音声生成装置

スティーブン・ホーキング（1942–2018）、天体物理学者、著名なSGDユーザー

音声生成装置（SGD ）は、音声出力コミュニケーション補助具とも呼ばれ、重度の言語障害を持つ人の発話や筆記を補完または代替し、言語によるコミュニケーションを可能にする電子的な補助代替コミュニケーション（AAC）システムです。 [ 1 ] SGDは、言語によるコミュニケーション手段が限られている人にとって重要です。SGDは、コミュニケーションにおける積極的な参加者となることを可能にするからです。特に筋萎縮性側索硬化症（ALS）の患者に有効ですが、最近では言語障害が予測される小児にも使用されています。[ 2 ]

SGDには、様々な能力を持つユーザーが利用できるように、複数の入力方法と表示方法が用意されています。一部のSGDは、多数の発話に対応するために複数ページの記号を備えており、そのため、一度に表示できる記号は一部のみで、ユーザーは各ページを操作します。音声生成装置は、自然な発話をデジタル録音したもの、または音声合成によって電子音声出力を生成します。音声合成では感情情報は少なくなりますが、ユーザーは斬新なメッセージを話すことができます。[ 3 ]

SGDにおける語彙の内容、構成、更新は、ユーザーのニーズやデバイスが使用される状況など、多くの要因によって左右されます。[ 4 ]利用可能な語彙数と発話速度を向上させる技術の開発は、活発な研究分野です。語彙項目は、ユーザーにとって関心が高く、頻繁に利用でき、多様な意味を持ち、実用的な機能を備えている必要があります。[ 5 ]

デバイス上のメッセージにアクセスする方法は複数あります。直接的、間接的、または専用のアクセスデバイスを使用する方法ですが、具体的なアクセス方法はユーザーのスキルと能力によって異なります。[ 1 ] SGD出力は通常、音声よりもはるかに遅いですが、速度向上戦略によってユーザーの出力速度を上げることができ、コミュニケーションの効率が向上します。[ 6 ]

最初のSGDのプロトタイプは1970年代半ばに開発されましたが、ハードウェアとソフトウェアの開発が急速に進歩したことにより、SGDの機能をスマートフォンなどのデバイスに統合できるようになりました。SGDの著名なユーザーには、スティーブン・ホーキング、ロジャー・イーバート、トニー・プラウドフット、ピート・フレーツ（ ALSアイスバケツチャレンジの創設者）などがいます。

音声生成システムは、AAC専用に開発された専用デバイスの場合もあれば、AACデバイスとして機能するための追加ソフトウェアを実行するコンピュータなどの非専用デバイスの場合もあります。[ 7 ] [ 8 ]

歴史

患者が操作するセレクター機構 (POSM または POSSUM) は、1960 年代初頭に開発されました。

SGDの起源は、初期の電子コミュニケーション補助器具にあります。最初のSGDは、1960年にイギリスのレグ・マリン氏によって試作された、吸って吐くタイプのタイプライター制御装置「患者操作セレクタ機構（Naman）」でした。 [ 9 ] [ 10 ] POSSUMは、点灯したディスプレイ上の一連の記号をスキャンしました。 [ 9 ]オランダのデルフト大学の研究者は、1970年に光点操作タイプライター（LOT）を開発しました。これは、頭をわずかに動かすことで、光電セルを備えた文字のマトリックスに小さな光点を当てるものです。商業的には成功しませんでしたが、LOTはユーザーから好評を博しました。[ 11 ]

1966年、ケース・ウェスタン・リザーブ大学の工学部1年生だったバリー・ロミッチとオハイオ州クリーブランドのハイランド・ビュー病院のエンジニアであるエド・プレンケが共同でプレンケ・ロミッチ社を設立した。[ 12 ] 1969年、同社は廃棄されたテレタイプ機をベースにしたタイピングシステムという最初の通信機器を開発した。

1979年、マーク・ダームケはマイクロコンピュータを搭載したComputalker CT-1アナログ音声合成装置を使用した音声コミュニケーション補助プログラムのソフトウェアを開発した。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]このソフトウェアは音素を利用して音声を生成し、コミュニケーション障害のある人が単語や文章を構成するのを支援した。[ 20 ]ダームケの研究は障害者支援技術の進歩に貢献した。特に、彼は脳性麻痺の学生であるビル・ラッシュのために「語彙管理システム」を設計した。[ 21 ] [ 20 ] [ 22 ] [ 23 ]この初期の音声合成技術はラッシュのコミュニケーション能力の向上に役立ち、1980年のLIFE誌で特集された。[ 24 ] [ 25 ]ダームケの貢献は、補助的代替コミュニケーション（AAC）技術の発展に影響を与えました。

