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

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie e. V.

17.09. - 19.09.2010, Aachen

Bestimmung lokaler Gewebesteifigkeit entlang der Stimmlippenkante mittels optischer Stereo-Triangulation am Beispiel exzidierter Stimmlippen von Schweinen

Vortrag

  • corresponding author presenting/speaker Björn Hüttner - Phoniatrische und Pädaudiologische Abteilung der Uni-Klinik Erlangen, Deutschland
  • author Georg Luegmair - Phoniatrische und Pädaudiologische Abteilung der Uni-Klinik Erlangen, Deutschland
  • author Dorothea Mathies - Phoniatrische und Pädaudiologische Abteilung der Uni-Klinik Erlangen, Deutschland
  • author Melanie Tiemann - Phoniatrische und Pädaudiologische Abteilung der Uni-Klinik Erlangen, Deutschland
  • author Ulrich Eysholdt - Phoniatrische und Pädaudiologische Abteilung der Uni-Klinik Erlangen, Deutschland
  • author Michael Döllinger - Phoniatrische und Pädaudiologische Abteilung der Uni-Klinik Erlangen, Deutschland

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie. 27. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie (DGPP). Aachen, 17.-19.09.2010. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2010. Doc10dgppV23

DOI: 10.3205/10dgpp32, URN: urn:nbn:de:0183-10dgpp321

Published: August 31, 2010

© 2010 Hüttner et al.
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Zusammenfassung

Hintergrund: Die Dynamik der Stimmlippen während der Phonation wird mit Hilfe von numerischen und physikalischen Modellen simuliert. Für realitätsnahe Simulationen werden Modelle mit möglichst natürlichen Materialeigenschaften und somit einem realen Schwingungsverhalten entwickelt. Als Datenquelle hierfür eignen sich besonders in vitro Experimente.

Material und Methoden: Elastische Eigenschaften von 10 Schweine-Stimmlippen werden in statischen Zugversuchen an exzidierten Halb-Kehlköpfen vermessen. Dabei werden selektiv Zugkräfte an drei markanten Punkten entlang der Stimmlippenkante in das Epithel oder den Muskel eingeleitet. Zur Bestimmung der auftretenden Deformationen werden 3x3 Positionsmarker ins Epithel eingenäht, deren 3D-Koordinaten mittels zweier Digital-Kameras per Stereo-Triangulation berechnet werden. Die lokalen Auslenkungen von Muskel bzw. Epithel auf der Stimmlippenoberfläche werden vermessen.

Ergebnisse: Die Ergebnisse zeigen ein nichtlineares Deformationsverhalten von Muskel und Epithel für ansteigende Krafteinwirkung. Von Posterior nach Anterior wurde eine Veränderung der Gewebesteifigkeit, d.h. nicht homogene Materialeigenschaften sowie ein variabler Elastizitätsmodul, beobachtet.

Diskussion: Die Ergebnisse lassen folgern, dass synthetische Stimmlippen komplexer als bisher gebaut werden müssen, um realitätsnahe Eigenschaften aufzuweisen. Für zukünftige klinische Anwendungen lässt die Methode Rückschlüsse auf Bereiche mit minimalem Einfluss auf die Dynamik zu, welche sich für operative Eingriffe eignen könnten.


Text

Einleitung und Hintergrund

Die Schwingungen der Stimmlippen während der Phonation werden durch die Beschaffenheit und die elastischen Eigenschaften des beteiligten Gewebes beeinflusst. Die hier vorgestellte Methode misst in in vitro-Experimenten lokale Gewebesteifigkeiten entlang der Stimmlippenkante. Die Ergebnisse weisen auf lokale Unterschiede hin. Dieses Wissen kann zukünftig bei Operationen und der Entwicklung künstlicher Stimmlippen berücksichtigt werden.

Material und Methode

In statischen Zugversuchen werden die elastischen Eigenschaften von 10 Schweine-Stimmlippen vermessen. Mittels eines Sagittalschnitts wird eine Stimmlippe entfernt, wodurch ein Hemi-Larynx mit freier Sicht auf die verbleibende Stimmlippe entsteht. Über Zugfäden und Gewichte werden Kräfte an drei markanten Stellen (posterior-mitte-anterior) in die Stimmlippenkante eingeleitet. Auf der Stimmlippe aufgenähte Markerpunkte aus mikrochirurgischen Fäden dienen als Positionsmarker, aus deren Lageveränderung die resultierende Stimmlippendeformation berechnet wird. Die Marker der obersten Reihe sind entlang der Stimmlippenkante angeordnet und dienen zusätzlich zum Einleiten der Zugkräfte (6.0er Ethilon). Diese Zugmarker werden wahlweise ins Epithel oder den Muskel eingenäht, was die Deformation spezifischer Gewebeschichten ermöglicht. Die Positionsmarker der darunter gelegenen Reihen (9.0er Ethilon) werden im Epithel verankert um möglichst wenig Gewebe zu beeinflussen. Um Bewegungen des umliegenden Gewebes zu vermeiden wird der Hemi-Larynx fixiert, wodurch eingeleitete Zugkräfte lediglich eine Auslenkung der Stimmlippe hervorrufen.

