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Simulation der Vokaltraktdurchströmung bei nasaler Phonation
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Authors
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Bernhard Jakubaß
- Universitätsklinikum Erlangen, Hals-Nasen-Ohren-Klinik, Kopf- und Halschirurgie, Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Erlangen, Deutschland
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Stefan Kniesburges
- Universitätsklinikum Erlangen, Hals-Nasen-Ohren-Klinik, Kopf- und Halschirurgie, Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Erlangen, Deutschland
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Youri Maryn
- AZ Sint-Jan Brugge-Oostende, Department of Ear, Nose and Throat, Brügge, Belgien
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Natalie Loomans
- GasthuisZusters Antwerpen, Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Antwerpen, Belgien
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Michael Döllinger
- Universitätsklinikum Erlangen, Hals-Nasen-Ohren-Klinik, Kopf- und Halschirurgie, Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Erlangen, Deutschland
| Published: | September 13, 2019 |
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Zusammenfassung
Hintergrund: Zur Untersuchung der Nasalität werden hauptsächlich akustische Messungen des Stimmsignals durchgeführt. Die Ursachen für den akustischen Eindruck einer Nasalität in der Strömung innerhalb des Vokaltraktes können damit allerdings nicht bestimmt werden.
Mithilfe der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) ist es möglich, die Strömungsvorgänge innerhalb des Vokaltraktes im Computer zu simulieren. In diesen Simulationen kann die Strömung an jedem beliebigen Ort innerhalb des Vokaltraktes gemessen und analysiert werden. Darüber hinaus kann die Geometrie des nachgebildeten Vokaltraktes modifiziert werden, um Teilstrukturen (z.B. einzelne Nasennebenhöhlen) bei der Simulation zu vernachlässigen, um so deren Einfluss auf die Luftströmung und Schallerzeugung zu identifizieren.
Material und Methoden: Aus CT-Scans eines menschlichen Kopfes wird das Volumen des Vokaltraktes segmentiert. Aus diesen Daten wird ein 3D Geometriemodell des Luftraumes erstellt. Darin wird dann die Luftströmung bei simulierter konstanter Phonation simuliert. Dazu wird direkt oberhalb der Stimmlippen ein konstanter oder periodisch pulsierender Luftstrom eingeprägt, wie er durch die Oszillation der Stimmlippen bei der Phonation entsteht. Ziel ist es, die Durchströmung des Vokaltraktes bei unterschiedlichen Verschlusszuständen des Nasopharynx zu analysieren.
Ergebnisse: Neben den Gebieten der konstanten Hauptdurchströmung können im Vokaltrakt auch Gebiete identifiziert werden, die kaum oder gar nicht durchströmt werden. Darüber hinaus treten an charakteristischen Positionen hohe Fluktuationen der Strömung auf, dies sind potentielle Regionen der Schallerzeugung. Durch eine Spektralanalyse dieser Fluktuationen wird ein Zusammenhang zu periodischen und aperiodischen Schallereignissen hergestellt.
Fazit: Mit dem entwickelten Computermodell werden nun Schallquellen der nasalen Stimmmerkmale im Vokaltrakt identifiziert. Dadurch wird es in der Folge möglich sein, therapeutische Ansätze zur Reduktion von nasalen Schallmerkmalen in betroffenen Stimmen zu entwickeln.
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Hintergrund
Zur Untersuchung der Nasalität werden hauptsächlich akustische Messungen des Stimmsignals durchgeführt. Die Ursachen für den akustischen Eindruck einer Nasalität in der Strömung innerhalb des Vokaltraktes können damit allerdings nicht bestimmt werden.
Mithilfe der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) ist es möglich, die Strömungsvorgänge innerhalb des Vokaltraktes im Computer zu simulieren. In diesen Simulationen kann die Strömung an jedem beliebigen Ort innerhalb des Vokaltraktes gemessen und analysiert werden. Darüber hinaus kann die Geometrie des nachgebildeten Vokaltraktes modifiziert werden, um Teilstrukturen (z.B. einzelne Nasennebenhöhlen) bei der Simulation zu vernachlässigen, um so deren Einfluss auf die Luftströmung und Schallerzeugung zu identifizieren.
Material und Methoden
Aus CT-Scans eines menschlichen Kopfes wird das Volumen des Vokaltraktes segmentiert. Aus diesen Daten wird ein 3D Geometriemodell des Luftraumes erstellt, siehe Abbildung 1 [Abb. 1]. Darin wird dann die Luftströmung bei simulierter konstanter Phonation simuliert. Dazu wird direkt oberhalb der Stimmlippen ein konstanter oder periodisch pulsierender Luftstrom eingeprägt, wie er durch die Oszillation der Stimmlippen bei der Phonation entsteht. Das Signal des pulsierenden supraglottalen Luftstroms wurde mithilfe eines etablierten Stimmlippen-Simulationsmodells [1] erzeugt, welches durch experimentelle Daten [2] validiert wurde.
Ziel ist es, die Durchströmung des Vokaltraktes bei unterschiedlichen Verschlusszuständen des Nasopharynx zu analysieren.
Ergebnisse
Neben den Gebieten der konstanten Hauptströmung können im Vokaltrakt auch Gebiete identifiziert werden, die kaum oder gar nicht durchströmt werden, d.h. eine sehr geringe Strömungsgeschwindigkeit aufweisen, siehe Abbildung 2 [Abb. 2]. Darüber hinaus treten an charakteristischen Positionen im Vokaltrakt hohe Fluktuationen der Strömung auf. Dies sind potentielle Regionen der Schallerzeugung. Durch eine Spektralanalyse dieser Fluktuationen wird ein Zusammenhang zu periodischen und aperiodischen Schallereignissen hergestellt.
Schlussfolgerung
Mit dem entwickelten Computermodell werden nun Schallquellen der nasalen Stimmmerkmale im Vokaltrakt identifiziert. Dadurch wird es in der Folge möglich sein, therapeutische Ansätze zur Reduktion von nasalen Schallmerkmalen in betroffenen Stimmen zu entwickeln.
Literatur
- 1.
- Sadeghi H, Kniesburges S, Kaltenbacher M, Schützenberger A, Döllinger M. Computational Models of Laryngeal Aerodynamics: Potentials and Numerical Costs. J Voice. 2019;33(4):385-400. DOI: 10.1016/j.jvoice.2018.01.001
- 2.
- Kniesburges Stefan. Fluid-structure-acoustic interaction during phonation in a synthetic larynx model: Fluid-Struktur-Akustik-Interaktion während der Phonation in einem künstlichen Kehlkopfmodell. (Schriftenreihe des Lehrstuhls für Prozessmaschinen und Anlagentechnik; Vol. 20). Aachen: Shaker; 2014.
