41. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie (DGPP)
Einflussanalyse präphonatorischer Parameter auf die Fundamentalfrequenz der Phonation
2Universitätsklinikum der Ludwig-Maximilians Universität München, Phoniatrie und Pädaudiologie, München, Deutschland
Abstract
Hintergrund: Die Fundamentalfrequenz F0 der menschlichen Stimmlippenschwingungen ist das Resultat aus dem Zusammenspiel der Aktivierung der unterschiedlichen Kehlkopfmuskeln und der Verschiebung des laryngealen Knorpelgerüsts. Dadurch werden die präphonatorischen glottalen Parameter der Vorspannung, der Länge und der Adduktion der Stimmlippen gesteuert, um eine effiziente Anregung durch den Luftstrom zu gewährleisten. Da dieses Zusammenspiel in vivo schwer zu analysieren ist, wurde ein experimentelles Kehlkopfmodell entwickelt, das eine unabhängige Steuerung der Parameter ermöglicht.
Material und Methoden: Das Kehlkopfmodell besteht aus Silikon mit charakteristischen Materialkennwerten. Die Stimmlippen bestehen dabei aus 4 Schichten (M. Vocalis, Ligament, Schleimhaut und Epithel) mit unterschiedlichen Steifigkeitswerten. Das Ligament enthält eine Faser, um eine definierte Spannkraft anlegen zu können. Ein elektromechanischer Versuchsstand erlaubt die voneinander unabhängige Einstellung von Adduktion, Stimmlippenlänge, Vorspannung in den Stimmlippen und Luftflussrate. Mit diesem Setup wurden umfängliche Messungen der Stimmlippenschwingung, des subglottalen Drucks und des Schalls durchgeführt, wobei die glottalen Parameter und der Luftfluss systematisch variiert wurden.
Ergebnisse: F0 ergab sich zwischen 80 Hz und 450 Hz abhängig von der Kombination der glottalen Parameter. Dabei stieg die Frequenz mit steigender Faserspannung und stärkerer Adduktion an. Demgegenüber korrelierten eine kleinere Stimmlippenlänge und ein kleinere Luftflussrate mit hohen Frequenzen.
Der Anstieg von F0 zeigt für alle glottalen Parameter Unterbrechungen, d.h. F0-Bereiche in denen keine Schwingung der Stimmlippen auftrat. Als Ergebnis zeigten sich demnach 2–3 voneinander abgegrenzte Frequenzbereiche, in denen jeweils F0 durch gezielte Variation der glottalen Parameter und des Luftflusses stufenlos verstellbar ist.
Schlussfolgerungen: Der große Vorteil dieses Modells ist die entkoppelte Einstellmöglichkeit der glottalen Parameter und des Luftflusses, um deren isolierten Einfluss auf die Phonation zu analysieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die glottalen Parameter F0 nach physiologischem Verständnis beeinflussen. Ein physiologisches Pendant zum Effekt der abgegrenzten Frequenzbereiche ist nicht eindeutig zu identifizieren. Der Einfluss auf die Schwingungsform (Symmetrie, Periodizität, Glottisschluss) und auf den Schall sind Gegenstand weiterer Analysen.
Text
Hintergrund
Die Fundamentalfrequenz F0 der menschlichen Stimmlippenschwingungen ist das Resultat aus dem Zusammenspiel der Aktivierung der unterschiedlichen Kehlkopfmuskeln und der Verschiebung des laryngealen Knorpelgerüsts. Dadurch werden die präphonatorischen glottalen Parameter der Vorspannung, der Länge und der Adduktion der Stimmlippen gesteuert, um eine effiziente Anregung durch den Luftstrom zu gewährleisten. Da dieses Zusammenspiel in vivo schwer zu analysieren ist, wurde ein experimentelles Kehlkopfmodell entwickelt, das eine unabhängige Steuerung der Parameter ermöglicht.
Material und Methoden
Das Kehlkopfmodell besteht aus Silikon mit charakteristischen Materialkennwerten [1]. Die Stimmlippen bestehen dabei aus 4 Schichten (M. Vocalis, Ligament, Schleimhaut und Epithel) mit unterschiedlichen Steifigkeitswerten, siehe Abbildung 1 [Abb. 1]. Das Ligament enthält eine Faser, um eine definierte Spannkraft anlegen zu können. Ein elektromechanischer Versuchsstand erlaubt die voneinander unabhängige Einstellung von Adduktion, Stimmlippenlänge, Vorspannung in den Stimmlippen und Luftflussrate. Mit diesem Setup wurden umfängliche Messungen der Stimmlippenschwingung, des subglottalen Drucks und des Schalls durchgeführt, wobei die glottalen Parameter und der Luftfluss systematisch variiert wurden [2], [3].
Abbildung 1: Kehlkopfmodell in der Gesamtansicht (links). Stimmlippen mit Schichtaufbau (rechts)
Ergebnisse
F0 ergab sich zwischen 80 Hz und 450 Hz abhängig von der Kombination der glottalen Parameter. Dabei stieg die Frequenz mit steigender Faserspannung und stärkerer Adduktion an. Demgegenüber korrelierten eine kleinere Stimmlippenlänge und ein kleinere Luftflussrate mit hohen Frequenzen.
Der Anstieg von F0 zeigt für alle glottalen Parameter Unterbrechungen, d.h. F0-Bereiche in denen keine Schwingung der Stimmlippen auftrat. Als Ergebnis zeigten sich demnach 2–3 voneinander abgegrenzte Frequenzbereiche, in denen jeweils F0 durch gezielte Variation der glottalen Parameter und des Luftflusses stufenlos verstellbar ist.
Diskussion
Der große Vorteil dieses Modells ist die entkoppelte Einstellmöglichkeit der glottalen Parameter und des Luftflusses, um deren isolierten Einfluss auf die Phonation zu analysieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die glottalen Parameter F0 nach physiologischem Verständnis beeinflussen. Ein physiologisches Pendant zum Effekt der abgegrenzten Frequenzbereiche ist nicht eindeutig zu identifizieren. Der Einfluss auf die Schwingungsform (Symmetrie, Periodizität, Glottisschluss) und auf den Schall sind Gegenstand weiterer Analysen.
References
[1] Tur B, Gühring L, Wendler O, Schlicht S, Drummer D, Kniesburges S. Effect of Ligament Fibers on Dynamics of Synthetic, Self-Oscillating Vocal Folds in a Biomimetic Larynx Model. Bioengineering (Basel). 2023 Sep 26;10(10):1130. DOI: 10.3390/bioengineering10101130[2] Gühring L, Tur B, Semmler M, Schützenberger A, Kniesburges S. Influence of flow rate and fiber tension on dynamical, mechanical and acoustical parameters in a synthetic larynx model with integrated fibers. Front Physiol. 2024 Nov 19;15:1455360. DOI: 10.3389/fphys.2024.1455360
[3] Tur B, Wendler O, Berry DA, Kniesburges S. Aerodynamic and Rheological Impact on Aerosol Generation in a Synthetic Larynx Model. Physics Fluids. 2024;36:113378.
