Zusammenfassung

Hintergrund: Doppeloszillationen von Stimmlippen (SL) und Taschenfalten (TF) treten sowohl ungewollt bei malregulativer Dysphonie, als auch gewollt als musikalisches Ausdrucksmittel im Metal-Gesang sowie in asiatischen Gesangstechniken auf. Auch dienen TF-Oszillationen als supraglottaler Stimmersatz, wenn die Schwingung der SL beeinträchtigt ist. Die endoskopische Darstellung dieser Oszillationsmechanismen mittels Stroboskopie oder Hochgeschwindigkeitsvideo erlauben zwar eine zweidimensionale Beurteilung, verdecken jedoch in der Schlußphase der TF zwangsläufig die darunterliegenden SL. Eine Quantifizierung der SL-Kontaktfläche bei geschlossenen TF sowie eine dreidimensionale Darstellung waren daher bisher nicht möglich. Ex-vivo-Modelle konnten eine aerodynamische Kopplung zwischen SL und TF nachweisen, vermochten jedoch nicht alle beobachteten Phänomene der Periodenverdopplungs-Phonation zu erklären.

Material und Methode: Erstmals wurde die dynamische 3D-MRT der SL zur Untersuchung periodischer Doppeloszillationen eingesetzt. Zwei männliche Metal-Sänger führten in Rückenlage 2:1-Periodenverdopplungs-Phonationen auf verschiedenen Grundfrequenzen [123:69 Hz bzw. 128:64 Hz] über jeweils 5 Minuten bei Atmung nach Bedarf durch. Es erfolgte eine schwellenwertbasierte Segmentierung der 3D-Bewegung sowie eine zeitaufgelöste Analyse der SL-Kontaktfläche und des SL- bzw. TF-Kontakts in mittlerer koronarer Schnittebene als Kymogramm.

Ergebnisse: Die Daten zeigen erstmals in vivo, dass sich die Oszillation der SL über den sinus morgagni auf die TF fortpflanzen kann. Die Mukosawelle propagiert dabei zeitlich so abgestimmt nach kaudal, dass im Moment des maximalen TF-Kontakts ein erneuter SL-Kontakt induziert wird. Diese Zwischenoszillation der SL ist in Amplitude und Kontaktfläche reduziert und propagiert nicht nach kaudal.

Schlussfolgerung: Die dynamische 3D-MRT der SL ermöglicht neue Einblicke in das mechanistische Verständnis von Doppeloszillationen. Die Befunde legen nahe, dass für das Verständnis neben aerodynamischen Kräften auch die zeitliche Propagation der Mukosawelle nach kaudal eine wichtige Rolle spielen könnte. Neben dem Grad der TF-Adduktion als determinierenden Faktor für den Kopplungsgrad und damit das Periodenverhältnis könnten auch die Beschaffenheit und muskuläre Anspannung der TF sowie die Geometrie des sinus morgagni wichtige Steuerungsfunktionen einnehmen. Die Methode eröffnet damit neue Perspektiven für das Verständnis erweiterter stimmlicher Ausdrucksmöglichkeiten.

Text

Einleitung und Hintergrund

Die menschliche Stimme entsteht überwiegend durch die regelmäßige Schwingung beider Stimmlippen (SL); daneben können auch supraglottale Strukturen mitschwingen, insbesondere die Taschenfalten (TF), die aryepiglottischen Falten und die Epiglottis [1]. Solche Doppeloszillationen treten sowohl ungewollt bei malregulativer Dysphonie, als auch gezielt als musikalisches Ausdrucksmittel – etwa im Metal-Gesang oder in asiatischen und mediterranen Gesangstechniken – auf [2], [3], [4], [5], [6], [7]. Klinisch relevant ist, dass supraglottale Oszillationen als Stimmersatz dienen können, wenn die Schwingungsfähigkeit der SL eingeschränkt ist (z.B. durch Narbenbildung); ihr gezieltes Erlernen ist daher ein potenzieller Weg der Stimmrehabilitation [1].

Aus Sicht der nichtlinearen Dynamik lassen sich SL und TF als zwei gekoppelte, selbsterhaltende Oszillatoren beschreiben, die aerodynamisch und mechanisch interagieren [8] und je nach Kopplungsstärke synchronisierte Schwingungen, Bifurkationen, Biphonationen oder chaotische Muster erzeugen [1], [8], [9], [10]. Für die vokal-ventrikuläre Phonation (VVP) wurde eine besonders enge Kopplung angenommen, da sie selbst im Glissando ein festes Verhältnis von 2:1 (SL:TF) über einen gewissen Stimmumfang aufrechterhält [1]. Dabei zeigte sich ein mehrgipfliges supraglottales Bewegungsmuster: Zwischen zwei vollständigen TF-Schlüssen tritt eine zusätzliche mediale Bewegung auf mit geringerer Amplitude ohne vollständigen TF-Kontakt [1]. Die Hochgeschwindigkeits-Videoendoskopie (HSV) kann den SL-Kontakt in der Schlussphase jedoch nicht erfassen, da die TF die SL verdecken, und erlaubt keine dreidimensionale Beurteilung. Die Kopplungsmechanismen – aerodynamisch, akustisch oder mechanisch – bleiben unklar. Ex-vivo- und physikalische Modelle wiesen eine aerodynamische Kopplung nach, erklären jedoch nicht alle Phänomene der Periodenverdopplungs-Phonation [9], [10]. Ziel der Arbeit war es daher, erstmals die dynamische 3D-MRT der SL einzusetzen, um die räumlich-zeitliche Interaktion von SL und TF während einer periodischen 2:1-Doppeloszillation aufzulösen und den Mechanismus der TF-Zwischenoszillation zu untersuchen.

