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Mit einer konventionellen endoskopischen Hochgeschwindigkeitskamera können die Stimmlippenbewegungen bislang nur in 2D beobachtet und beurteilt werden. Dies beleuchtet die physiologischen Eigenschaften der Stimmlippen jedoch nur unvollständig. Durch Nachbildungen der aus Hemilaynx-Experimenten extrahierten 3D-Stimmlippenschwingungen können die biomechanischen Eigenschaften der Stimmlippen in 3D untersucht werden. Hierfür wurde ein numerisches 3D-Mehr-Massen-Modell (3DM) [1] mit zugehöriger Optimierungsprozedur eingeführt [2]. In der vorliegenden Arbeit werden die biomechanischen Stimmlippeneigenschaften durch Anwendung des 3DM auf experimentelle humane Hemilarynxdaten ermittelt und analysiert.

Die In Vitro-Versuche an exzidierten menschlichen Hemilarynges [3] beschreibt nicht nur die lateralen und longitudinalen Bewegungen der Stimmlippen, sondern auch die sich von inferior nach superior ausbreitende Schleimhautwelle. Die extrahierten Stimmlippenbewegungen werden durch das 3DM mit einem eigenen Optimierungsverfahren angepasst [2]. Während der Optimierung werden verschiedene Modellparameter wie subglottaler Druck (P^sub), Masse (m_i,s), Ankersteifigkeit (k^a _i,s), vertikale Steifigkeit (k^v _i,s), longitudinale Steifigkeit (k^l _i,s) und Ruheposition (x^r _i,s) modifiziert, um die vom Modell erzeugten Stimmlippenbewegungen möglichst realistisch reproduzieren zu können. Die Indizes (i,s) bezeichnen hierbei das Masseelement i auf der horizontalen Ebene s. Detaillierte Beschreibungen des Modells sind in [1] zu finden.

Für die Anwendung werden die experimentellen Hemilarynxdatensätze in die bilaterale Symmetrie verwandelt, da nur die Dynamik einer Stimmlippe in Hemilarynx-Experiment beobachtet werden kann [3]. Außerdem wird die Störung innerhalb der extrahierten 3D-Trajektorien der Stimmlippe durch einen Mittelungsfilter reduziert. Die Strategie der Optimierung beinhaltet eine Verfeinerung, bei der schrittweise immer mehr Einzelmassen berücksichtigt werden [2]. Auf diese Weise können die verschiedenen eingeführten Modellparameter mithilfe eigener Optimierungsfaktoren Q sukzessive adaptiert werden.

In dieser Arbeit wurde das 3DM an zehn verschiedene experimentelle Datensätze mit unterschiedlichen Subglottaldrücken angepasst. Die Differenz zwischen den optimierten 3D-Trajektorien und den experimentellen Stimmlippenbewegungen wird als normierter Fehler (Γ) ermittelt [2]. Außerdem wird die Übereinstimmung zwischen beiden 3D-Trajektorien mittels Korrelationskoeffizienten (κ) bezeichnet.

Die durchschnittlichen Werte (Γ,κ) der Optimierungsprozedur für zehn experimentelle Hemilarynxdatensätze betragen: 0,12±0,02, 83%±2%. Das vorgegebene Symmetrieverhältnis (perfekte Symmetrie = 1) rechts zu links wurde mit 1,01±0,03 gut wiedergegeben. Die Eigenschaften (Masse, Steifigkeit) der Stimmlippen auf verschiedenen Horizontalebenen (s) und Querschnitten (i) sind in Abbildung 1 [Abb. 1] dargestellt. Die Veränderungen der Masse (m_i,s) und Ankersteifigkeit (k^a _i,s) bei unterschiedlichen Subglottaldrücken sind in Abbildung 2 [Abb. 2] dargestellt.

Bei erfolgreicher Anwendung an Datensätze des Hemilarynx-Experiments verifizieren der hinreichend kleine Fehler und der große Korrelationskoeffizient die Anwendbarkeit des Modells mit zugehöriger Optimierungsprozedur. Entlang der verschiedenen Horizontalebenen sind die Massen und die Steifigkeiten superior kleiner als inferior, siehe Abbildung 1 [Abb. 1]. Dies zeigt die relativ hohe physiologische Verschiedenartigkeit der Stimmlippen in vertikaler Richtung. Vermutlich ist die Ursache hierfür, dass der inferiore Teil der Stimmlippen näher an dem steifen Gewebe der Luftröhre sowie des Ringknorpels liegen. Je größer der Subglottaldruck (bzw. Grundfrequenz) ist, desto kleiner ist die berechnete Masse und desto größer ist die Steifigkeit bzw. Ankersteifigkeit, siehe Abbildung 2 [Abb. 2]. Möglicherweise ist die Ursache hierfür, dass die Grundfrequenz direkt proportional zur Steifigkeit und umgekehrt proportional zur Masse ist.

In einer nachfolgenden Studie wird die Verschiedenartigkeit der Stimmlippeneigenschaften entlang unterschiedlicher Dimensionen weiter analysiert. Langfristig soll die Optimierung an klinische Daten angepasst werden, um Symmetriewerte der Stimmlippen und Energieaufwand (subglottaler Druck) quantitativ abzuschätzen.