1970年代から1980年代初頭にかけて、SGDの大手メーカーとなった企業が数社現れた。トビー・チャーチルは、脳炎で言語能力を失った後、1973年にToby Churchill Ltd社を設立した。[ 26 ]米国では、カーネギーメロン大学の学生プロジェクトからDynavox社（当時はSentient Systems Technology社として知られていた）が生まれた。同プロジェクトは1982年、脳性麻痺の若い女性のコミュニケーションを支援するために設立された。[ 27 ] 1980年代初頭、技術の向上により、市販のコミュニケーション機器の数、種類、性能が大幅に向上し、サイズと価格も低下した。ターゲットスキャン（アイポインティングとも呼ばれる）などの代替アクセス方法では、ユーザーの目の動きを調整して、SGDに目的の音声を生成するよう指示する。代替手段がユーザーに順番に提示されるスキャンは、コミュニケーション機器で利用できるようになりました。[ 10 ] [ 28 ]音声出力の可能性としては、デジタル化された音声と合成された音声の両方が含まれていた。[ 10 ]

ハードウェアとソフトウェアの開発は、欧州共同体によって資金提供されたプロジェクトを含め、急速な進歩を続けました。最初の市販のダイナミックスクリーン音声生成装置は1990年代に開発されました。コンピュータベースのコミュニケーションボードの製造を可能にするソフトウェアが開発されました。[ 10 ] [ 28 ]ハイテク機器は小型軽量化を続け、[ 28 ]アクセシビリティと機能性が向上しています。コミュニケーション機器は、視線追跡システムを使用してアクセスしたり、ワードプロセッサやインターネットの使用のためのコンピュータとして機能したり、テレビ、ラジオ、電話などの他の機器に独立してアクセスするための環境制御装置として機能したりすることができます。[ 29 ]

スティーブン・ホーキングは、彼が開発した独自の合成装置が生み出す独特の音声で知られるようになりました。ホーキングは筋萎縮性側索硬化症（ALS）による障害と緊急気管切開により、発話が不可能でした。[ 30 ]過去20年ほどの間に、SGDは自閉症、ダウン症候群、そして手術による脳損傷が予測されるなどの言語障害を持つ幼児の間で人気が高まっています。

2000年代初頭から、専門家たちはSGDを成人だけでなく小児にも用いることの利点に気づき始めました。神経言語学者は、SGDがALS患者と同様に、脳手術後に一時的な言語障害のリスクがある小児の治療にも効果的であることを発見しました。特に、デジタル化されたSGDは、回復期にある小児患者のコミュニケーション補助として利用されています。

アクセス方法

デバイス上のメッセージにアクセスする方法は、直接アクセス、間接アクセス、専用アクセスデバイスなど、多岐にわたります。直接アクセスは、キーボードやタッチスクリーンを用いてシステムに物理的に接触することを意味します。一方、専用デバイスを介して間接的にSGDにアクセスするユーザーは、ジョイスティック、ヘッドマウス、光学式ヘッドポインタ、光ポインタ、赤外線ポインタ、スイッチアクセススキャナなどを操作するなど、システムにアクセスするためにオブジェクトを操作する必要があります。[ 1 ]

具体的なアクセス方法は、ユーザーのスキルと能力によって異なります。直接選択の場合は、体の一部、ポインター、適応型マウス、ジョイスティック、または視線追跡を使用できますが[ 31 ] 、スイッチアクセススキャンは間接選択によく使用されます。[ 8 ] [ 32 ]直接選択（キーボードの入力、画面のタッチなど）とは異なり、ターゲットスキャンのユーザーは、電子機器のスキャンインジケーター（またはカーソル）が目的の選択肢にある場合にのみ選択を行うことができます。[ 33 ]指さしができない人は通常、視線で指さし、ブロックで目的の単語やフレーズを選択できるように目を調整します。スキャンの速度とパターン、および項目の選択方法は、ユーザーの身体的、視覚的、認知的能力に合わせて個別化されます。[ 33 ]

メッセージ構築

ダッシャー料金引き上げプログラムのスクリーンショット

補助的代替コミュニケーションは、一般的に音声よりもはるかに遅く、[ 6 ]ユーザーは1分間に8～10語を発話します。[ 34 ]速度向上戦略により、ユーザーの出力速度を1分間に約12～15語まで上げることができ、[ 34 ]結果としてコミュニケーションの効率が向上します。

