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simVoice – Numerische Simulation des Phonationsprozesses
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Autoren
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Sebastian Falk
- Phoniatrie und Pädaudiologie an der Hals-, Nasen- und Ohrenklinik, Kopf- und Halschirurgie Universitätsklinikum, Erlangen, Deutschland
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Stefan Schoder
- Institut für Mechanik und Mechatronik, TU Wien, Wien, Österreich
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Stefan Kniesburges
- Phoniatrie und Pädaudiologie an der Hals-, Nasen- und Ohrenklinik, Kopf- und Halschirurgie Universitätsklinikum, Erlangen, Deutschland
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Manfred Kaltenbacher
- Institut für Mechanik und Mechatronik, TU Wien, Wien, Österreich
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Hossein Sadeghi
- Phoniatrie und Pädaudiologie an der Hals-, Nasen- und Ohrenklinik, Kopf- und Halschirurgie Universitätsklinikum, Erlangen, Deutschland
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Michael Döllinger
- Phoniatrie und Pädaudiologie an der Hals-, Nasen- und Ohrenklinik, Kopf- und Halschirurgie Universitätsklinikum, Erlangen, Deutschland
| Veröffentlicht: | 14. September 2018 |
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Gliederung
Zusammenfassung
Hintergrund: Durch die numerische Berechnung von Strömungsvorgängen bei der Phonation in geeigneten Modellen können Zusammenhänge zwischen Luftströmung, Stimmlippenbewegung und erzeugtem akustischen Signal abgebildet und detailliert analysiert werden. Im Gegensatz zu experimentellen Messungen sind numerische Simulationen weniger material- und kostenintensiv. Des Weiteren können im Vergleich zu ex-vivo oder in-vivo Messungen eine größere Zahl von Parametern im abgebildeten Simulationsgebiet kontrolliert, aufgezeichnet und analysiert werden.
Material und Methoden: Unser zentrales Ziel ist die Entwicklung eines dreidimensionalen aeroakustischen Computermodells (simVoice) zur zukünftigen Anwendung im klinischen Umfeld. Das simVoice-Modell ist ein Hybridmodell. Es besteht aus einem fluiddynamischen Modell mit extern vorgegebenen Stimmlippenbewegungen, welches auf der 3D Finite-Volumen-Methode (3D-FVM) basiert, sowie einem aeroakustischen Modell, welches auf der 3D Finite-Elemente-Methode (3D-FEM) beruht. Das Hybridmodell wird bezüglich Rechenzeit und Komplexität optimiert.
Das numerische Modell in simVoice bildet die Stimmlippen, die falschen Stimmlippen und einen reduzierten Vokaltrakt auf Basis eines künstlichen Modells ab. Die Bewegung der Stimmlippen wird dabei nicht vom Luftstrom erzeugt, sondern wird extern vorgegeben.
Ergebnisse: Die erwarteten klinischen Erkenntnisse des Projekts simVoice sind:
- 1.
- ein besseres Verständnis der gestörten und gesunden Stimmgebung
- 2.
- die Identifizierung von neuen Behandlungsansätzen
- 3.
- die Möglichkeit zur Simulation von konservativen und chirurgischen Stimmbehandlungsmethoden
Diskussion: Zur Verifizierung von simVoice werden die errechneten Strömungsfelder und die errechnete Akustik mit den experimentellen Ergebnissen eines synthetischen Silikonmodells verglichen. Für den Abgleich mit realen klinische Daten werden die Stimmlippenbewegungen aus in-vivo und ex-vivo Messungen reproduziert.
Fazit: Die innovativen wissenschaftlichen Aspekte des Projekts beinhalten:
- 1.
- die Untersuchung bis zu welchen Größenskalen die zeitabhängige turbulente Strömung aufgelöst werden muss, um die gewünschten akustischen Charakteristika zu beinhalten
- 2.
- Einblicke in die Ursache-Wirkungsbeziehung von Stimmlippenbewegung, Luftstrom und Akustik
- 3.
- die erste detaillierte numerische Studie hinsichtlich der Auswirkung der Stimmlippenschwingungen auf die akustische Stimmqualität
Text
Hintergrund
Durch die numerische Berechnung von Strömungsvorgängen bei der Phonation in geeigneten Modellen können Zusammenhänge zwischen Luftströmung, Stimmlippenbewegung und erzeugtem akustischen Signal abgebildet und detailliert analysiert werden. Im Gegensatz zu experimentellen Messungen sind numerische Simulationen weniger material- und kostenintensiv. Des Weiteren können im Vergleich zu ex-vivo oder in-vivo Messungen eine größere Zahl von Parametern im abgebildeten Simulationsgebiet kontrolliert, aufgezeichnet und analysiert werden.
Material und Methoden
Unser zentrales Ziel ist die Entwicklung eines dreidimensionalen aeroakustischen Computermodells (simVoice) zur zukünftigen Anwendung im klinischen Umfeld. Das simVoice-Modell ist ein Hybridmodell. Es besteht aus einem fluiddynamischen Modell mit extern vorgegebenen Stimmlippenbewegungen, welches auf der 3D Finite-Volumen-Methode (3D-FVM) basiert, sowie einem aeroakustischen Modell, welches auf der 3D Finite-Elemente-Methode (3D-FEM) beruht. Das Hybridmodell wird bezüglich Rechenzeit und Komplexität optimiert.
Das numerische Modell in simVoice bildet die Stimmlippen, die Taschenfalten, einen reduzierten sowie einen vereinfachten Vokaltrakt auf Basis eines künstlichen Modells ab, siehe Abbildung 1 [Abb. 1]. Die Bewegung der Stimmlippen wird dabei nicht vom Luftstrom erzeugt, sondern wird extern vorgegeben.
Ergebnisse
Die erwarteten klinischen Erkenntnisse des Projekts simVoice sind
- 1.
- ein besseres Verständnis der gestörten und gesunden Stimmgebung,
- 2.
- die Identifizierung von neuen Behandlungsansätzen und
- 3.
- die Möglichkeit zur Simulation von konservativen und chirurgischen Stimmbehandlungsmethoden.
Abbildung 2 [Abb. 2] zeigt die Geschwindigkeit und die Bewegungen des Luftstroms innerhalb des numerischen Modelles während eines Simulationszyklus mit geöffneten Stimmlippen [1].
Diskussion
Zur Verifizierung von simVoice werden die errechneten Strömungsfelder und die errechnete Akustik mit den experimentellen Ergebnissen eines synthetischen Silikonmodells verglichen. Für den Abgleich mit realen klinische Daten werden die Stimmlippenbewegungen aus in-vivo und ex-vivo Messungen reproduziert.
Fazit
Die innovativen wissenschaftlichen Aspekte des Projekts beinhalten:
- 1.
- die Untersuchung bis zu welchen Größenskalen die zeitabhängige turbulente Strömung numerisch aufgelöst werden muss, um die gewünschten akustischen Charakteristika zu beinhalten;
- 2.
- Einblicke in die Ursache-Wirkungsbeziehung von Stimmlippenbewegung, Luftstrom und Akustik;
- 3.
- die erste detaillierte numerische Studie hinsichtlich der Auswirkung der Stimmlippenschwingungen auf die akustische Stimmqualität.
Danksagung
- Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – DO 1247/10-1
- Der Wissenschaftsfonds (FWF) – I 3702
- Regionales Rechenzentrum Erlangen (RRZE)
- Zentralinstitut Scientific Computing (ZISC)
