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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

Phonovibrography – Validierung und klinischer Nutzen

Poster

  • corresponding author presenting/speaker Joerg Lohscheller - Universitätsklinikum Erlangen, Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Erlangen, Germany
  • author Hikmet Toy - Universitätsklinikum Erlangen, Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Erlangen, Germany
  • author Frank Rosanowski - Universitätsklinikum Erlangen, Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Erlangen, Germany
  • author Ulrich Eysholdt - Universitätsklinikum Erlangen, Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Erlangen, Germany
  • author Michael Döllinger - Universitätsklinikum Erlangen, Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Erlangen, Germany

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. Doc06dgppP17

Die elektronische Version dieses Artikels ist vollständig und ist verfügbar unter: http://www.egms.de/de/meetings/dgpp2006/06dgpp63.shtml

Veröffentlicht: 5. September 2006

© 2006 Lohscheller et al.
Dieser Artikel ist ein Open Access-Artikel und steht unter den Creative Commons Lizenzbedingungen (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.de). Er darf vervielf&aauml;ltigt, verbreitet und &oauml;ffentlich zug&aauml;nglich gemacht werden, vorausgesetzt dass Autor und Quelle genannt werden.


Zusammenfassung

Die zur Zeit zur Verfügung stehenden Analyseverfahren zur Auswertung von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen (HG-Aufnahmen) sind größtenteils nicht hinreichend klinisch validiert. Daher werden nach wie vor HG-Aufnahmen visuell bewertet und die erfolgreiche Etablierung des Verfahren ist in der klinischen Anwendung noch nicht gelungen.

Wir stellen ein Analysewerkzeug vor, welches die Glottis segmentiert und anschließend die Stimmlippenkanten rekonstruiert. Die Ergebnisse eines nahezu vollständig automatisierten Analyseverfahrens wurden in einer umfassenden Studie objektiv an mehr als 350 HG-Aufnahmen validiert. Dabei wurden mehr als 20.000 manuell bestimmte Referenzpunkte mit den Segmentierungsergebnissen verglichen. Es wurde gezeigt, dass die Genauigkeit der Bildverarbeitung der von Expertenbewertungen wenigstens ebenbürtig ist.

Die Segmentierung von Stimmlippenbewegungen stellt im eigentlichen Sinne noch keine Analyse der Bewegungsmuster dar. Zur Bewertung der segmentierten Schwingungsmuster haben wir das Visualisierungskonzept der Phonovibrography entwickelt. Dieses Verfahren ermöglicht eine vollständige und vor allem intuitiv fassbare Beschreibung von Stimmlippenschwingungen. Die Stimmlippendynamik wird dabei in einfache geometrische Formen überführt, die sich quantitativ beschreiben lassen. Aufgrund der einfachen Verwendbarkeit dieses Verfahrens ist diese Visualisierungstechnik für die unmittelbare Befundung laryngealer HG-Aufnahmen im klinischen Umfeld geeignet.


Text

Einleitung

Ein wesentlicher Bestandteil der phoniatrischen Diagnostik von Stimmstörungen ist der Einsatz bildgebender Verfahren zur endoskopischen Untersuchung der Kehlkopfes. Während makroskopische Veränderungen direkt in einem Standbild erkennbar sind (Laryngitis, Polyp, Leukoplakie) können die Auswirkungen mikroskopischer Veränderungen häufig erst während der Phonation beobachtet werden. Die endoskopische Untersuchung von Stimmlippenschwingungen mittels Hochgeschwindigkeitsvideos (HG-Videos) gestattet das Aufzeichnen der Bewegungsmuster von Stimmlippen während der Phonation mit hoher zeitlicher Auflösung [1], [2]. Durch eine Visualisierung laryngealer Bewegungsvorgänge lassen sich so Erkenntnisse über die pathophysiologische Dynamik von Stimmlippenschwingungen gewinnen. Ziel ist die Beschreibung der pathologischen Stimmlippendynamik in klinisch nutzbare Aussagen zu transferieren.

In der klinischen Praxis werden HG-Aufnahmen, ebenso wie stroboskopische Aufnahmen, nach dem Leitfaden der European Laryngological Society noch visuell bewertet [3]. Aufgrund der subjektiven Natur dieser Bewertung lassen sich aus den aufgezeichneten Bewegungsvorgängen keine quantitativen Maße ermitteln, die den Zusammenhang zwischen Schwingungsirregulariät und Stimmstörung quantifizieren.

Das enorme Potential der HG-Technik gegenüber der Stroboskopie, kann nur dann für die medizinische Diagnostik genutzt werden, wenn rechnergestützte Analyseverfahren zur Anwendung kommen. Die zur Zeit zur Verfügung stehenden Verfahren [4], [5] sind jedoch bisher weder standardisiert noch hinreichend klinisch validiert. Da die HG-Technik ohne geeignete Analyseverfahren keinen Mehrwert gegenüber der Stroboskopie besitzt, ist die Etablierung der HG- Technik in die klinischen Anwendung noch nicht gelungen.

