Numerische Berechnung der Stimmentstehung

Die Stimme ist das Trägersignal der Sprache. Der Stimmgebungsprozess (Phonation) wird durch die Interaktion zwischen Luftströmung und den beiden im Kehlkopf gegenüberliegenden periodisch schwingenden Stimmlippen vorgegeben. Die schwingenden Stimmlippen (ca. 100 Hz 300 Hz bei normaler Phonation) unterbrechen periodisch den durch die Luftröhre strömenden Luftstrom und erzeugen somit das primäre akustische Stimmsignal. Obwohl wir im alltäglichen Leben die Stimme als selbstverständlich hinnehmen sind die exakten Zusammenhänge zwischen Luftströmung, Stimmlippenbewegungen und erzeugtem akustischen Signal, speziell bei der dysphonen Stimme, nicht exakt verstanden. Unser zentrales Ziel ist die Entwicklung eines aeroakustischen Computermodells simVoice zur zukünftigen klinischen Anwendung. Das simVoice-Modell ist ein 3D-FVM (Fluid- und Strukturdynamik) und 3D-FEM (Aeroakustik) Hybridmodell das bezüglich Rechenzeit und Komplexität optimiert wird aber immer noch erlaubt die akustischen Komponenten von Interesse aufzulösen. Die innovativen wissenschaftlichen Aspekte des Projekts beinhalten die Untersuchung bis zu welchen Größenskalen turbulente Anteile aufgelöst werden müssen um noch die gewünschten akustischen Charakteristika zu beinhalten, Einblick in die Ursache-Wirkungskette von Stimmlippenbewegung- Luftstrom-Akustik und die erste detaillierte numerische Studie hinsichtlich der Auswirkung der Stimmlippenschwingungen auf die akustische Stimmqualität. Die erwarteten klinischen Erkenntnisse des Projekts sind (1) ein besseres Verständnis der pathologischen und gesunden Stimmgebung, (2) die Identifizierung von neuen Behandlungsansätzen und (3) die Möglichkeit zur Simulation von konservativen und chirurgischen Stimmbehandlungsmethoden.

Kommunikationsstörungen sind heute von großer sozialer und wirtschaftlicher Bedeutung. Je nach Studie wurden bei Lehrern zwischen 11 % und 63 % Stimmprobleme festgestellt, verglichen mit etwa 6 % in der Normalbevölkerung. Zentrales Ziel dieses Forschungsprojektes war es, ein aeroakustisches Rechenmodell simVoice für die zukünftige klinische Anwendbarkeit zu entwickeln. Das inkompressible CFD-Modell, das ein LES-Turbulenzmodell (Large Eddy Simulation) verwendet, basiert auf vorgeschriebenen Stimmlippenschwingungen, die zunächst aus synthetischen und dann aus in-vivo- und ex-vivo-Hochgeschwindigkeitsaufnahmen ermittelt wurden. Für das Modell wird eine druckgesteuerte Luftströmung verwendet. Auf diese Weise wird das Problem der Wechselwirkung zwischen der Luftströmung un den Stimmlippen umgangen, dessen Genauigkeit entscheidend von zuverlässigen geometrischen und materiellen Parametern aller Schichten der Stimmlippen abhängt. Das akustische Modell basiert nach einem Störungsansatz, der sogenannten Perturbed Comvective Wave Equation (PCWE, ist eine konvektive Wellengleichung) mit der substantiellen Ableitung des inkompressiblen Drucks als Quellterm. Dabei konnten wir feststellen, dass das Rechenmodell simVoice in der Lage ist, akustische Signale zu berechnen, die mit gemessenen Mikrofonsignalen des Menschen vergleichbar sind, und es ermöglicht, erfolgreiche konservative und chirurgische Strategien vorzuschlagen: simVoice zeigt laryngeale Zusammenhänge zwischen Luftstrom, Stimmlippendynamik und resultierender Akustik auf. Basierend auf diesem Wissen können spezifische Behandlungsstrategien vorgeschlagen werden. Das Wissen, in welchem Umfang turbulente Skalen aufgelöst werden müssen, konnte ermittelt und demonstriert werden. Die detaillierten numerischen Untersuchungen zu den Abhängigkeiten der Stimmlippendynamik von der akustischen Qualität ergaben folgendes: Ein hohes Maß an glottaler Insuffizienz verschlechtert die akustische Signalqualität stärker als eine asymmetrische oder aperiodische Oszillation, aber alle Symptome zusammen vermindern die Qualität des Tonsignals weiter. Unser Simulationsmodell simVoice ist daher auf dem Weg in die Lehre für junge Mediziner und Wissenschaftler.