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23. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie e. V.

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie e. V.

15. - 17.09.2006, Heidelberg

Simulation von nicht-stationären Stimmlippenschwingungen mit einem zeitabhängigen Mehr-Massen-Modell

Simulations of non-stationary vocal fold oscillations with a time-dependent multi-mass model

Vortrag

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie. 23. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie. Heidelberg, 15.-17.09.2006. Düsseldorf, Köln: German Medical Science; 2006. Doc06dgppV40

Die elektronische Version dieses Artikels ist vollständig und ist verfügbar unter: http://www.egms.de/de/meetings/dgpp2006/06dgpp60.shtml

Veröffentlicht: 5. September 2006

© 2006 Wurzbacher et al.
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Zusammenfassung

Mittels Hochgeschwindigkeitsglottographie können Stimmlippenschwingungen während der Phonation in Echtzeit beobachtet und aufgezeichnet werden. Bislang werden primär stationär gehaltene Vokale zur klinischen Beurteilung der Schwingungseigenschaften der Stimmlippen herangezogen, obwohl eine Phonation bei konstanter Lautstärke und mit gleichbleibender Grundfrequenz nur einen Ausschnitt des Stimmrepertoires überprüft. Einen Einblick in eine variierende Stimmlippendynamik erlauben nicht-stationäre Phonationsparadigmen, bei denen der Proband aktiv die Grundfrequenz oder Lautstärke der Phonation verändert. Aus den endoskopischen Videos der nicht-stationären Phonation werden zur Beurteilung der Stimmlippendynamik die Bewegungen der Stimmlippenkanten aus dem dorsalen, medialen und dem ventralen Stimmlippendrittel herangezogen. Die zeitveränderlichen Charakteristiken, wie Amplituden-, Frequenz- und Kollisionsverläufe, der extrahierten Stimmlippenschwingungen werden mit einem Mehr-Massen-Modell zur objektiven und quantitativen Analyse nachgebildet. Die adaptierten zeitabhängigen Modellparameter unterstützen dabei die Interpretation realer Schwingungen der Stimmlippen. Gegenüber einfacheren biomechanischen Modellen bietet ein Mehr-Massen-Modell den Vorteil, auch unterschiedliche Schwingungsverhalten entlang einer Stimmlippenseite simulieren und damit die beobachteten Stimmlippenschwingungen umfassender analysieren zu können.


Text

Einleitung

Derzeit erfolgt die klinische Untersuchung der Stimmlippenschwingungen anhand endoskopischer Hochgeschwindigkeitsvideos bei der Phonation von gehaltenen Vokalen. Der Nachteil derartiger stationärer Untersuchungsparadigmen ist, dass der Patient die Einflussgrößen subglottaler Druck und Muskelspannung nicht variiert und damit nur ein unzureichender Ausschnitt für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Stimme überprüft wird. Aktive Veränderungen von Tonlautstärke und Grundfrequenz zählen zu nicht-stationären Phonationsparadigmen, die auch eine Beurteilung der Stimmlippenschwingungen unter dynamischen Bedingungen ermöglichen [1]. Irregularitäten in den beobachteten Schwingungen resultieren in einer heiseren Stimme. Vorwiegend werden bisher nur links/rechts Asymmetrien der medialen Stimmlippenschwingungen bewertet. Jedoch ist es für eine umfassende Analyse wichtig, auch die longitudinalen Schwingungsmoden und das unterschiedliche Schwingungsverhalten zwischen dem dorsalen und ventralen Anteil der Stimmlippen zu betrachten. Um dies zu untersuchen, werden die Stimmlippenschwingungen an dorsaler, medialer und ventraler Position zur Bewertung herangezogen. Mit der Zielsetzung ein objektives und quantitatives Maß der Schwingungsasymmetrie zu berechnen, wird ein Mehr-Massen-Modell (MMM) der Stimmlippen eingesetzt. Das Schwingungsverhalten des MMM wird an die beobachteten Bewegungskurven angepasst. Die Modelparameter geben Auskunft über die Änderung der Schwingungseigenschaft. Es wird gezeigt, dass das MMM reale nicht-stationäre Stimmlippenschwingungen mit unterschiedlichen Charakteristiken simulieren kann.