どのSGDにも、挨拶、欲求の表明、質問など、効率的かつ効果的なコミュニケーションを促進する多数の音声表現が含まれている場合があります。[ 35 ]一部のSGDには、多数の音声表現に対応するために複数ページの記号が用意されているため、一度に表示できる記号は一部のみであり、コミュニケーション担当者はさまざまなページを操作します。[ 36 ]音声生成デバイスは通常、動的に変化する画面または固定ディスプレイを使用して、一連の選択肢を表示します。[ 37 ]

SGDの通信速度を上げるには、主にエンコードと予測という2つの方法があります。[ 6 ]

エンコーディングにより、ユーザーはSGDを1回または2回起動するだけで、単語、文、または句を生成することができます。[ 6 ]セマンティックコンパクションなどのアイコンエンコーディング戦略は、アイコン（絵記号）のシーケンスを組み合わせて単語や句を生成します。[ 38 ]数値エンコーディング、英数字エンコーディング、文字エンコーディング（略語展開とも呼ばれます）では、単語や文は文字と数字のシーケンスとしてコード化されます。例えば、「HH」または「G1」（Greeting 1）と入力すると、「Hello, how are you?」と表示されます。[ 38 ]

予測は、SGDがユーザーが入力しようとしている単語や語句を予測することでキー入力回数を減らす速度向上戦略です。ユーザーは単語全体を入力することなく、正しい予測を選択できます。単語予測ソフトウェアは、言語における単語の出現頻度、他の単語との関連性、ユーザーの過去の選択、文法的な適合性に基づいて、提示する選択肢を決定します。[ 6 ] [ 38 ] [ 39 ]しかし、静的キーボードレイアウト（スキャンインターフェース使用時）では、予測グリッドレイアウトよりもユーザーが1分あたりに入力する単語数が多いことが示されています。これは、スキャンインターフェースを使用する場合、新しい配列を確認する認知的オーバーヘッドが予測レイアウトの利点を打ち消すことを示唆しています。[ 40 ]

レート向上のための別のアプローチはDasherである。[ 41 ]これは言語モデルと算術符号化を使用して、履歴に基づいて、その可能性に応じた大きさで代替文字ターゲットを画面に表示する。[ 42 ] [ 43 ]

生成される単語の速度はシステムの概念レベルに大きく依存する。ユーザーが多数の文レベルの発話から選択できるTALKシステムは、60wpmを超える出力速度を示した。[ 44 ]

固定および動的表示装置

固定表示装置

固定ディスプレイを備えた音声生成装置

固定表示装置とは、記号や項目が特定の形式で「固定」されている表示装置のことです。一部の資料では、これを「静的」表示装置と呼んでいます。[ 45 ]このような表示装置は、他の表示装置よりも学習曲線が簡単です。

固定型表示装置は、通信ボードのようなローテクAAC装置（ローテクとは、電池、電気、電子機器を必要としない装置と定義される）の典型的な配置を模倣している。これらにはいくつかの欠点があり、例えば、表示できる記号やメッセージの数は通常限られている。[ 37 ] 21世紀の技術進歩により、固定型SGDはもはや一般的に使用されなくなったことに注意する必要がある。

ダイナミックディスプレイデバイス

ダイナミックディスプレイデバイスは通常、タッチスクリーンデバイスでもあります。通常、電子的に生成された視覚的なシンボルを生成し、それを押すと表示される選択肢のセットが切り替わります。ユーザーはページリンクを使用して、適切な語彙やメッセージのページに移動することで、利用可能なシンボルを変更できます。

合成音声とデジタル音声の両方を出力できる、ダイナミックディスプレイを備えた音声生成装置

動的表示装置の「ホーム」ページには、様々な文脈や会話の話題に関連するシンボルが表示されることがあります。これらのシンボルのいずれかを押すと、その話題に関連するメッセージを含む別の画面が開きます。[ 37 ]例えば、バレーボールの試合を観戦しているときに、ユーザーは「スポーツ」のシンボルを押すとスポーツ関連のメッセージを含むページが開き、スコアボードを示すシンボルを押すと「スコアは？」というフレーズを発声することができます。

動的表示装置の利点としては、より豊富な語彙を利用できることと、文章の構成途中を見ることができることが挙げられる[ 35 ]。さらに、動的表示装置の利点として、基盤となるオペレーティングシステムが、携帯電話、テキストメッセージ、電子メールなど、複数の通信チャネルのオプションを提供できることが挙げられます[ 46 ] 。リンショーピング大学の研究では、このような電子メールの書き方の習慣によって、SGDを使用する子供たちは新しい社会的スキルを身につけ、社会参加を高めることができたことが示されています[ 47 ] 。

