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

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie e. V.
Schweizerische Gesellschaft für Phoniatrie; Sektion Phoniatrie der Österreichischen Gesellschaft für HNO-Heilkunde, Kopf- und Halschirurgie

09.09. - 11.09.2011, Zürich, Schweiz

Messung von Sprechbewegungen durch eine Gaumenplatte mit integrierten Abstands- und Kontaktsensoren

Vortrag

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  • corresponding author presenting/speaker Peter Birkholz - Klinik für Phoniatrie, Universitätsklinikum Aachen und RWTH Aachen University, Aachen, Deutschland
  • author Christiane Neuschaefer-Rube - Klinik für Phoniatrie, Universitätsklinikum Aachen und RWTH Aachen University, Aachen, Deutschland

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie. 28. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie (DGPP), 2. Dreiländertagung D-A-CH. Zürich, 09.-11.09.2011. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2011. Doc11dgppV11

DOI: 10.3205/11dgpp18, URN: urn:nbn:de:0183-11dgpp188

Published: August 18, 2011

© 2011 Birkholz et al.
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Zusammenfassung

Hintergrund: Die Elektropalatographie (EPG) ist eine etablierte und kostengünstige Technik zur Untersuchung der zeitabhängigen räumlichen Kontaktmuster zwischen der Zunge und dem hartem Gaumen. Der Sprecher trägt dazu im Mund eine dünne, dem Gaumen anliegende Kunststoffplatte, über die mehrere Kontaktsensoren verteilt sind, die die Berührung der Zunge registrieren. Insbesondere die Artikulation vieler Konsonanten lässt sich hiermit detailliert untersuchen. Für die Untersuchung von Lauten ohne wesentlichen Zunge-Gaumen-Kontakt, wie offene Vokale, ist die Technik dagegen nicht geeignet.

Material und Methoden: In dieser Studie stellen wir den Prototypen für eine Gaumenplatte vor, in die neben EPG-Kontaktsensoren zusätzlich optische Abstandssensoren integriert wurden, mit denen sich unabhängig vom Zunge-Gaumen-Kontakt die Zungenkontur in der medio-sagittalen Ebene sowie die Lippenposition messen lässt. Die Messwerte der Kontaktsensoren wurde mit einem EPG-Gerät der Firma Articulate Instruments erfasst und die Messwerte der Distanzsensoren synchron dazu über eine eigens angefertigte Messeinheit. Eine angepasste Software wurde für die Aufzeichnung, Darstellung und Analyse der Messwerte entwickelt.

Ergebnisse: Erste Versuche mit dem Gerät haben ergeben, dass sich die Messwerte der Kontakt- und Abstandssensoren effektiv zur Charakterisierung von sowohl Konsonanten als auch Vokalen ergänzen.

Diskussion: Das vorgestellte Messverfahren bietet durch die gemeinsame Einbettung von Abstands- und Kontaktsensoren in dieselbe Gaumenplatte neue Möglichkeiten für die Analyse von Sprechbewegungen und die Therapie von Sprechstörungen.


Text

Hintergrund

Die Elektropalatographie (EPG) ist eine effektive, etablierte und kostengünstige Technik zur Untersuchung der zeitabhängigen räumlichen Kontaktmuster zwischen der Zunge und dem harten Gaumen. Sie wird sowohl in der phonetischen Forschung als auch in der Therapie von Sprechstörungen eingesetzt. Der Sprecher trägt dazu im Mund eine dünne, dem Gaumen anliegende Kunststoffplatte, über die mehrere Kontaktsensoren verteilt sind, die die Berührung der Zunge registrieren. Die Technik ist besonders effektiv für die Analyse der Artikulation von Konsonanten, bei denen die Zunge und der Gaumen viel Kontakt haben. Zur Artikulation von Lauten ohne wesentlichen Zunge-Gaumen-Kontakt, z.B. von offenen Vokalen, liefert EPG dagegen kaum Daten. Zu deren Messung werden aufwändigere oder teurere Techniken wie z.B. Ultraschall oder Elektromagnetische Artikulographie eingesetzt. Bereits 1978 haben Chuang und Wang jedoch gezeigt, dass sich auch die Kontur der Zunge in der vorderen Mundhöhle effektiv mit einer Gaumenplatte messen lässt, in die optische Distanzsensoren (statt Kontaktsensoren) eingesetzt sind [1]. Diese Sensoren messen optisch den Abstand der Zungenoberfläche von verschiedenen Punkten entlang der Gaumenmittelline. In den 1980er Jahren wurde die Technik von Fletcher et al. [2] erweitert und als Glossometrie bezeichnet. Sie fand jedoch keine weite Verbreitung. In diesem Artikel präsentieren wir den Prototypen einer Gaumenplatte, der die Zunge-Gaumen-Kontaktmessung der EPG mit einer optischen Abstandsmessung zur Rekonstruktion der Zungenkontur vereint, und so in Echtzeit komplementäre Daten zur Artikulation vieler Konsonanten und Vokale liefert.