Material und Methoden

Untersucht wurden zwei männliche professionelle Metal-Sänger (P1 & P2) in Rückenlage. Beide führten die 2:1-VVP auf einer angenehmen Grundfrequenz über jeweils etwa fünf Minuten aus; vergleichend wurde auf derselben Grundfrequenz eine Singstimmphonation ohne supraglottale Oszillationen aufgenommen. SL und TF wurden mit einer dynamischen 3D-MRT-Sequenz mit räumlicher Auflösung im Submillimeter- und zeitlicher Auflösung im Submillisekundenbereich erfasst [11], [12], [13]. Nach schwellenwertbasierter Segmentierung erfolgte eine zeitaufgelöste Analyse der SL- und supraglottalen Kontakt- und Öffnungsflächen. Zusätzlich wurde der SL- und TF-Kontakt entlang einer abgeknickten Zentrallinie in koronarer Schnittebene – dem Epilarynxtubus folgend – extrahiert und als Kymogramm dargestellt.

Ergebnisse

Die perzeptive Tonhöhe lag bei P1 bei C3 (130 Hz) und bei P2 bei H2 (124 Hz); die mit der Methode nach [1] bestimmten mittleren Grundfrequenzen betrugen 65,8 bzw. 63,5 Hz. Gegenüber rein glottaler Phonation zeigte sich bei beiden Probanden eine Verengung des supraglottalen Bereichs in anterior-posteriorer und mediolateraler Ebene auf Höhe der TF und der aryepiglottischen Falten. Die SL wiesen in einer koronaren Ansicht eine quadratische Form auf mit der für einen M1-Mechanismus typischen medio-inferioren Vorwölbung – dies wurde auch schon für dicke SL beschrieben [14]. Bei beiden Probanden zeigte sich ein gleichförmiger 2:1-Mechanismus mit je zwei SL-Oszillationen pro supraglottaler Hauptoszillation. Eine der beiden SL-Oszillationen löst eine nach cranial propagierende Welle aus, die sich über den Sinus Morgagni auf die Supraglottis überträgt und etwa bis zur Mitte des Epilarynxtubus läuft (Abbildung 1 [Abb. 1]). Der maximale supraglottale Kontakt erfolgt rund 1 ms vor dem zweiten SL-Kontakt und ist gegenüber der ersten Oszillation verändert: bei P1 in Kontaktfläche und Dauer vermindert, bei P2 verstärkt. Vor Erreichen der TF verebbt die von der glottalen Zwischenoszillation ausgelöste Welle, da sich die Supraglottis in einer Öffnungsphase befindet. Der Verlauf der Kontaktfläche (Abbildung 2 [Abb. 2]) zeigt eine doppelgipflige supraglottale Bewegung, die mit dem mehrgipfligen Muster korreliert, das mit HSV beobachtet wurde [1].

Diskussion

Die dynamische 3D-MRT überwindet die zentralen Limitationen der Endoskopie (Verdeckung der SL durch die TF) und der statischen MRT (fehlende zeitliche Auflösung) und quantifiziert erstmals die SL-Bewegung auch in der Schlussphase der TF dreidimensional und zeitaufgelöst. Die Ergebnisse der Messungen legen nahe, dass neben den in Modellen beschriebenen aerodynamischen Kräften [9], [10] auch die zeitliche craniale Propagation der Mukosawelle eine wichtige Rolle spielt. Die Abstimmung zwischen cranialer Wellenausbreitung und maximalem TF-Kontakt scheint ein bislang unterschätzter Faktor für das stabile Frequenzverhältnis zu sein und könnte – über die verzögerte Übertragung der Welle auf die TF bei Änderung der SL-Grundfrequenz – auch die im Glissando beobachtete Variation der Phasenlage erklären [1]. Neben dem Grad der TF-Adduktion, der in Modellen und statischer MRT als determinierender Faktor identifiziert wurde [9], [10], [15], könnten somit auch Beschaffenheit und muskuläre Anspannung der TF – etwa über Faseranteile des Musculus thyroarytaenoideus und des M. ventricularis [16] – sowie die Geometrie des Sinus Morgagni eine Steuerungsfunktion einnehmen. Diese Parameter wären gezielt trainierbar und damit gesangspädagogisch wie klinisch bedeutsam, um einen kontrollierten supraglottalen Stimmersatz bei glottaler Insuffizienz zu erzielen. Limitierend für die Übertragbarkeit der Ergebnisse sind die geringe Probandenzahl, die durch die Rückenlage veränderte laryngeale Position sowie verbleibende Bewegungsartefakte.