話すキーボード

音声合成機能を使用して電話で音声を作成するために使用されるキーボード

低価格のシステムには、ダイナミックディスプレイや画面を備えないキーボードとオーディオスピーカーの組み合わせも搭載されています。このタイプのキーボードは、入力したテキストをオーディオスピーカーに直接送信します。画面は必ずしも必要ではありませんが、音声入力画面を必要とせずに、任意のフレーズを音声で読み上げることができます。シンプルな利点の一つとして、音声入力キーボードを標準の電話機やスピーカーフォンと併用することで、発声障害のある人が電話で双方向の会話を行えるようになります。

出力

SGDの出力はデジタル化および/または合成される。デジタル化されたシステムは録音された単語やフレーズを直接再生するが、合成音声は感情的な情報は少なくなるものの、ユーザーが新しい単語を入力して新しいメッセージを話すことができる音声合成ソフトウェアを使用する。[ 48 ] [ 49 ]現在、個人はSGDで録音されたメッセージと音声合成技術を組み合わせて使用​​している。[ 49 ]ただし、一部のデバイスは出力が1種類のみに制限されている。

デジタル化された音声

シンプルなスイッチ操作の音声生成装置

単語、フレーズ、またはメッセージ全体をデジタル化してデバイスに保存し、ユーザーが再生できるようにすることができます。[ 1 ]このプロセスは正式にはボイスバンキングと呼ばれています。[ 50 ]録音された音声の利点には、(a)聞き手に自然な韻律と発話の自然さを提供できること[ 3 ]（たとえば、AACユーザーと同じ年齢と性別の人を選んでメッセージを録音できる）、[ 3 ] (b) 笑い声や口笛など、ユーザーにとって重要と思われる追加の音を提供できることなどがあります。さらに、デジタル化されたSGDは、患者とその家族が自力で話す能力を失ったときに、ある程度の日常性を提供します。

録音された音声のみを使用することの主な欠点は、ユーザーが新しいメッセージを作ることができず、デバイスにあらかじめ録音されているメッセージに制限されてしまうことです。[ 3 ] [ 51 ]デバイスによっては、録音の長さに制限がある場合があります。[ 3 ] [ 51 ]

合成音声

合成音声を使用するSGDは、言語の音声規則を適用してユーザーのメッセージを音声出力（音声合成）に変換します。[ 1 ] [ 49 ]ユーザーは新しい単語やメッセージを自由に作成でき、他の人がデバイスに事前に録音したものに限定されません。[ 49 ]

ユーザーが既に持っているパソコンやスマートフォンを活用するソフトウェアの開発により、合成音声の利用が増加しています。SpokenやAvazといったAACアプリはAndroidとiOSで利用可能で、医療機関を受診したり、特殊な機器の使い方を習得したりすることなく、音声生成デバイスを利用できます。多くの場合、これらのオプションは専用デバイスよりも手頃な価格です。

合成SGDは、単独または組み合わせて使用​​できる複数のメッセージ作成方法を可能にする。メッセージは、文字、単語、フレーズ、文章、画像、記号から作成できる。[ 1 ] [ 51 ]合成音声では、メモリ容量をほとんど必要とせず、メッセージを事実上無制限に保存できる。[ 3 ]

合成音声エンジンは多くの言語で利用可能であり、[ 49 ] [ 51 ]、発話速度、ピッチ範囲、性別、ストレスパターン、休止、発音の例外などのエンジンのパラメータはユーザーが操作することができる。[ 51 ]

キーボードテキスト音声生成装置

選択セットと語彙

SGDの選択セットとは、そのデバイスを使用するユーザーが利用できるすべてのメッセージ、シンボル、コードの集合です。[ 52 ]この選択セットの内容、構成、更新は現在も活発に研究が進められており、ユーザーの能力、興味、年齢など、さまざまな要因の影響を受けます。[ 4 ] AACシステムの選択セットには、ユーザーがまだ知らない単語が含まれる場合があります。これは、ユーザーが「成長して理解できるようになる」ためのものです。[ 4 ]特定のSGDにインストールされるコンテンツには、メーカーが提供する多数のプリセットページが含まれる場合があります。さらに、ユーザーのニーズやデバイスが使用される状況に応じて、ユーザーまたはユーザーのケアチームによって作成された追加ページが多数含まれる場合があります。[ 4 ]

