第一工業大学研究報告第29号（2017）pp.41－4441

筋電位により制御を行う筋電位により制御を行う

スピーキングバルブに関する研究

スピーキングバルブに関する研究
大 惠 克 俊大惠 克俊

機械システム工学科〒899-4395

鹿児島県霧島市国分中央１丁目１０番２号

k-ooe@daiichi-koudai.ac.jp, k-kariya@daiichi-koudai.ac.jp

Development of speaking valve controlled
by myoelectric signal
Katsutoshi OE
Mechanical systems engineering, 〒899-4395 1-10-2 Kokubu-chuou, Kirishima, Kagoshima
k-ooe@daiichi-koudai.ac.jp, k-kariya@daiichi-koudai.ac.jp

Abstract: The patients who have the tracheostoma caused by respiratory managements in case of post-operation,
deglutition disorder, ALS and so on, must use the tracheal cannulas. The cannulas don’t lead their breaths their vocal
cords, as the results, they lose their voice by using of the cannulas. To solve this problem, the speaking valve had beendeveloped. This valve has a one-way valve mechanism, it opens when the user breathes in, and closes when user breathes
out or vocalizes. Many users can get back their voices by these valves, but some users feel closeness in case of exhalation
without phonation. Therefore, we aimed to develop a controllable speaking valve by user’s will, and we chose the surface
myoelectric signal of the sternohyoid muscle as the control signal. A prototype of controllable speaking valve wasdeveloped and confirmed its efficiency. Furthermore, a compact type speaking valve was proposed and evaluated its flow
resistance by FEM analysis. From the result of FEM analysis, it was confirmed that the shape of flow channel had aneffect on flow resistance. In this report, the proposal of neck myoelectric control-type speaking valve and the shaperefinement of its flow channel were described.
Keywords: speaking valve, welfare device, myoelectric, speaking cannula

１ . 緒言弁を装着することで，再度発声を可能とする手法

手術後の管理時や筋ジストロフィー，筋萎縮性が用いられている．しかし現在用いられているス

側索硬化症（ALS）等の疾患により呼吸管理を行

ピーキングバルブは，発声を伴わない呼気時にバう必要がある患者や，嚥下障害を持つため誤嚥防ルブが閉鎖することおよび吸気時にバルブの気止の必要がある患者は頚部前面に気管孔を開け，流抵抗が大きいことが要因となり，使用者が息苦そこに気管カニューレを留置する．気管カニュー

しさや不快感を感じる場合がある 1)．

レを留置することで呼吸が気管孔より行われる

これらの問題は，使用者の意思に従ってバルブことになるため，呼気が声帯を通らず音声の基とを開閉させることで解決可能であると考えられなる喉頭原音（声帯音）を発生できず，発声が不るため，我々はこの点に着目し，使用者の意思に可能となる．このような患者のため，気管カニュより開閉可能なスピーキングバルブを提案した 2) ．

ーレ背部に穴を開けるとともにカニューレ体外このバルブは頚部筋の一つである胸骨舌骨筋の開口部にスピーキングバルブと呼ばれる一方向筋電位信号により開閉制御され，これまでに筋電第一工業大学研究報告

42第29号（2017）

位制御の息苦しさ改善に対する有効性が確認さは閉」と動作するように制御すればよいと考えられた (2)．さらに装着性の向上を目指した小型化 3)をれる．そこで我々は胸骨舌骨筋から検出される筋行い，またバルブ内部の形状改良を行うことで，電位信号に着目し，この信号を用いて開閉制御を気流抵抗が低減可能であることが確認された 4)．

行うスピーキングバルブを提案した (2)．

本報告では，さらなる気流抵抗の低減を目的とし，有限要素解析を用いた流路形状の改良を行い，2.2 筋電位制御型スピーキングバルブ

その結果から得られた知見について述べる．

本研究で提案するスピーキングバルブは，息苦しさを低減することを目的としており，そのため２. 筋電位制御型スピーキングバルブに以下の２点について改良する．
1)

