Personal tools
You are here: Home Research and Development Current projects DFG-funded project

DFG-funded project

Finite element model of human phonation with fluid structure interaction

Das Forschungsprojekt hat ein FE-Modell der selbsterhaltenden Stimmlippenschwingung zum Ziel, das Fluid-Struktur-Interaktion und die Möglichkeit der Vocalis-Muskel-Aktivierung umfasst. Ein FE-Modell (Finite Elemente Modell) ist ein Computermodell, bei dem der zu untersuchende Bereich, in diesem Fall also die Stimmlippen, und das umgebende Gewebe in endlich viele Elemente unterteilt und an den Berührungspunkten der Elemente (genannt Knoten) Regeln für das Verhalten der Knoten untereinander definiert. So kann die Reaktion des Gesamtsystems auf das Einwirken einer Kraft berechnet werden. Ist z.B. eine starre Verbindung zwischen den Knoten vorgesehen, wirkt sich eine Kraft auf einen Knoten gleich auf alle anderen Knoten aus und der Abstand zwischen zwei Knoten ist immer gleich. Bei einer elastischen Verbindung verteilt sich die Kraft auf die umliegenden Knoten, der Abstand zwischen den Knoten kann sich verändern. Die „Regeln“ für die Interaktion der Knoten lassen sich meist in Differentialgleichungen ausdrücken, die von Computern numerisch gelöst werden können.

Das FE-Modell soll sowohl normale Phonation simulieren, als auch pathologische Fälle, wie solche, bei denen Phonation trotz unvollständigem Schließen der Stimmlippen möglich ist, oder solche, bei denen die Kompensation einer Funktionsstörung zu beobachten ist. Aus den Ergebnissen des FE-Modells wird eine akustische Ausgabe in einem separaten Modell berechnet. Die individuellen Modellgeometrien (d.h. Form der adduzierten Stimmlippen in gesunder und kompensierter Phonation so wie der Schichtaufbau der Stimmlippen) werden durch dreidimensionale Magnetresonanz-Bildgebung (MRI) erstellt, die eine räumliche Auflösung im Sub-Millimeter-Bereich erlaubt. Dadurch wird diese Methode für weitere Anwendungen in Fragestellungen der Phoniatrie angepasst und verbessert.

Die folgenden Abbildungen zeigen ein aus MRI Daten erzeugtes Modell des Kehlkopfes. Im Larynx gibt es keine Knochen sondern nur Knorpel als stützende Strukturen, an denen Muskeln und Schleimhäute befestigt sind.

Messungen der strukturellen Materialeigenschaften, endoskopische und stroboskopische Videoaufnahmen, MRI-Daten sowie akustische Aufnahmen werden zur Validierung auf allen Modellebenen herangezogen. Das Modell wird zu einem besseren Verständnis menschlicher Phonation beitragen und liefert eine Basis für zukünftige Simulationswerkzeuge in der Therapie.

 

Stand der Forschung

Die Interaktion der Strukturen im Larynx (Kehlkopf) ist bislang nur qualitativ bekannt. Wegen der Komplexität der Abläufe und da der Larynx lebensnotwendig ist, sind „in vivo“ Messungen und Experimente (also Versuche am lebenden Menschen) nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. Trotzdem gibt es detaillierte Modelle für verschiedene Teile des Stimmapparats. Die Interaktion der verschiedenen Teile wurde bislang jedoch kaum Untersucht. Dieses Projekt soll Aufschluss geben über den Zusammenhang zwischen den Luftfluss durch die und dem Gewebe der Glottis und über die Kräfte innerhalb des Stimmlippengewebes.

 

Prinzip der menschlichen Phonation

Im Prinzip wird die menschliche Stimme durch einen akustischen Oszillator erzeugt. Die Schwingung der Stimmlippen erzeugt Schall durch die periodische Unterbrechung des Volumenstromes der Luft von den Lungen in den Vokaltrakt. Im Gegensatz zu mechanisch angeregten Schwingungen, wie z.B. bei einer Glocke oder einer Saite, wird die Schwingung der Stimmlippen durch den Luftfluss erzeugt und erhalten. Diese Bewegung wird durch den periodisch wechselnden Einfluss von Bernoullischen und Newtonschen Kräften auf die Oberfläche der Stimmlippen erzeugt. Zu Beginn einer Periode presst der subglottale (sub = unter, Glottis = Stimmritze) Druck die geschlossenen Stimmlippen auseinander, und Luft strömt hindurch. Mit dem Ansteigen der Strömungsgeschwindigkeit nimmt der Druck ab und die Stimmlippen schließen sich wieder, unterstützt von den Rückstellkräften des elastischen Gewebes. Wenn die Stimmlippen sich berühren, wird der Luftstrom wieder unterbrochen, neuer Druck baut sich auf und ein neuer Zyklus beginnt. Da die Stimmlippe nicht hart ist, sondern ein verformbares Gewebe ist, ergibt sich eine Besonderheit dieser Bewegung, nämlich eine variable Geometrie der Stimmlippen, wie sie in der folgenden Grafik dargestellt ist. Zu sehen ist ein Schnitt durch die Stimmlippen. Hier ist die in der Einleitung erwähnte Aufteilung der Stimmlippe in kleine Bereiche zu sehen, die Knoten sind jeweils die Punkte, in denen 3 oder mehr Bereiche aneinandergrenzen. Zu Beginn der Dargestellten Periode bewegen sich die oberen Ränder der Stimmlippen aufeinander zu während sich im unteren Bereich eine größer werdende Lücke bildet. Nachdem sie sich berührt haben, bewegen sich die oberen Ränder schnell wieder voneinander weg während im unteren Bereich eine Bewegung zur Mitte beginnt, bis sich die linke und die rechte Hälfte wieder gegenüberstehen.

