Numerical analysis of aerodynamics and aeroacoustics in normal and disturbed phonation

Für die klinische Analyse der zugrundeliegenden Mechanismen von Stimmstörungen wurde ein innovatives, numerisches aeroakustisches Kehlkopfmodell, genannt simVoice, entwickelt, das häufig beobachtete funktionelle Kehlkopfstörungen wie Glottisinsuffizienz, schwingende Links-Rechts-Asymmetrien und aperiodische Stimmlippenschwingungen nachahmt.
Das hybride Modell ist eine Kombination aus dem Finite-Volumen (FV) Software Paket Star-CCM+ und der aeroakustischen Finite-Elemente Software openCFS (FE). simVoice modelliert die Turbulenz mit Hilfe von Large Eddy Simulationen (LES) und die akustische Wellenausbreitung mit der Perturbed Convective Wave Equation (PCWE).
Der Energietransfer zwischen dem glottalen Luftstrom und den Stimmlippen nimmt mit zunehmender glottaler Insuffizienz ab und spiegelt möglicherweise die höhere Anstrengung beim Sprechen der betroffenen Patienten wider. Alle Befunde bedeuten eine Verringerung der Stimulation der Stimmlippen-Oszillationen und in der Folge eine Beeinträchtigung des akustischen Signals durch funktionelle Stimmstörungen wie etwa Atemnot, Heiserkeit und eine erhöhte Anstrengung bei der Phonation. Diese Beeinträchtigung der Qualität des Schallsignals äußert sich in einem Rückgang des Schalldruckpegels (SPL), des Cepstral Peak Prominence (CPP) und der Vocal Efficiency (VE).

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Für die klinische Analyse der zugrundeliegenden Mechanismen von Stimmstörungen wurde ein innovatives, numerisches aeroakustisches Kehlkopfmodell, genannt simVoice, entwickelt, das häufig beobachtete funktionelle Kehlkopfstörungen wie Glottisinsuffizienz, schwingende Links-Rechts-Asymmetrien und aperiodische Stimmlippenschwingungen nachahmt.Das hybride Modell ist eine Kombination aus dem Finite-Volumen (FV) Software Paket Star-CCM+ und der aeroakustischen Finite-Elemente Software openCFS (FE). simVoice modelliert die Turbulenz mit Hilfe von Large Eddy Simulationen (LES) und die akustische Wellenausbreitung mit der Perturbed Convective Wave Equation (PCWE). Die Schwingung der Stimmlippen ist extern aufgeprägt. Insgesamt wurden 50 Konfigurationen mit synthetischen Stimmlippenschwingungen, unterschiedlichen Graden von funktionellen Stimmstörungen und unterschiedlichen subglottalen Drücken simuliert und analysiert. Darüber hinaus wurden 8 Konfigurationen, die eine realistische Stimmlippendynamik von drei Ex vivo (Kehlkopfkadaver von Schweinen) und fünf In vivo (Patienten) Hochgeschwindigkeitsaufnahmen nachahmen, simuliert.Der Energietransfer zwischen dem glottalen Luftstrom und den Stimmlippen nimmt mit zunehmender glottaler Insuffizienz ab und spiegelt möglicherweise die höhere Anstrengung beim Sprechen der betroffenen Patienten wider. Alle diese Befunde bedeuten eine Verringerung der Stimulation der Stimmlippen-Oszillationen und in der Folge eine Beeinträchtigung des akustischen Signals durch funktionelle Stimmstörungen. Diese Beeinträchtigung der Qualität des Schallsignals äußert sich in einem Rückgang des Schalldruckpegels (SPL), des Cepstral Peak Prominence (CPP) und der Vocal Efficiency (VE). Asymmetrie und Aperiodizität führen zu einer kleineren Schwingungsamplitude während der Stimmlippenschwingung. In der Folge erhöht sich der Strömungswiderstand, aber die Energieübertragungsrate sinkt, was zu einer hohen Anstrengung während der Phonation und einer verminderten Klangqualität führt. Diese Befunde korrelieren mit Symptomen funktioneller Stimmstörungen wie Atemnot, Heiserkeit und erhöhter Anstrengung bei der Phonation. Betroffene haben oft eine weiche und tiefe Stimme, was sich in einem abnehmenden Schalldruckpegel mit zunehmender Glottisinsuffizienz und zunehmender Störung der Stimmlippen-Oszillation zeigt. Die akustischen Merkmale der acht nachgebildeten individuellen Stimmlippen Dynamiken zeigen quantitativ niedrigere Werte, aber qualitativ eine gute Übereinstimmung des simulierten Klangs mit dem gemessenen Klang. Diese Ergebnisse zeigen damit die Stärke des Modells Stimmstörungen adequat abzubilden.simVoice bestätigte frühere klinische und experimentelle Beobachtungen, dass ein hohes Maß an glottaler Insuffizienz die akustische Signalqualität stärker verschlechtert als eine oszillatorische Links-Rechts-Asymmetrie. Im Gegensatz dazu verschlechtert eine aperiodische Stimmlippenschwingung die Qualität des akustischen Signals deutlich. Alle diese Symptome in Kombination vermindern die Qualität des Schallsignals weiter. Die Stimmlippendynamiken aus den einzelnen Ex vivo und In vivo Hochgeschwindigkeitsaufnahmen kann adäquat und effektiv in simVoice übertragen und anschließend mit ausreichender Genauigkeit simuliert werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass simVoice eine detaillierte Analyse der Ursachen für eine gestörte Stimmproduktion ermöglicht und damit das weitere Verständnis der Kehlkopfphysiologie, einschließlich der auftretenden Abhängigkeiten, fördert. Eine derzeitige Rechenzeit von 8.6 h / Oszillationszyklus für den /a/ Vokaltrakt ist, bei einer voraussichtlichen Steigerung der Rechenleistung, vielversprechend für einen zukünftigen klinischen Einsatz von simVoice.