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Dreiländertagung D-A-CH
24. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie e. V.

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie e. V.

28. - 30.09.2007, Innsbruck, Österreich

Quantifizierung gesunder Stimmlippendynamik mittels Phonovibrogrammen

Quantification of vocal fold dynamics based on phonovibrograms

Poster

  • author presenting/speaker Johannes Havla - Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
  • author Michael Döllinger - Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
  • author Ulrich Eysholdt - Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
  • corresponding author Jörg Lohscheller - Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie. Sektion Phoniatrie der Österreichischen Gesellschaft für HNO-Heilkunde, Kopf- und Halschirugie. Schweizerische Gesellschaft für Phoniatrie. Dreiländertagung D-A-CH, 24. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie e.V.. Innsbruck, Österreich, 28.-30.09.2007. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2007. Doc07dgppP11

Die elektronische Version dieses Artikels ist vollständig und ist verfügbar unter: http://www.egms.de/de/meetings/dgpp2007/07dgpp37.shtml

Veröffentlicht: 28. August 2007

© 2007 Havla et al.
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Zusammenfassung

Mit endoskopischen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen (HG-Aufnahmen) lassen sich die Bewegungsmuster der Stimmlippen in Echtzeit erfassen. Für eine quantitative und damit objektive Analyse der HG-Aufnahmen wurde die Phonovibrographie entwickelt. Mit diesem Verfahren werden die oszillierenden Stimmlippenkanten aus den HG-Aufnahmen extrahiert und anschließend in einem 2D Bild, dem Phonovibrogramn (PVG), visualisiert. Durch Quantifizierung der geometrischen Muster innerhalb eines PVGs lassen sich die Schwingungen beider Stimmlippen unabhängig voneinander analysieren.

In der hier vorgestellten Studie wurde die Phonovibrographie zur Analyse von 12 gesunden männlichen und 12 weiblichen Probanden verwendet. Um die Stabilität des Verfahrens zu verifizieren, wurden von jeder HG-Aufnahme eines Probanden zwei Teilsequenzen analysiert. Anschließend wurden die Schwingungsmuster für beide Teilsequenzen getrennt voneinander quantifiziert. Bei allen Probanden stimmen die Ergebnisse der PVG-Analyse beider Teilsequenzen in hohem Maße miteinander überein. Normale Stimmlippenschwingungen lassen sich somit mit dem PVG-Verfahren reproduzierbar quantifizieren. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung für die klinische Verwendbarkeit des Verfahrens dar. Die PVG-Analyse zeigt sich weiterhin so sensitiv, dass Schwingungsmuster verschiedener Probanden eindeutig voneinander unterschieden werden können. In weiterführenden Studien soll die Anwendbarkeit der Phonovibrographie zur Differenzierung gesunder und pathologischer Stimmgebung untersucht werden.


Text

Einleitung

Mit endoskopischen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen (HG-Aufnahmen) lassen sich die Bewegungsmuster von Stimmlippen in Echtzeit erfassen. Im Gegensatz zur Stroboskopie werden mit der HG-Technik selbst stark irreguläre Schwingungsformen korrekt aufgezeichnet. In den letzten Jahren wurden verschiedene Verfahren entwickelt, die eine quantitative Beschreibung von Stimmlippenschwingungen aus HG-Sequenzen zum Ziel haben [1], [2], [3]. Der Transfer der in den Studien gewonnenen pathophysiologischen Erkenntnisse in klinische Aussagen ist bisher jedoch nur ansatzweise gelungen.

Für eine quantitative und damit objektive Analyse von HG-Aufnahmen stellen wir das Verfahren der Phonovibrographie vor [4]. Das Verfahren extrahiert die oszillierenden Stimmlippenkanten aus den HG-Aufnahmen und visualisiert das gesamte Schwingungsmuster beider Stimmlippen in nur einem 2D-Bild, dem Phonovibrogramn (PVG). In Abhängigkeit von der individuellen Stimmlippenschwingung werden die Bewegungsmuster in einem PVG in statische geometrische Muster überführt. Durch Quantifizierung der geometrischen Muster innerhalb der PVGs lassen sich die Schwingungen beider Stimmlippen unabhängig voneinander analysieren und quantitativ beschreiben [5].

Die klinische Anwendbarkeit automatischer Analyseverfahren ist von deren Stabilität und Genauigkeit abhängig. In der hier vorgestellten Studie wird gezeigt, dass mittels der PVG-Analyse eine präzise und reproduzierbare Quantifizierung gesunder Stimmlippenschwingungen möglich ist.

Methode

Zur Verifizierung des PVG-Verfahrens wurden in dieser Studie 12 stimmgesunde Logopädinnen der Staatlichen Berufsfachschule für Logopädie Erlangen sowie 12 Sänger des Knabenchores der Regensburger Domspatzen untersucht. Die Teilnehmer der Studie waren im Sinne der aktuellen Konvention von Helsinki über die HG-Untersuchung informiert und haben dieser zugestimmt. Von jedem Probanden wurde eine HG-Aufnahme während der Phonation des stationären Vokals /a/ durchgeführt. Die HG-Aufnahmen (4000 Bildern/Sekunde, 256x256 Pixel) wurden mit dem System Highspeed Endocam 5542 der Firma Wolf durchgeführt.