Methode

Eine wichtige Designentscheidung für die Entwicklung solch einer Gaumenplatte ist die Auswahl des optischen Distanzsensortyps. Für die vorgeschlagene Anwendung ist es wichtig, dass die Sensoren möglichst klein sind, um die Artikulation wenig zu beeinflussen, aber dennoch einen Messbereich von mindestens 30 mm besitzen (größter angenommener Zunge-Gaumen-Abstand). Außerdem sollten die Lichtquelle und der Lichtdetektor, aus denen ein Sensor besteht, nicht zu dicht beieinander liegen, um bei einer Benetzung des Sensors mit Speichel „optisches Übersprechen“ zu minimieren, das die Messwerte verfälschen würde. Nur vier der mehreren hundert erhältlichen Sensortypen wurden entsprechend der Kriterien von uns als geeignet eingestuft, von denen der Typ TCND5000 des Herstellers Vishay für unseren Prototyp ausgewählt wurde. Die Grundfläche des TCND5000 ist 6 x 3,7 mm2 und die Höhe wurde durch Abschleifen des Gehäuses auf weniger als 3 mm reduziert.

Das Design der Gaumenplatte basiert auf dem „Articulate Gaumen“ der Firma Articulate Instruments [3]. Die Gaumenplatte besteht aus zwei übereinander liegenden 0.5 mm dünnen Kunststofffolien, die mittels Druckformung auf das Oberkiefermodell eines Sprechers aufgeformt wurden. Nach der Formung der ersten Folie wurden auf diese flexible Leiterplattensteifen mit den Kontaktsensoren und zusätzlich fünf verdrahtete Distanzsensoren entlang der Gaumenmittellinie aufgeklebt (siehe Abbildung 1a [Abb. 1]). Drei der Abstandssensoren wurden zwischen der vierten, sechsten und achten Reihe von Kontaktelektroden platziert und zur Zunge ausgerichtet. Am hinteren Ende des Gaumens wurde ein weiterer Abstandssensor nach dorsal ausgerichtet, um Bewegungen des Gaumensegels zu registrieren. Ein letzter Abstandssensor wurde an der Vorderseite der oberen Schneidezähne angebracht und nach ventral ausgerichtet, um die Bewegung der Lippen zu messen. Über die aufgebrachten Sensoren und Anschlussdrähte wurde die zweite Folie geformt, um die Elemente zu versiegeln. Die Sensoren wurden anschließend durch Wegschleifen der zweiten Folie an den betreffenden Stellen freigelegt. Die Anschlussdrähte der Sensoren wurden durch zwei im Bereich der oberen Eckzähne angebrachten Silikonschläuche aus dem Mundraum geführt.

Die Messwerte der Kontaktsensoren wurden mit einem EPG-Gerät der Firma Articulate Instruments mit einer Datenrate von 100 Hz erfasst und die Messwerte der Distanzsensoren synchron dazu über eine eigens angefertigte Messeinheit. Eine angepasste Software wurde für die Aufzeichnung, Darstellung und Analyse der Messwerte entwickelt.

Ergebnisse

Für erste Versuche mit dem Gerät wurden die Sensordaten für die Äußerung „Ein V“ für verschiedene gehaltene Vokale V als auch für verschiedene Konsonanten (Nasale und Frikative) in symmetrischen Vokalkontexten erfasst. Als Beispiel zeigt Abbildung 1b [Abb. 1] die EPG-Kontaktmuster und die Messkurven der fünf Abstandssensoren für die Äußerung „Ein ehh…“. Während die Zunge während des /a/ kaum Kontakt mit dem Gaumen hat, zeigen die Kontaktsensoren deutlich den alveolaren Zungenkontakt beim /n/ und den lateralen Kontakt beim /e/. Komplementär dazu liefern die drei mittleren Distanzsensoren den Zeitverlauf des Zunge-Gaumen-Abstands an drei Punkten entlang der Mittellinie, aus denen ein Teil der Zungenkontur rekonstruiert werden kann. Der zu den Lippen ausgerichtete Abstandssensor hat sich sehr effektiv für die Erkennung eines Lippenverschlusses und die Unterscheidung von gerundeten und ungerundeten Vokalen erwiesen. Bei der Auswertung der Daten des hintersten nach dorsal ausgerichteten Sensors hat sich dagegen gezeigt, dass die Gaumensegelposition auf diese Art nicht sicher messbar ist.

Diskussion

Das vorgestellte Messverfahren bietet durch die gemeinsame Einbettung von Abstands- und Kontaktsensoren in dieselbe Gaumenplatte neue Möglichkeiten für die Echtzeitanalyse von Sprechbewegungen und die Therapie von Sprechstörungen.


Literatur

1.
Chuang CK, Wang WS. Use of optical distance sensing to track tongue motion. J Speech Hear Res. 1978;21(3):482-90.
2.
Fletcher SG, et al. Glossometric measurements in vowel production and modification. Clin Linguist Phon. 1989;3(4):359-75. DOI: 10.3109/02699208908985296 External link
3.
Wrench AA. Advances in EPG palate design. Adv Speech Lang Pathol. 2007; 9(1):3-12. DOI: 10.1080/14417040601123676 External link