Analysis and modeling of vocal fold 3D-dynamics during human phonation

Die menschliche Stimme ist das Trägersignal der lautsprachlichen Kommunikation. Es entsteht primär durch symmetrische Schwingungen der Stimmlippen im Kehlkopf während der Phonation. Bei gewissen Pathologien wie der funktionellen Dysphonie tritt keine sichtbare morphologische Veränderung der Stimmlippen auf, sondern eine lateral asymmetrische oder auch irreguläre Bewegung. Mittels einer konventionellen endoskopischen Hochgeschwindigkeitskamera werden die Stimmlippenschwingungen bislang in einer 2D Horizontalebene aufgezeichnet. In bisherigen Untersuchungen wurde die Bewegung meist durch Zwei- oder Mehr-Massen-Modelle nachgebildet, die lediglich laterale Auslenkungen bzw. die 2D Glottisfläche berücksichtigten. Dies beschreibt die physiologischen Vorgänge jedoch nur unvollständig. In aktuellen in vitro Studien zeigte sich, dass während der Phonation zusätzliche nicht zu vernachlässigende vertikale Bewegungskomponenten (d. h. Randkantenverschiebung) der Stimmlippen auftreten. Die gesamten 3D Stimmlippenbewegungen lassen sich bisher in vivo am Patienten nicht messen, da das Endoskop nur die laterale Projektion des Kehlkopfes aufzeichnet. In der vorliegenden Arbeit wird ein biomechanisches 3D-Mehr-Massen-Modell mit zugehöriger Optimierungsprozedur entwickelt, mit der sich realistische Stimmlippenbewegungen in 3D nachbilden lassen. Die physikalischen Parameter wie Massen, Steifigkeit und Volumendurchfluss werden durch die modellbasierte Analyse nach Anpassung an die experimentelle Bewegung bestimmt. Diese Parameter sind nicht direkt während der Phonation messbar. Mithilfe der errechneten Parameter ist die objektive Quantifizierung der Bewegungen möglich. Durch die Nichtkonvexität der Zielfunktion und der fehlenden stetigen Differenzierbarkeit des vorhandenen gewöhnlichen Differentialgleichungssystems werden ableitungsfreie globale und lokale Optimierungsverfahren miteinander kombiniert. Die Optimierungsstrategie beinhaltet eine stufenweise Verfeinerung, bei der sukzessive immer mehr Einzelmassen berücksichtigt werden. Die Funktionalität der Optimierungsprozedur wird mit synthetisch erzeugten symmetrischen Datensätzen bei verschiedenen Glottisschlusstypen gezeigt. Die Methode wird weiterhin auf verschiedene in vitro experimentelle Hemilarynxdaten angewandt. Es werden biomechanische Parameter extrahiert und analysiert, um die physiologisch interpretierbaren Eigenschaften der Stimmlippenbewegungen in 3D widerzuspiegeln. Dies liefert auch erste Erkenntnisse über die Verteilung von Gewebesteifigkeiten während der Phonation.