Schlussfolgerung

Die dynamische 3D-MRT der SL macht erstmals die räumlich-zeitliche Kopplung von SL und TF hinter den geschlossenen TF sichtbar und eröffnet neue Perspektiven sowohl für das Verständnis erweiterter stimmlicher Ausdrucksmöglichkeiten als auch für die Entwicklung supraglottaler Ersatzmechanismen in der Stimmrehabilitation.

Literatur

[1] Traser L, Fleischer M, Priegnitz D, Stritt F, Köberlein M, Kirsch J, Fischer J, Herzel H, Mürbe D, Richter B, Echternach M. In vivo insights into irregular voice production as a complex nonlinear system-a case study. J R Soc Interface. 2025 Aug;22(229):20250086. DOI: 10.1098/rsif.2025.0086
[2] Fuks L, Hammarberg B, Sundberg J. A self-sustained vocal-ventricular phonation mode. STL-QPSR. 1998;3:49-59.
[3] Bailly L, Henrich N, Pelorson X. Vocal fold and ventricular fold vibration in period-doubling phonation: physiological description and aerodynamic modeling. J Acoust Soc Am. 2010 May;127(5):3212-22. DOI: 10.1121/1.3365220
[4] Bailly L, Bernardoni NH, Müller F, Rohlfs AK, Hess M. Ventricular-fold dynamics in human phonation. J Speech Lang Hear Res. 2014 Aug;57(4):1219-42. DOI: 10.1044/2014_JSLHR-S-12-0418
[5] Sakakibara KI, Fuks L, Imagawa H, Tayama N. Growl voice in ethnic and pop styles. Proc Int Symp Musical Acoustics. 2004.
[6] Aaen M, McGlashan J, Sadolin C. Laryngostroboscopic Exploration of Rough Vocal Effects in Singing and their Statistical Recognizability: An Anatomical and Physiological Description and Visual Recognizability Study of Distortion, Growl, Rattle, and Grunt using laryngostroboscopic Imaging and Panel Assessment. J Voice. 2020 Jan;34(1):162.e5-162.e14. DOI: 10.1016/j.jvoice.2017.12.020
[7] Aaen M, McGlashan J, Christoph N, Sadolin C. Extreme Vocal Effects Distortion, Growl, Grunt, Rattle, and Creaking as Measured by Electroglottography and Acoustics in 32 Healthy Professional Singers. J Voice. 2024 May;38(3):795.e21-795.e35. DOI: 10.1016/j.jvoice.2021.11.010
[8] Švec JG, Zhang Z. Application of nonlinear dynamics theory to understanding normal and pathologic voices in humans. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2025 Apr 3;380(1923):20240018. DOI: 10.1098/rstb.2024.0018
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[10] Matsumoto T, Kanaya M, Ishimura K, Tokuda IT. Experimental study of vocal-ventricular fold oscillations in voice production. J Acoust Soc Am. 2021 Jan;149(1):271. DOI: 10.1121/10.0003211
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[12] Fischer J, Özen AC, Ilbey S, Traser L, Echternach M, Richter B, Bock M. Sub-millisecond 2D MRI of the vocal fold oscillation using single-point imaging with rapid encoding. MAGMA. 2022 Apr;35(2):301-10. DOI: 10.1007/s10334-021-00959-4
[13] Fischer J, Jordan PL, Stritt F, Richter B, Traser L, Bock M. Dynamic 3D MRI for vocal fold oscillation measurements. Z Med Phys. 2026 Jan 29:S0939-3889(26)00004-8. DOI: 10.1016/j.zemedi.2026.01.005
[14] Traser L, Stritt F, Jordan PL, Köberlein M, Kirsch J, Rummel S, Zhang Z, Richter B, Bock M, Fischer J, Echternach M. Dynamic 3D MRI of vocal fold oscillations: In vivo assessment of vocal fold thickness, contact area, and glottal area waveform across phonation types in comparison with high-speed imaging. J Acoust Soc Am. 2026 May 1;159(5):4325-40. DOI: 10.1121/10.0043582
[15] Traser L, Priegnitz D, Stritt F, et al. Vocal tract configuration and acoustic transfer char-acteristics in period-doubling bifurcation phonation mechanisms of extreme vocal styles. J Acoust Soc Am. Forthcoming [in Revision].
[16] Gocht A, Lüers G, Schumacher U. Amount and spatial arrangement of muscle fibers in the human laryngeal Musculus ventricularis. Clin Anat. 2023 Nov;36(8):1138-46. DOI: 10.1002/ca.24050