Analyse der Stimmlippen-Oberflächenschwingung im Hemilarynxexperiment: Künstliche Stimmlippen mit Elastizitätsmodul 5kPa

1.1 Hintergrund und Ziele Die menschliche Phonation stellt einen komplexen Prozess dar, in dem die Stimmlippen eine zentrale Rolle spielen. Durch die Interaktion von Luftstrom und aerodynamischen Phänomenen werden die elastischen Stimmlippen zum Schwingen angeregt. Typisch für gesunde Stimmlippen ist dabei das Auftreten einer Oberflächenwelle (sogenannte „Mucosal Wave“) [36, 43]. Ziel dieser Arbeit ist es, die Strukturschwingung der künstlichen Stimmlippen mit der von den humanen Stimmlippen zu vergleichen und im Hinblick auf die Erzeugung der Oberflächenwelle zu untersuchen. 1.2 Material und Methode Die Untersuchung der Strukturschwingung der synthetischen Stimmlippen erfolgte an einem künstlichen Kehlkopfmodell mit selbstoszillierenden isotropen Stimmlippen. Aufgrund der schlechten Zugänglichkeit wurden die Versuche mittels eines Hemilarynx-Experimentes durchgeführt. Das heißt, eine zum Schwingen angeregte Stimmlippe wurde durch ein Glasprisma gefilmt und anschließend dreidimensional rekonstruiert. In die statistische Analyse wurde ein Kollektiv von 25 Hochgeschwindigkeitsaufnahmen miteinbezogen, die in Abhängigkeit von der progressiv steigenden Luftstromstärke und Stimmlippenbreite (laterale Ausdehnung) ausgewertet wurden. 1.3 Ergebnisse und Beobachtungen Die im Hemilarynx-Experiment erforschte Oberflächenwelle konnte bei allen Stimmlippenmodellen und bei allen 25 Hochgeschwindigkeitsaufnahmen nachgewiesen werden. Die größte Amplitude wurde bei der medio-lateralen Bewegung der Stimmlippe gefunden. Weiterhin zeigte sich bei der Auswertung, bei welcher der Einfluss von progressiv steigender Luftstromstärke auf das dreidimensionale Schwingungsverhalten der Stimmlippen untersucht wurde, eine signifikante Veränderung der Geschwindigkeitsparameter, vor allem der mittleren gemittelten Geschwindigkeit. Ebenso konnte eine Abhängigkeit der Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte von der Stimmlippenbreite beobachtet werden. Sowohl die Geschwindigkeitsparameter, als auch die Auslenkungsparameter, konnten größtenteils die Studienergebnisse vorangegangener Arbeiten bestätigen [3, 10, 11]. 1.4 Praktische Schlußfolgerungen Es ist bis heute unmöglich, menschliche Stimmlippen durch ein künstliches Modell zu ersezten. Die Hemilarynxmethodik und die, im Rahmen dieser Arbeit, verwendeten Modelle mit Elastizitätsmodul 5kPa konnten aber ein ähnliches Schwingungsverhalten wie die humanen Stimmlippen zeigen. Das verwendete Setup könnte also eine realistische Nachbilung der menschlichen Phonation darstellen.2.1 Background and Aims Human phonation is a highly complex process in which the vocal folds play a fundamental role. Aerodynamic interaction between the airflow and elastic vocal fold tissue enables the vocal folds to oscillate. A typical feature of healthy human vocal fold vibration is a vertically-travelling wave, the so called „mucosal wave“ [36, 43]. The purpose of this study is the comparison between human and synthetic vocal fold vibratory characteristics, especially in terms of appearance of the mucosal wave-like motion. 2.2 Material and Methods The flow-induced responses of four self-oscillating synthetic vocal fold models were compared. All models were fabricated using flexible silicone compounds with isotropic material properties. Overcoming some of the limitations of “in vivo” experiments, high-speed, digital imaging of medial surface of the vocal fold was performed using a hemilarynx setup. After the three-dimentional reconstruction of medial surface dynamics of the synthetic vocal folds, statistical analyses of 25 high-speed recordings were performed, as function of increasing airflow and different widths of the four vocal fold models. 2.3 Results and Observations All 25 video recordings exhibited mucosal wave-like motion. The influence on local maxima of mucosal displacement was investigated and the highest amplitude was found for the lateral displacement. Analysis on the influence of increasing airflow on synthetic vocal fold models showed significant influence on parameters like mucosal-wave velocity and acceleration. Furthermore, the investigation of different widths of the four synthetic models showed also influence on velocity parameters. The results substantiate previous theoretical analyses and are comparable with previous studies on excised human or canine Larynx [3, 10, 11]. 2.4 Conclusion Till now, it is impossible to substitute human vocal folds with synthetic models. The Hemilarynx configuration and self-oscillating synthetic vocal fold models with Young's modulus of 5 kPa showed similar vibratory responses to those of human vocal fold. The setup applied in this study, represents life-like behavoiur of human vocal folds and can be seen as a useful tool for future research on human phonation process