2.1 従来のスピーキングバルブの問題点

り発声時のみ閉となり，通常時は開とするこ

気管孔に気管カニューレを留置する必要が生じた患者は，声帯を呼気が通過することがなくな随意に開閉制御が可能：頚部筋電位信号によとで呼吸困難を低減する．
2)

低い気流抵抗：バルブ開口部面積の増加と流り，音声の基となる喉頭原音を発生できないため路形状の改良により，呼吸時の呼吸困難を低声を失う．既存のスピーキングバルブは，気管カ減する．

ニューレ留置者にとっては音声を取り戻すため

1) に関してはこれまでに作製した電気式人工に非常に重要なデバイスであるが，「息苦しさ」と喉頭用制御ユニットの流用が可能であり，その有いう問題を抱えている．この息苦しさの原因は，効性は確認されている 2)．

「呼気時に閉，吸気時に開」となる一方向弁の機構にあると考えられる．健常者の呼吸は通常鼻と口で行うが，スピーキングバルブを使用している患者は呼吸時にはスピーキングバルブを介して吸気を行い，口および鼻から呼気を行う．発声時はスピーキングバルブが閉鎖されるため，呼気は声帯を通り発声が可能となる．スピーキングバル
ブ閉鎖時には気管内のカニューレが抵抗となるため息苦しさを感じる患者が多い．代謝の高い若年層や青年はその傾向が強く，特に幼児は息苦し

図１

新型スピーキングバルブの CAD モデルさに耐えかねてカニューレを抜去し，気管や気管孔を傷つけることがある．この問題を解決するた

2) に関してはバルブ形状を従来のワンウェイ

めには呼吸時の息苦しさを取り除く必要があり，バルブから図 1 に示す回転式のスライドバルブにスピーキングバルブを「呼吸時には開，発声時に変更することで，開口面積を 56mm2 から 225.6mm2

図２

円錐型整流板

図３

円弧型・三角形型整流板

大惠：筋電位により制御を行うスピーキングバルブに関する研究

43へと拡大した．ANSYS®12.1 を用いた有限要素解
析により，気管内開口部出口，他方を入口と定義
し，入口を大気圧開放，出口を-15.7kPa として吸気時におけるバルブ出入り口での圧力差を求めたところ，圧力低下は 84.7kPaから 73.4kPa へと減少し，その有効性が確認された 4)．さらに図中
Shutter 部内側に図２，３に示すような整流板を設
1) θ = 93.2º2) θ = 102.2º

方を出口と定義し，解析条件として入口を

3) θ = 108.3º4) θ = 111.7º

23.5kPa，出口を大気圧開放の値を使用して呼気時図４置することで，バルブ内部での渦流生成を防ぐことができ，円錐の高さ h = 2mm で中心角 θ = 164ºの時に吸気時の圧力低下が 71.7kPa と最小となりさらに減少した．吸気時においては中心角度 θ が広いほど，円弧型では半径 r が大きいほど気流抵抗は減少し，この結果から流路が広いほど抵抗が少ないことが確認された 5)．
次に同じ形状を用い，気管内開口部を入口，他非対称型スピーキングバルブにおける解析も行った．呼気時においては流路がθ = 120º の際に圧力損失が 21.2kPa となり最小の値となった 5)．

３． 整流板形状の改良
3.1 非対称型整流板
これまでは左右非対称な整流板を使用してきたが，前節で述べたとおり，吸気・呼気共に良好

3.3 結果および考察
図５に吸気時と呼気時の圧力損失に関する有限要素解析結果を示す．
Pressure loss (kPa)

狭いほど抵抗が少なくなる傾向が見られ，中心角

74.5
74.0
73.5
73.0
72.5
72.071.5な特性を持つ形状は見つからなかった．そこで整9095

図４に非対称型整流板の形状を示す．全ての整流板において図２に示す h = 2mm の円錐は使用しPressure loss (kPa)

