Analyse und Modellierung der 3D-Stimmlippendynamik während der Phonation (APP)

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Eysholdt
• Fachliche Zuordnung: Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Phoniatrie und Audiologie
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 35819142

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Ausgangssignal der Stimme entsteht durch die Bewegung der Stimmlippen im Kehlkopf. Durch die hohe Frequenz der Stimmlippenbewegungen (100 Hz – 300 Hz) werden diese mit sehr hoher zeitlicher Auflösung (4000 fps) mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Ziel war es Methoden zu entwickeln, die es erlauben solche Aufnahmen objektiv auszuwerten um neue Einsichten in den Phonationsprozess zu erlangen. Hierfür wurden in unserem Projekt Stimmlippenschwingungen im in vitro Modell als auch bei der klinischen Untersuchungen analysiert. Die Arbeiten zeigten, dass bei der Beurteilung des Stimmgebungsprozesses die bei den bisherigen Untersuchungen vernachlässigte Vertikalbewegung der Stimmlippen berücksichtigt werden sollte. Um dies zukünftig zu gewährleisten wurde ein dreidimensionales numerisches Modell mit zugehöriger Optimierungsprozedur entwickelt, welches erlaubt die Dreidimensionalität der Stimmlippenbewegungen nachzubilden und objektiv zu beurteilen. Die notwendige Hardware (Laserprojektionssystem) und die numerischen Bildverarbeitungsalgorithmen zur 3D Rekonstruktion der Stimmlippenbewegungen während der Stimmgebung wurden entwickelt. Das gesamte Verfahren wird zukünftig auf klinische Aufnahmen angewendet werden und ermöglicht somit eine bessere Beurteilung des Stimmgebungsprozesses bei Patienten. Durch die durchgeführten in vitro Versuche wurden neue Erkenntnisse über den Zusammenhang von Stimmlippenbewegungen und resultierender Akustik gewonnen. Der von uns hierzu entwickelte computergesteuerte Versuchsstand der die automatisierte Durchführung der Experimente erlaubt ist höchst innovativ und weltweit einzigartig. Bei der objektiven Analyse klinischer Hochgeschwindigkeitsdaten wurden Bewegungsparameter der Stimmlippen als auch akustische Parameter identifiziert die es erlauben Normalstimmen von heiserer Stimme zu unterscheiden und auch unterschiedliche Erkrankungen voneinander zu trennen und somit zu klassifizieren. Die von uns durchgeführten Arbeiten und erzielten Ergebnisse führten zu engen und langfristigen Kooperationen mit international führenden Kollegen in der Grundlagen- als auch der klinischen Forschung. Die von uns geleisteten Arbeiten wurden international hochrangig publiziert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die von uns erzielten Ergebnisse das Resultat einer interdisziplinär arbeitenden Gruppe sind, wie sie durch die Forschergruppe gegeben war.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• The next Step in voice assessment: High-Speed digital endoscopy and objective evaluation. Curr Bioinform, 4(2):101-11;2009
  A. M. Döllinger
  
• Biomechanical modeling of the three-dimensional aspects of human vocal fold dynamics. J Acoust Soc Am, 127(2):1014-31;2010
  C. A. Yang, J. Lohscheller, D.A. Berry, S. Becker, U. Eysholdt, D. Voigt, M. Döllinger
  
• Optical reconstruction of high-speed surface dynamics in an uncontrollable environment. IEEE T Med Imaging, 29(12):1979-91;2010
  B. G. Luegmair, S. Kniesburges, M. Zimmermann, A. Sutor, U. Eysholdt, M. Döllinger
  
• Assessment of local vocal fold deformation characteristics in an in vitro static tensile test. J Acoust Soc Am, 130(2):977-85;2011
  I. M. Döllinger, D. A. Berry, B. Hüttner, C. Bohr
  
• Clinical Analysis Methods of Voice Disorders. Curr Bioinform, 6(3):270-285;2011
  H. A. Ziethe, R. Patel, M. Kunduk, U. Eysholdt, S. Graf
  
• Computation of physiological human vocal fold parameters by mathematical optimization of a biomechanical model. J Acoust Soc Am, 130(2):948-64;2011
  D. A. Yang, M. Stingl, D. A. Berry, J. Lohscheller, D. Voigt, U. Eysholdt, M. Döllinger
  
• Experiments on analysing voice production: Excised (human, animal) and in vivo (animal) approaches. Curr Bioinform, 6(3):286-304;2011
  G. M. Döllinger, J. Kobler, D. A. Berry, D. D. Mehta, G. Luegmair, C. Bohr
  
• Multi-parametric analysis of vocal fold vibrations in healthy and disordered voices in high-speed imaging. J Voice, 25(5):576-90;2011
  E. E. C. Inwald, M. Döllinger, M. Schuster, U. Eysholdt, C. Bohr
  
• 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
  F. B. Hüttner, A. Sutor, G. Luegmair, S. Rupitsch, R. Lerch, M. Döllinger
  
• Analysis of vocal fold function from acoustic data simultaneously recorded with high speed endoscopy. J Voice, 26(6):726-33; 2012
  M. M. Döllinger, M. Kunduk, M. Kaltenbacher, S. Vondenhoff, A. Ziethe, U. Eysholdt, C. Bohr
  
• Effects of the epilarynx area on vocal fold dynamics and the primary voice signal. J Voice, 26(3):285-92;2012
  K. M. Döllinger, D. A. Berry, G. Luegmair, Björn Hüttner, C. Bohr
  
• Spatiotemporal analysis of vocal fold vibrations between children and adults. Laryngoscope, 122(11):2511-8;2012
  L. M. Döllinger, D. Dubrovskiy, R. Patel
  
• Three-dimensional biomechanical properties of human vocal folds: Parameter optimization of a numerical model to match in vitro dynamics. J Acoust Soc Am, 131(2):1378- 90;2012
  J. A. Yang, D.A. Berry, M. Kaltenbacher, M. Döllinger
  
• Analysis of organic vocal fold pathologies by High-Speed Endoscopy in females. Laryngoscope, 123(7):1686-93;2013
  P. C. Bohr, A. Kräck, U. Eysholdt, A. Ziethe, M. Döllinger
  
• Vocal fold vibration at high soprano fundamental frequencies. J Acoust Soc Am, 133(2):EL82-EL87;2013
  O. M. Echternach, M. Döllinger, J. Sundberg, L. Traser, B. Richter
  
• Vocal-Fold Vibration Amplitude, Open Quotient, Speed Quotient and their Variability along Glottal Length: Kymographic Data from Normal Subjects. Logoped Phoniatr Vocol, 38(4):182-92;2013
  N. J. Lohscheller, J. Svec, M. Döllinger
  
• Characterizing vibratory kinematics in children and adults with high-speed digital imaging. J Speech Lang Hear R, 57(2):674-86;2014
  Q. R. Patel, D. Dubrovskiy, M. Döllinger
  
• Preliminary results on the influence of engineered artificial mucus layer on phonation. J Speech Lang Hear R, 57(2):637-47;2014
  R. M. Döllinger, F. Gröhn, D.A. Berry, U. Eysholdt, G. Luegmair