Messmethoden für die Analyse von künstlichen und realen Stimmlippen (LSE)
Final Report Abstract
Aufgrund der räumlichen Enge im menschlichen Kehlkopf und der kurzen Lebensdauer exzidierter Kehlköpfe eignet sich reales Gewebe nur bedingt zur Erforschung der strömungsphysikalischen Vorgänge bei der Stimmgebung. Deshalb stand die Untersuchung der Material- und Schwingungseigenschaften synthetischer Stimmlippen aus Silikonkautschuk hier im Fokus. Synthetische Stimmlippen bieten gegenüber realen Stimmlippen außerdem den Vorteil, dass sie über einen längeren Zeitraum einer Reihe von Experimenten standhalten, ohne dabei ihre Materialeigenschaften zu verändern. Um die Materialeigenschaften synthetischer Stimmlippen mit realen Stimmlippen vergleichen zu können, wurden geeignete Messplätze konzipiert, mit denen sowohl die statischen als auch die dynamischen und ortsaufgelösten mechanischen Materialparameter des verwendeten Silikonkautschuks bestimmt werden können. Alle Messplätze wurden im Hinblick auf Messungenauigkeiten untersucht, um die Reproduzierbarkeit der Messverfahren zur Bestimmung der Materialeigenschaften zu gewährleisten. Die Messung der statischen Materialparameter erfolgte anhand mechanischer Zugversuche. Dabei wurde erstmals der Einfluss der Alterung des Probenmaterials, der Umgebungstemperatur und der relativen Luftfeuchte auf die Materialparameter untersucht. Zur Analyse des dynamischen Materialverhaltens wurde der Silikonkautschuk mittels mechanischer Schwingungen. Um aus der gemessenen Übertragungsfunktion die frequenzabhängigen Materialdaten bestimmen zu können, wurde ein an die Experimente angepasstes Finite-Elemente-Modell erstellt und die Materialparameter der Simulation iterativ an das Messergebnis angepasst (Inverse Methode). Die Messergebnisse in Verbindung mit den Simulationsergebnissen liefern damit einen vollständigen Parametersatz des Silikonkautschuks. Da die Materialeigenschaften realer Stimmlippen lokal variieren, wurde zusätzlich das Verfahren der Pipettenaspiration angewandt. Es wurde gezeigt, dass sich dieses Verfahren auch zur Charakterisierung transversal-isotroper Materialeigenschaften eignet und eine neue Kenngröße zur Beurteilung der Anisotropie eingeführt. Gerade im Hinblick auf die Entstehung von Stimmlippenknötchen stellen die beim Zusammentreffen der Stimmlippen wirkenden Kräfte eine wichtige Kenngröße dar. Da die Sensorik zur Erfassung dieser geringen Kräfte bislang keine zufriedenstellenden Ergebnisse lieferte, wurde hier ein neuer Ansatz vorgestellt. Als Wandlermaterial kam die piezoelektrische EMFi-Folie zum Einsatz. Es wurden Foliensensorarrays mit unterschiedlicher Ortsauflösung entwickelt und charakterisiert. Untersuchungen mit synthetischen Stimmlippen bewiesen die Eignung der Wandler zur Erfassung der orts- und zeitaufgelösten Kollisionskräfte. Eine Bewertung des vorgestellten synthetischen Stimmlippenmodells erfolgte durch einen direkten Vergleich mit den Schwingungen exzidierter menschlicher Stimmlippen. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Schwingungen sowie die akustischen Signale der Stimmlippen wurden anhand etablierter Kennwerte zur Beurteilung der Stimmqualität analysiert. Die Ergebnisse belegen, dass das Schwingungsverhalten realer Stimmlippen mit dem entwickelten Stimmlippenmodell sehr gut nachgebildet werden kann. Die in dieser Arbeit konzipierten Messmethoden bilden folglich die Grundlage für weiterführende Untersuchungen an realem Gewebe und ermöglichen eine genauere Analyse der an der Stimmgebung beteiligten Prozesse.
Publications
- Measurement of the elasticity modulus of soft tissues. Journal of Biomechanics, 43:1540-1545, 2010
B. S. Zörner, M. Kaltenbacher, R. Lerch, A. Sutor, M. Döllinger
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2010.01.035) - Optical reconstruction of high-speed surface dynamics in an uncontrollable environment. IEEE T Med Imaging, 29(12):1979-91;2010
A. G. Luegmair, S. Kniesburges, M. Zimmermann, A. Sutor, U. Eysholdt, M. Döllinger
(See online at https://doi.org/10.1109/TMI.2010.2055578) - Devices and Methods on Analysis of Biomechanical Properties of Laryngeal Tissue and Substitute Materials. Current Bioinformatics, 6(3):344-361;2011
D. J. Jiang, E Goodyer, A. Sutor, S. Ruptisch, S. Zörner, M. Stingl, B. Schmidt
(See online at https://doi.org/10.2174/157489311796904718) - Optical 3D metric measurements of local vocal fold deformation characteristics in an in vitro setup. IEEE T Bio-Med Eng, 58(10):2758-66;2011
C. B. Hüttner, A. Sutor, G. Luegmair, S. Rupitsch, R. Lerch, M. Döllinger
(See online at https://doi.org/10.1109/TBME.2011.2130525) - Simulation based estimation of dynamic mechanical properties for viscoelastic materials used for vocal fold models. Journal of Sound and Vibration, 330:4447-4459;2011
E. S. J. Rupitsch, J. Ilg, A. Sutor, R. Lerch, M. Döllinger
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jsv.2011.05.008) - Determination of Dynamic Material Properties of Silicone Rubber Using One-Point Measurements and Finite Element Simulations. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 61(11):3031-3038;2012
F. J. Ilg, S.J. Rupitsch, A. Sutor, R. Lerch
(See online at https://doi.org/10.1109/TIM.2012.2203449) - Pipette aspiration applied to the characterization of nonhomogeneous, transversely isotropic materials used for vocal fold modeling. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 17:137-151;2013
G. S. Weiss, S.L. Thomson, R. Lerch, Döllinger M., A. Sutor
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2012.08.005)