Die Form dieser Schwingung stellt ein besonderes Problem bei der Simulation und vor allem bei der Validierung der Simulationsergebnisse dar, da sie bei Patienten nicht direkt beobachtet werden kann, ein Endoskop kann die Stimmlippen nur von oben beobachten.

Die Schwingungsform der Stimmlippen ist bestimmt durch die Randbedingungen, gegeben durch die Geometrie und die Materialeigenschaften. Die wichtigsten Parameter zur Beschreibung der Schwingung sind die Spannung der Stimmlippen und die Größe der Öffnung zwischen ihnen.

 

Fließeigenschaften der Luft durch den Larynx

Der Luftstrom durch die Glottis ist die treibende Kraft sowohl für die Zufuhr von Energie als auch für die Produktion von Schall. Viele Musikinstrumente basieren auf dem gleichen Prinzip: Blechblasinstrumente nutzen die die vibrierenden Lippen des Spielers um den Luftfluss in den Resonator des Instrument periodisch zu unterbrechen. Ein entscheidender Unterschied zwischen Phonation und einem Blasinstrument ist die Erzeugung der gewünschten Tonhöhe. Bei einem Blasinstrument hat die Länge der Rohre und damit die Länge des Resonators einen entscheidenden Einfluss auf die erzeugte Frequenz, während bei der Phonation der Vokaltrakt, der beim Sprechen als Resonator fungiert, hauptsächlich das Timbre der Stimme bestimmt und nicht ihre Frequenz.

Ein anderer Aspekt der aerodynamische Generierung von Schall ist die Erzeugung von Rauschanteilen: Die spezifischen Randbedingungen des Luftstroms generieren einen pulsierenden Luftstrahl. An den Rändern entstehen Wirbel, die eine turbulente Strömung hervorrufen. Unter bestimmten Voraussetzungen kann ein maßgeblicher Rauschanteil erzeugt werden, so werden einige Konsonanten erzeugt. Der Rauschanteil trägt aber ebenso zu einigen Stimmhaften Lauten bei und kann hauchige oder, in krankhaften Fällen, heisere Stimmlaute erzeugen.

 

Materialeigenschaften des laryngealen Gewebes

Die Basis für eine zuverlässige Simulation bildet die Kenntnis der Materialeigenschaften des laryngealen Gewebes. Es werden der Elastizitätsmodul und die Querkontraktionszahl des Gewebes benötigt. Darüber hinaus werden Informationen zur Vorspannung und zu Anisotropien im Verhalten des Materials benötigt. Prof. Hess und Kollegen haben am Klinikum Hamburg-Eppendorf Experimente in vivo und in vitro durchgeführt und mit Hilfe eines linearen Haut Rheometers die benötigten Werte gemessen. So wurden Daten über den Schermodul in cranial-caudal Richtung (nach oben/unten beim stehenden Menschen, also senkrecht zur Stimmlippe) am lebenden Patienten gemessen, die bei diesen Untersuchungen allerdings narkotisiert waren. Messungen in ventral-dorsal Richtung (nach vorne/hinten) sind am lebenden Probanden nicht möglich, um Informationen hierüber zu erhalten wurden Messungen an exzidierten Kehlköpfen vorgenommen, die zu diesem Zweck geteilt werden mussten. So konnten auch Messungen in beliebigen anderen Richtungen vorgenommen werden, um möglichst vollständige Datensätze zu erhalten. Trotzdem liegen bislang keine konsistenten Daten zu den Eigenschaften vor, diese zu ermitteln ist Teil des Projekts.


Publications

  • M. Otten, F. Müller, A.-K. Rohlfs, Andreas Gömmel, Markus Hess, Malte Kob: 3D measurement of vocal fold elasticity using the linear skin rheometer, DAGA 2010, Berlin, Germany
  • A. Gömmel, T. Niendorf, T. Frauenrath, M. Otten, C. Butenweg, M. Kob: 3D vocal fold geometry mapping using Magnetic Resonance Imaging, DAGA 2010, Berlin, Germany
  • A. Gömmel, T. Niendorf, T. Frauenrath, M. Otten, C. Butenweg, M. Kob: In-vivo measurements of vocal fold geometry using Magnetic Resonance Imaging, ICVPB 2010, Madison, USA
  • M.Kob, M. Otten, F. Müller, A.-K. Rohlfs, Andreas Gömmel, Markus Hess: Assessment of 3D elasticity data of the larynx for FE models of phonation, CFA 2010, Lyon, France
  • M. Otten, F. Müller, A.-K. Rholfs, A. Gömmel, M. Hess, M. Kob: Investigations on the anisotropic behaviour of the vocal fold elasticity, AQL 2010, Erlangen, Germany
  • M. Groz, M. Otten, P. Dejonckere, M. Kob: Investigations on the set of parameters for the simulation of vocal
    fold movement with VOX, AQL 2010, Erlangen, Germany
  • M. Otten, F. Müller, A.-K. Rohlfs, A. Gömmel, M. Kob: Multiple-mass simulation of the human vocal folds using elastic properties from measurements, DAGA 2011, Düsseldorf, Germany


Contact for this Project | Prof. Dr.-Ing. Malte Kob - Dipl.-Ing. Mario Otten

Document Actions