3.2 非対称型整流板の形状

115

105

110115

21.0
20.0
19.0
18.0
17.0
16.0
15.0

た．中心角度 θ = 93.2º，102.2º，108.3º，111.7º と

90

95

100

Center angle of rectifire: θ (degree)

し，バルブ出入り口の圧力条件は吸気・呼気共に

2) 呼気時２章に述べたものと同じ値を使用し，有限要素解
析により圧力損失を求める．

1101) 吸気時大きい渦を巻かせることによる気流抵抗の低減

る．

105

Center angle of rectifire: θ (degree)

流板の形状を左右非対称なものとし，気流全体でを狙った．本章ではその性能評価をについて述べ

100

図５

整流板中心角度と圧力損失の関係

第一工業大学研究報告44

図５より吸気時においては θ = 102.2º の時が，呼気時においては θ = 108.3º の時が最も圧力損失第29号（2017）

この渦が気流抵抗に対して何らかの影響を及ぼしている可能性が考えられる．

が少ないという結果が得られた．
４．まとめ
表１

本報告では，電気制御型スピーキングバルブのそれぞれのバルブの圧力損失
中心角

吸気時

呼気時

流路形状の改良による気流抵抗の低減について

（º）

（kPa）

（kPa）

有限要素解析により評価した．非対称型の整流板

既存-84.7-を使用することで，従来よりも優れた特性が得ら

整流板なし-73.4-

120.0

72.25

21.22

164.0

71.75

23.35

93.2

74.04

20.13

102.2

72.07

19.59

108.3

72.18

16.71

111.7

72.85

20.35

対称非対称

れることが確認された．

謝辞
本研究の一部は，文部科学省科学研究費補助金（基盤研究（C）26350685）の補助を受けたものである．

参考文献
1)

大惠克俊, テルセロ・カルロス, 関山浩介,

表１に既存，整流板なし，対称型整流板，非対福田敏男, “頸部筋電位信号を用いた発声補称型整流板のスピーキングバルブの圧力損失を助装置制御システムに関する研究”, ロボテ示す．吸気時においては中心角が 164.0º の対称型

ィ ク ス ・ メ カ ト ロ ニ ク ス 講 演 会 ’11

整流板を使用した時が 71.75kPa と最も圧力損失

ROBOMEC 2011 予稿集 , CD-ROM, 2011.

が 少 な く ， 呼 気 時 で は 108.3º の 非 対 称 型 が2)Ooe, K., Tercero, C., Sekiyama, K. and Fukuda,

16.71kPa と最も低い圧力損失であった．しかしT., “Speech assistant devices controlled by neck108.3º の 時 の 吸 気 時 の 値 は 72.18kPa で あ り ，myoelectric

71.75kPa との差は小さい．従って，本報告においInternationalて解析を行った形状の中では，吸気・呼気ともに

NanoMechatronics and Human Science, pp.315-

満足するものは，中心角 θ = 108.3º の非対称型で320, 2011.

あると結論づけられる．

3)

signal”,

Proceedings

Symposium

onof2011
Micro-安里翼, 大惠克俊, “筋電位制御型小型スピーチバルブに関する研究”, 日本機械学会九州支部九州学生会第 44 回卒業研究発表講演
会 , 138-2, pp.65-66, 2013.
4)

Oe, K. and Sakurai, K., “Shape optimization ofneck myoelectric signal control-type speakingvalve”, Proceedings of 2014 International
Symposium on Micro-NanoMechatronics andHuman Science, pp.67-69, 2014.

図６

θ = 108.3º，吸気における流線

5)

大惠克俊, 櫻井康平, “楽な呼吸のための頚部筋電位制御型スピーキングバルブの提案”,

図６に，θ = 108.3º，吸気時の流線を示す．当初の予想通り，バルブ内で大きい渦が確認される．

日本機械学会 2015 年度年次大会 DVD-ROM
論文集, J2410201, 2015.