Methode

Zur erstmaligen Anwendung der MMM-basierten Auswertung nicht-stationärer Stimmlippenschwingungen wurde ein Hochgeschwindigkeitsvideo eines stimmgesunden Probanden während einer nicht-stationären Phonation aufgenommen. Das endoskopische Video zeigt die Stimmlippen während einer Grundfrequenzerhöhung. Aus dem Video wird die Bewegung der Stimmlippenkanten an dorsaler, medialer und ventraler Position mittels Bildverarbeitung extrahiert (Abbildung 1 oben [Abb. 1]). Für eine objektive und quantitative Bewertung der extrahierten Bewegungskurven wird ein biomechanisches Stimmlippenmodell verwendet. Frühere Untersuchungen haben bereits zeigen können, dass mittels eines Zwei-Massen-Modells (2MM), das aus gekoppelten Feder-Masse Oszillatoren besteht, reale Stimmlippenschwingungen aus dem medialen Bereich nachgebildet werden können [2]. Die Simulation nicht-stationärer Schwingungen gelingt durch zeitabhängige Modellgrößen [3]. Für die Simulation der Schwingungsmoden entlang einer Stimmlippe ist eine Erweiterung des 2MM vorgenommen worden, weil es auf den medialen Bereich begrenzt ist. Das MMM ist aus parallel geschalteten 2MM-Elementen zusammengesetzt, die durch horizontale Kopplungsfedern miteinander verbunden sind (Abbildung 1 unten [Abb. 1]) und durch den subglottalen Druck zu Schwingungen angeregt werden. Eine Variation der Modellparameter, d.h. von Massenwerten, Federsteifigkeiten, subglottaler Druck und Glottisform, bewirkt eine Dynamikveränderung des MMM. Indem diese Modellarameter zeitabhängig verändert werden, wird das Schwingungsverhalten des MMM an nicht-stationäre reale Stimmlippenschwingungen angepasst. Eine Optimierungsprozedur stellt die Modellparameter derart ein, dass die Frequenz- und Amplitudenverläufe zwischen der Beobachtung und den MMM-Simulationen übereinstimmen.

Ergebnisse

Die Abbildung 1 [Abb. 1] zeigt einen 25 ms langen Ausschnitt von Stimmlippenschwingungen und die mit dem MMM nachgeahmte Schwingungscharakteristik. Durch die gewählten Modellparameter konnte eine Übereinstimmung in Frequenz, Amplitude und Form der Bewegungskurven erzielt werden. Das Öffnungs- und Schließverhalten stimmt überein. Die dorsale Glottisschlussinsuffizienz kann mit dem MMM nachgebildet werden.

In Abbildung 2 [Abb. 2] sind die Ergebnisse der MMM-Anpassung an die Bewegungscharakteristik der Grundfrequenzerhöhung dargestellt. Jedes Teilbild zeigt den dorsalen, medialen und ventralen Amplitudenverlauf. Jede Stimmlippenseite besitzt zwei Amplitudenverläufe, jeweils einen für die maximalen bzw. minimalen Stimmlippenauslenkungen. Ein Glottisschluss ist in dieser Darstellungsart durch identische minimale Amplitudenverläufe zwischen linker und rechter Seite zu erkennen. Zu Beginn der Aufnahme ist in allen drei Stimmlippendritteln kein Glottisschluss vorhanden. Erst im späteren Verlauf kommt es in den dorsalen, medialen und ventralen Bereichen zu einem Glottisschluss, der durch horizontale Pfeile in Abbildung 2 [Abb. 2] markiert ist. Die Grundfrequenz steigt in der 370 ms dauernden Phonation von 180 Hz bis auf 448 Hz an. Der Grundfrequenzverlauf zwischen der Beobachtung und der MMM-Simulation weicht im Mittel um 1,7 Hz ab. Die maximalen Amplituden reduzieren sich vom Beginn bis zum Ende der Phonation um 1/7. Der relative Fehler zwischen den beobachteten Amplitudenverläufen und denen des MMM beträgt 5,4%.

Diskussion

Nicht-stationäre Phonationsparadigmen, wie die Erhöhung der Grundfrequenz, überprüfen eine variierende Stimmlippendynamik und decken damit einen größeren Stimmbereich bei der Diagnostik ab, als konventionelle stationäre Phonationsparadigmen. Eine modellbasierte Auswertung der aufgenommenen Stimmlippenschwingung wird durch das vorgestellte zeitabhängige MMM ermöglicht. Neben lateralen Bewegungen können auch longitudinale Unterschiede im Schwingungsverhalten und unterschiedliche Glottisschlusstypen mit dem MMM nachgebildet werden [4]. Diese longitudinalen Bewegungsmuster tragen zur vollständigen Charakterisierung der Schwingung bei. Die Kombination aus nicht-stationärer Phonation und den MMM Simulationen erlaubt eine umfassende quantitative und objektive Schwingungsanalyse der Stimmlippen. In weiteren Studien ist zu klären, inwieweit die ermittelten Modellparameter Aufschluss über vorliegende Asymmetrien geben.


Literatur

1.
Hoppe U, Rosanowski F, Döllinger M, Lohscheller J, Eysholdt U. Visualization of the laryngeal motorics during a glissando. J Voice. 2003;17:370-6.
2.
Döllinger M, Hoppe U, Hettlich F, Lohscheller F, Schubert S, Eysholdt U. Vibration Parameter Extraction From Endoscopic Image Series of the Vocal Folds. IEEE Trans Biomed Eng. 2002;49(8):773-81.
3.
Wurzbacher T, Schwarz R, Döllinger M, Hoppe U, Eysholdt U, Lohscheller J. Model-based classification of non-stationary vocal fold vibrations. J Acoust Soc Am. 2006; im Druck.
4.
Södersten M, Lindestad P. Glottal closure and perceived breathiness during phonation in normally speaking subjects. J Speech Hear Res. 1990;33:601-11.