Die Lage der Positionsmarker wird mit zwei Digitalkameras aus unterschiedlichen Perspektiven fotografiert. Dies ermöglicht eine dreidimensionale (3D) Rekonstruktion der Markerpunkte [1] und folglich eine 3D-Analyse der Stimmlippendeformationen.

Die Zugkräfte werden durch Gewichte (1g, 2g, 5g, 10g, 15g, 20g; F=m*g) erzeugt. Die Analyse der Gewebeelastizität erfolgt in zwei Schritten:

1.
Berechnung der eingeleiteten Kraft F und der resultierenden Auslenkung: Da nicht gewährleistet werden kann, dass bei allen 10 Stimmlippen exakt in die gleiche Richtung gezogen wird, wird der eingeleitete Kraftvektor in die drei Raumkomponenten zerlegt. Anschließend wird der Kraftanteil berechnet, welcher vertikal auf die Stimmlippenkante wirkt. Als Auslenkung wird die vertikale Differenz zwischen dem gezogenen Marker im ausgelenkten und unausgelenkten Zustand definiert.
2.
Berechnung von Zugspannung Formel 1 und Dehnung Formel 2 ist die Fläche, auf welche die eingeleitete Kraft wirkt. Da die Versuche an kompletten Stimmlippen durchgeführt werden, kann diese jedoch nicht bestimmt werden. Allerdings gilt σ~F. Die vertikale Auslenkung ΔL wird auf die Referenzlänge L0 normiert. L0 ist der vertikale Abstand zwischen dem Zugmarker und dem untersten Marker derselben Spalte im unausgelenkten Zustand. Durch Verwendung von σ und ε können die Deformationen der 10 Stimmlippen miteinander verglichen werden.

Ergebnisse

Abbildung 1 [Abb. 1] zeigt die ermittelten Zugspannungen σ~F (in mN) über den resultierenden Dehnungen ε (in prozentualer Referenzlänge). Die linke Spalte zeigt Deformationen des Epithels (Experimente E1–E5), die rechte Spalte diejenigen des Muskels (E6–E10). In beiden Spalten sind die Auslenkungen an den drei Zugmarkern (posterior, mitte, anterior) zu sehen. Dargestellt sind stets die Deformationen der gezogenen Marker. Die Symbole repräsentieren die berechneten Werte, die Kurven sind numerisch angepasste Funktionen (σ(ε)=A · (eB·ε –1), mit Parametern A und B). Alle Graphen zeigen den gleichen Deformationstrend. Für kleine Dehnungswerte (ε<0,15) weisen Epithel und Muskel einen linearen Elastizitätsbereich auf, für Dehnungen >0,15 ist ein nicht-linearer Deformationsbereich erkennbar. Des Weiteren zeigt Abbildung 1 [Abb. 1], dass im Epithel, im Vergleich zum Muskel, bei gleichen Zugspannungen weitaus größere Dehnungen erzielt werden. Muskelgewebe weist somit eine höhere Steifigkeit als Epithel auf. Tabelle 1 [Tab. 1] veranschaulicht die benötigten Zugspannungen für konkrete, beliebig gewählte Dehnungen von 0,1 bis 1,0. Die gezeigten Werte sind die Mittelwerte aus den jeweils fünf Messungen des Epithels und des Muskels. Im Epithel nimmt die benötigte Spannung (und damit die Steifigkeit des Gewebes) von posterior zur Mitte hin ab, von der Mitte nach anterior wieder zu. Die benötigten Spannungen innerhalb des Muskelgewebes nehmen von posterior nach anterior kontinuierlich zu. Im Vergleich zum Epithel weist der Muskel stets eine größere Steifigkeit auf.

Diskussion

Bei kleinen Dehnungswerten (bis zu 15% der Referenzlänge) zeigen Epithel und Muskel ein lineares Elastizitätsverhalten. Bei größeren Dehnungen (>15%) ist die Dehnungsantwort auf einwirkenden Zugspannungen bei beiden Gewebeschichten nicht-linear. Das gleiche Deformationsverhalten konnte bei longitudinalen Zugversuchen an Stimmlippen von Hunden gezeigt werden [2]. Muskel und Epithel weisen entlang der Stimmlippenkante lokal unterschiedliche Gewebesteifigkeiten auf, was ebenfalls in [3] gezeigt wurde. Die lokalen Unterschiede der Steifigkeit des Stimmlippengewebes lassen vermuten, dass es Bereiche geben könnte, welche für operative Eingriffe begünstigt sind. Ebenso deutet dies darauf hin, dass für die Rekonstruktion von Stimmlippengewebe (künstliche Stimmlippen) Materialen mit komplexen Dehnungseigenschaften gefunden bzw. entwickelt werden müssen.


Literatur

1.
Schreer O. Stereoanalyse und Bildsynthese. Berlin, Heidelberg, New York: Springer; 2005.
2.
Alipour-Haghighi F, Titze IR. Elastic models of vocal fold tissues. J Acoust Soc Am. 1991;90(3):1326-31. DOI: 10.1121/1.401924 External link
3.
Hess MM, Mueller F, Kobler JB, Zeitels SM, Goodyer E. Measure-ments of Vocal Fold Elasticity Using the Linear Skin Rheometer. Folia Phoniatrica et Logopaedica. 2006;58:207-16. DOI: 10.1159/000091734 External link