータの設定

トAmira （ver 5.6.0）を用いて声道モデルを声道モデルの壁面は剛壁とし、吸音率0％、作成した（図3）。声門下部から気管分岐部相比音響インピーダンス=∞とし、最下端部を当部までを仮想的に円柱状に12cm延長した声剛壁ではない壁とした。音響媒質は体温を想道モデルと、気管分岐部までのCTデータから定 し た37 ℃ と し、 音 速 は352.85m/s、 密 度 は構築した声道モデルと比較したところ、下記の1.1468kg/㎡とした。音源は声帯相当部に点音シミュレーションによって得られるフォルマン源を設定した。観測点は口唇から10cm前方のトに差が無かった位置とした。

Ⓡ5）ことより、被爆量低減目的にCT撮影範囲は鎖骨までとして、気管相当部は12cmの長さの円柱とした。
声道モデルに対して、ダイレクトモデラー
8以上のパラメータ、条件設定のもと、音響解析を行い、観測点における音圧を求め、音圧レベルでの周波数応答曲線を作成し、第1フォル

SOUND
1801601401201008060400500

図51000

1500

2000

2500

3000

健常者の/i/のシミュレーション結果周波数応答曲線を示す。

180160140120100806040

図605001000

150020002500

鼻咽腔結合部を拡大したシミュレーション結果
図5のモデルの鼻咽腔結合部を拡大して算出した周波数応答曲線を示す。

マント（F1）と第2フォルマント（F2）を算

チ3700（PENTAX Medical）を使用してフォル出した。

マントを算出した。

（3） 実音声との比較、検証

シミュレーションから算出されたフォルマ

実音声をマイクロフォン（Shure SM58）をント周波数をFとし、実音声から算出されたフ

通して、サンプリングレート44kHz、16Bitにォルマント周波数とFとの差を弁別閾値ΔFとて録音し（Marantz PMD661）、マルチスピーした。FでΔFを割ることにより、相対弁別閾
9SOUND値（％）を求め、日本人の母音フォルマント周
波数弁別閾が4.9 ～ 9.6%という報告

6）に準じて、9％以内を良好と判断とした。

3.シミュレーション結果
1）健常者の/i/のシミュレーション
シミュレーションによって得られた周波数
応 答 曲 線 を 図5に 示 す。F1は401Hz、F2は図7

両 側性口唇口蓋裂術後患者の/i/発音時の解析モデル
鼻 咽腔閉鎖不全があるため鼻咽腔結合部が広くなっており（矢印）、また、口蓋に鼻腔への交通が残っている（丸の部分）。

2,775Hzであり、実音声から算出したF1、F2は442Hz、2,882Hz、F1、F2の周波数弁別閾値は

F1とF2が小さくなっていたことは、鼻咽腔10.2%、3.9%であった。次に、鼻咽腔閉鎖不全閉鎖不全を有する患者の/i/のF2が小さい傾向状態を模して、声道モデルの鼻咽腔結合部を拡にあるという過去の報告 に合致していた。ま大した解析モデルとしたうえで、シミュレーシ

た、上記両側性口唇口蓋裂患者では、鼻咽腔ョンを行うと、図6の周波数応答曲線が得られ閉鎖不全を呈する点と口蓋に鼻腔への交通（φた。F1とF2はそれぞれ381Hz、2351Hzとなり、7−8mm程度）を認める点が（図7）、周波鼻咽腔結合部を拡大する前と比べて小さくなっ数特性に大きく関連する可能性があると考えらていた。

れ、今後、さらに解析を進めていく予定である。

2）口 唇口蓋裂術後患者の/i/のシミュレーシ
ョン7）

参考文献

鼻咽腔閉鎖不全を呈する両側性口唇口蓋裂術1）Okazaki K., Kato M., Onizuka T.: Palate

後患者に対して、/i/発音時のCTデータから声morphology in children with cleft palate

道モデルを作成し（図7）、上記シミュレーシ

with palatalized articulation. Ann Plast

ョンを行った結果、F1とF2はそれぞれ397Hz、Surg 26; 156-163, 1991.

2,572Hzであった。

4.今後の展望
健常者の/i/のシミュレーションの結果に示すように、鼻咽腔結合部を拡大することにより
102）Lawrence C.W., Philips B.J.: A telefluoroscopic study of lingual contacts made bypersons with palatal defects. Cleft Palate

J 12; 85-94, 1975.
3）Kagawa Y., Shimoyama R., Yamabuchi

SOUNDT., et al.: Boundary element models of theMethod during Phonation of the Japanese

vocal tract and radiation field and theirVowel /a/ by the Boundary Element

response characteristics. J Sound VibrMethod. J Voice 35; 530-544, 2021.

157; 385-403, 1992.

6）Eguchi S.: Difference limens for the for-

4）Matsuzaki H., Motoki K.: Study of acous-mant frequencies: Normal adult values

tic characteristics of vocal tract withand their development in children. J Am

nasal cavity during phonation of Japanese

Audiol Soc  1; 145-149, 1976.

/a/. Acoust Sci Tech 28; 124-127, 2007.
5）Shiraishi M., Mishima K., Umeda H.:
Development of an Acoustic Simulation

7）金野吉晃，八木實，亀谷哲也，他:口蓋裂患者の顎顔面構造と開鼻声の音響特徴の関連について. 岩医大歯誌22; 51-60, 1997.

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