Zur Analyse der HG-Aufnahmen wurde die Phonovibrographie verwendet [4]. Um die Stabilität des Verfahrens zu verifizieren, wurden von jeder HG-Aufnahme eines Probanden zwei Teilsequenzen analysiert, die jeweils aus 750 Einzelbildern bestehen. Für jede Teilsequenz wurden die medialen Kanten beider Stimmlippen extrahiert [6] und in einem PVG visualisiert. Abbildung 1 [Abb. 1] zeigt exemplarisch das PVG einer weiblichen Probandin über einen Zeitraum von 125 ms (500 Bilder). Zur quantitativen Analyse der Schwingungsmuster in einem PVG wurden in einem weiteren Schritt die einzelnen Schwingungszyklen der Stimmlippen automatisch detektiert und ins PVGnorm überführt (siehe Abbildung 1 [Abb. 1], rechts). Im PVGnorm wird abschließend die geometrische Form des PVG-Musters für beide Stimmlippen durch insgesamt 8 Geraden approximiert und durch die Winkelparameter α1,2 l,r und β1,2 l,r beschrieben (siehe Abbildung 1 [Abb. 1], rechts). Für eine analysierte Teilsequenz, welche im allgemeinen Fall N Schwingungszyklen beinhaltet, lassen sich so insgesamt N Winkelparamter α1,2 l,r und β1,2 l,r berechnen.

Ergebnisse

Abbildung 2 [Abb. 2] zeigt exemplarisch für eine weibliche Probandin (links) und einen männlichen Probanden (rechts) die berechneten Parameterwerte beider Stimmlippen α1,2 l,r und β1,2 l,r (Mittelwert +/- Standardabweichung) für beide Teilsequenzen einer HG-Aufnahme. In beiden Fällen ist eine deutliche Übereinstimmung der berechneten mittleren Winkelmaße zwischen beiden Teilsequenzen als auch eine ausgeprägte links/rechts Symmetrie erkennbar. Die Stabilität der Stimmlippenschwingungen lässt sich an den geringen Standardabweichungen der Winkelmaße erkennen.

Die in Abbildung 2 [Abb. 2] gezeigten Ergebnisse sind repräsentativ für alle in der Studie ausgewerteten HG-Aufnahmen. Im Mittel weichen bei den Probandinnen die Winkelmaße der aufeinander folgenden Teilsequenzen um lediglich 1,6° +/- 0,47° ab. Bei den männlichen Sängern liegt eine Abweichung der Winkelmaße zwischen den Teilsequenzen um 2,3° +/- 0,56° vor.

Die Stabilität der Schwingungsmuster wird für beide Gruppen durch die mittlere Standardabweichung der Winkelmaße repräsentiert. Die mittlere Stabilität beträgt bei den weiblichen Probandinnen 3,5° +/- 0,75° und bei den Sängern 3,7° +/- 0,97°.

Zur Beschreibung der links/rechts Schwingungssymmetrie eignet sich die mittlere Abweichung der berechneten Winkelmaße zwischen linker und rechter Seite. Sie beträgt 5,4° +/- 0,5° für die weiblichen und 5,9° +/- 1,9° für die männlichen Probanden.

Diskussion

Die Auswertung der hier vorgestellten Studie zeigt, dass bei gesunden Probanden die Ergebnisse der PVG-Analyse nahezu unabhängig von der gewählten Teilsequenz einer HG-Aufnahme sind. Bei allen Probanden stimmen die Ergebnisse der PVG-Analyse beider Teilsequenzen in hohem Maße miteinander überein. Gesunde Stimmlippenschwingungen lassen sich mit dem PVG-Verfahren präzise und reproduzierbar quantifizieren. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung für die weitere klinische Verwendbarkeit des Verfahrens dar.

Die PVG-Analyse zeigt sich weiterhin so sensitiv, dass Schwingungsmuster verschiedener gesunder Probanden eindeutig voneinander unterschieden und auch geringe links/rechts Asymmetrien identifiziert werden können.

Durch Erzeugung von Phonovibrogrammen lässt sich der komplexe Schwingungsvorgang von Stimmlippen in einem zweidimensionalen PVG-Bild visualisieren und durch die eingeführten Winkelmaße quantitativ beschreiben. Die Phonovibrographie ermöglicht eine objektive, quantitative und reproduzierbare Beschreibung von Stimmlippenschwingungen. In weiterführenden Studien soll die Anwendbarkeit der Phonovibrographie zur Differenzierung gesunder und pathologischer Stimmgebung untersucht werden.


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.
Hertegard S, Larsson H, Wittenberg T: High-speed imaging: applications and development. Logoped Phoniatr Vocol. 2003;28(3):133-9.
3.
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.
4.
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. IEEE T Med Imaging. 2006, in press.
5.
Eysholdt U, Lohscheller J. Phonovibrogram: vocal fold dynamics integrated within a single image. HNO. Epub 2007 May 15, ahead of print.
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. Med Image Anal. Epub 2007 Apr 29, ahead of print.