初期コンテンツの選択

研究者のビューケルマンとミレンダは、SGDの初期コンテンツの選択にあたり、家族、友人、教師、介護スタッフなど、様々な情報源を挙げています。一般的に、一人の人間が特定の環境において必要な全ての発声表現を生み出すための知識と経験を持つことはできないため、多様な情報源が必要となります。[ 4 ]例えば、親やセラピストは「 innit（イニット）」のような俗語を加えることを思いつかないかもしれません。[ 53 ]

これまでの研究では、通常の発達段階にある話者の語彙使用とAACユーザーの語彙使用の両方を分析し、新しいAACデバイス用のコンテンツを生成することが試みられてきました。こうしたプロセスは、発話や音声表現のコアセットを生成するには効果的ですが、特定の語彙が必要な状況（例えば、ユーザーの乗馬への興味に直接関連する用語など）ではあまり効果的ではありません。「周辺語彙」とは、個人の興味やニーズに特有または固有の語彙を指します。デバイス用の周辺語彙を開発するための典型的な手法は、複数の「情報提供者」、すなわち兄弟、両親、教師、同僚、その他の関係者へのインタビューを実施することです。[ 4 ]

マッセルホワイトやセントルイスなどの他の研究者は、初期語彙項目はユーザーにとって関心が高く、頻繁に適用でき、幅広い意味を持ち、実用的な機能を持つべきだと示唆している。[ 5 ]これらの基準は、SGDコンテンツの生態学的チェックとしてAAC分野で広く使用されている。[ 4 ]

自動コンテンツメンテナンス

カスタムビルドデバイスを持つAACユーザー

BeukelmanとMirendaは、語彙選択には継続的な語彙維持も含まれると強調しています。[ 4 ]しかし、AACの難しさは、ユーザーまたはその介護者が新しい発話（新しい友人の名前や個人的な話など）を手動でプログラムする必要があり、コンテンツを自動的に追加する商用ソリューションが存在しないことです。[ 34 ]この困難を克服するために、多くの研究アプローチが試みられてきました。 [ 54 ]これらは、ユーザーの友人や家族との会話ログに基づいてコンテンツを生成するなどの「推論入力」から、[ 55 ] Webcrawlerプロジェクトのように、言語教材を見つけるためにインターネットからマイニングされたデータまで多岐にわたります。[ 56 ]さらに、ライフログベースのアプローチを利用することで、ユーザーの1日の間に発生するイベントに基づいてデバイスのコンテンツを変更することができます。[ 54 ] [ 57 ]ユーザーのデータにさらにアクセスすることで、機密性の高いユーザーデータが漏洩するリスクを負いながらも、より高品質なメッセージを生成できます。[ 54 ]例えば、全地球測位システムを利用することで、デバイスのコンテンツを地理的な位置に基づいて変更することができます。[ 58 ] [ 59 ]

倫理的な懸念

最近開発された多くのSGDには、個人が使用するコンテンツを監視するのに役立つパフォーマンス測定および分析ツールが含まれています。これはプライバシーに関する懸念を引き起こし、デバイスユーザーがこのように使用を監視する決定に関与するべきだと主張する人もいます。[ 60 ] [ 61 ]自動コンテンツ生成機能を備えたデバイスの提案に関しても同様の懸念が提起されており、[ 57 ]プライバシーはSGDの設計においてますます要素となっています。[ 53 ] [ 62 ] AACデバイスはユーザーの生活のあらゆる場面で使用されるように設計されているため、AACの使用状況で見られる可能性のある幅広い個人データ管理の問題を中心とした、法的、社会的、および技術的な敏感な問題があります。たとえば、SGDは、自動的に追加された会話やコンテンツのログを削除するユーザーの権利をサポートするように設計する必要があるかもしれません。[ 63 ]

課題

ダイナミック音声生成装置のプログラミングは、通常、コミュニケーション補助専門家によって行われます。患者は通常、希望する言葉やフレーズを選択するため、専門家は患者のニーズに応える必要があります。例えば、患者は年齢、障害、興味などに基づいて異なるフレーズを使用します。そのため、コンテンツの整理には非常に時間がかかります。さらに、SGDは健康保険の適用範囲外となることがほとんどです。その結果、資金と人員の両面でリソースが非常に限られています。ボストン小児病院のジョン・コステロ医師は、このプログラムを病院内および全国の病院で継続し、十分な人員を確保するために、寄付金を募る活動の原動力となっています。

参照

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参考文献

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