Methode und Ergebnisse

Wir haben ein objektives Analysewerkzeug entwickelt, welches die Bewegungen der beiden freien Stimmlippenkanten aus HG-Aufnahmen rekonstruiert und quantitativ beschreibt. Die Ergebnisse des nahezu vollständig automatisierten Verfahrens wurden in einer umfassenden Studie objektiv an 372 HG-Aufnahmen validiert. Die Genauigkeit der Segmentierung wurde quantitativ bestimmt, indem der Abstand der segmentierten Stimmlippenkanten zu mehr als 20.000 Referenzpunkten berechnet wurde, die durch 10 Experten in mehr als 700 Standbildern manuell bestimmt wurden (Abbildung 1 [Abb. 1]). Es konnte gezeigt werden, dass die Güte der Segmentierung die Genauigkeit der Expertengruppe übertrifft und im Mittel weniger als 3 Pixel beträgt [6].

Die Segmentierung der Stimmlippenkanten stellt im eigentlichen Sinne noch keine Analyse ihres Bewegungsmusters dar. Zur Bewertung der segmentierten Schwingungsmuster haben wir daher das Visualisierungskonzept der Phonovibrographie entwickelt [7]. Dieses Verfahren ermöglicht eine vollständige und vor allem intuitiv fassbare Beschreibung von Stimmlippenschwingungen. Die Stimmlippendynamik wird dabei in einfache geometrische Formen überführt, die sich quantitativ beschreiben lassen. Jedes Bild in Abbildung 2 [Abb. 2] zeigt beispielhaft 3 Schwingungszyklen von Stimmlippenschwingungen, welche als PVG visualisiert sind.

In Abhängigkeit des Schwingungsmusters entstehen innerhalb der PVG-Darstellung unterschiedliche Muster. Die linke und mittlere Abbildung zeigen jeweils ein PVG eines männlichen und weiblichen Probanden, die kein Anzeichen einer Stimmerkrankung aufweisen. Die Muster innerhalb der PVGs (Rechteck, Dreieck) sind für die linke und rechte Stimmlippe symmetrisch und sind für die drei Schwingungszyklen identisch. Dies kennzeichnet das gesunde Schwingungsmuster von Stimmlippen, welches sich in der Regel durch Symmetrie und Regularität auszeichnet. Die unterschiedlichen PVG-Geometrien zeigen deutlich, dass auch bei gesunder Stimmgebung unterschiedliche Schwingungsarten von Stimmlippen auftreten (Dreieck, Rechteck).

Die rechte Abbildung zeigt beispielhaft ein PVG einer weiblichen Probandin mit linksseitiger Stimmlippenlähmung. Hier sind im PVG deutliche Unterschiede zwischen linker und rechter Stimmlippenseite zu erkennen. Der Grad der Schwingungsasymmetrie lässt sich direkt aus dem Grad der PVG-Asymmetrie ableiten. Aufgrund der einfachen Verwendbarkeit dieses Verfahrens ist diese Visualisierungstechnik für die unmittelbare Befundung laryngealer HG-Aufnahmen im klinischen Umfeld geeignet.

Diskussion

Um das Potential der HG-Technik für die klinische Anwendung zu erschließen, haben wir ein Verfahren entwickelt, welches eine Bewertung der Stimmlippenbewegungen aus den HG-Sequenzen ermöglicht. Wir stellen ein validiertes Analysewerkzeug vor, welches die Dynamik der Stimmlippenbewegungen aus HG-Aufnahmen extrahiert und in einer zweidimensionalen Darstellung überführt. Die Visualisierungstechnik transformiert das Bewegungsmuster von Stimmlippenschwingungen in einfache geometrische Objekte. Die Analyse der PVG-Geometrien ermöglicht eine quantitative Beschreibung des Schwingungsmusters von Stimmlippen. Mit Hilfe entsprechender Analysesoftware lassen sich HG-Sequenzen in wenigen Sekunden analysieren. Die Phonovibrographie stellt die Grundlage weitergehender quantitativer Analysen des Schwingungsverhaltens von Stimmlippen dar, sowohl für weitere pathophysiologische Grundlagenbetrachtungen als auch für die klinische Anwendung.


Literatur

1.
Hess MM, Herzel H, Koester O, et al. Endoscopic imaging of vocal cord vibrations. Digital high-speed recording with various systems. HNO. 1996;44(12):685-93.
2.
Eysholdt U, Rosanowski F, Hoppe U. Vocal fold vibration irregularities caused by different types of laryngeal asymmetry. Eur Arch Otorhinolaryngol. 2003;260(8):412-7.
3.
Dejonckere PH, Bradley P, Clemente P, Cornut G, Crevier-Buchman L, Friedrich G, Van De Heyning P, Remacle M, Woisard V. A basic protocol for functional assessment of voice pathology, especially for investigating the efficacy of (phonosurgical) treatments and evaluating new assessment techniques. Guideline elaborated by the Committee on Phoniatrics of the European Laryngological Society (ELS).
4.
Hertegard S, Larsson H, Wittenberg T. High-speed imaging: applications and development. Logoped Phoniatr Vocol. 2003;28(3):133-9.
5.
Yan Y, Ahmad K, Kundak M, Bless D. Analysis of vocal-fold vibrations from high-speed laryngeal images using a Hilbert transform based methodology. J Voice. 2005;19(2):161-75.
6.
Lohscheller J, Toy H, Rosanowski F, Eysholdt U, Döllinger M. Clinically evaluated procedure for the reconstruction of vocal fold vibrations from endoscopic digital high-speed videos. Eingereicht bei Med Image Anal. 2006.
7.
Lohscheller J, Eysholdt U, Toy H, Döllinger M. Phonovibrography: Mapping high-speed movies of vocal fold vibrations into 2D-diagrams for visualizing and analyzing the underlying laryngeal dynamics. Eingereicht bei IEEE T Med Imaging. 2006.