Objektive Differenzierung verschiedener Heiserkeitsformen

Stimmerkrankungen sind noch nicht zur Gänze erforscht, was zum Teil daran liegt, dass die gängigen klinischen Untersuchungsmethoden limitiert sind. Ziel des Forschungsprojektes Objektive Differenzierung verschiedener Heiserkeitsformen ist die Entwicklung von computerisierten Detektoren, die Stimmprobleme aus Mikrofonaufnahmen menschlicher Stimmen erkennen. KehlkopfvideosundMikrofonaufnahmenwerdenvon230 PatientInnenmit Stimmerkrankungen gemacht. Eine Superzeitlupe mit 4000 Bildern pro Sekunde wird verwendet, um die schnellen Stimmlippenschwingungen zu filmen. Um Unregelmäßigkeiten sichtbar zu machen, wird ein 2-sekündiges Video in der Wiedergabe auf über 5 Minuten verlangsamt. Die Forscher ermitteln systematische Zusammenhänge zwischen der Stimmlippenschwingung und dem Stimmklang. Drei Stimmklangphänomene werden erforscht. Der sogenannte vocal fry ist ein Stimmklang mit extrem tiefer Grundfrequenz, welcher mit dem Strohbass-Gesangsregister vergleichbar ist. Unter Umständen ist es bei vocal fry möglich, einzelne Pulse der Stimmlippen zu hören. Zweitens werden Stimmklänge mit Extrapulsen untersucht. Neben dem vocal fry werden auch Extrapulse im Stimmklang erforscht. Diese sind vergleichbar mit kardiologischen Extrasystolen, bei welchen das Herz von Zeit zu Zeit stolpert. Häufig auftretende Extrapulse können kratzig klingen und ein Anzeichen einer Stimmerkrankung sein. Das dritte Stimmklangphänomen ist durchPhasendifferenzeninderStimmlippenschwingung charakterisiert, und tritt bei Stimmerkrankungen häufig auf. Um Phasendifferenzen zu verstehen, kann man versuchen zwei Basketbälle gleichzeitig mit der linken und der rechten Hand auf den Boden zu prellen. Die Bälle werden den Boden fast nie exakt zur gleichen Zeit berühren, weshalb meist zwei Prell-Geräusche pro Zyklus hörbar sind. Derartige Timing-Differenzen können auch bei der Stimmlippenschwingung vor. Dabei geraten die linke und der rechte Stimmlippe aus dem Takt, was ein Anzeichen einer Stimmerkrankung ist. Interessanterweise sind aber die Stimmlippen anders als die Basketbälle nicht separat hörbar, sondern der Stimmklang ist eher rumpelnd. Dies liegt vor allem daran, dass die Frequenz der Stimmlippen viel höher ist, als jene von Basketbällen. ImRahmendiesesForschungsprojekteswirdder Zusammenhangvon Stimmlippenschwingung und Stimmklang in vielerlei Hinsicht erforscht. Es werden Methoden der Computer-basierte Wissenschaft angewandt, und mit Patientendaten entwickelt und getestet. Zudem werdenExperimente zurauditivenWahrnehmung durchgeführt. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes werden unmittelbarzur Verbesserung derMethodik derklinischen Stimmklangbeurteilung bei Stimmerkrankungen eingesetzt.

Verbale Kommunikation ist eine der bedeutendsten menschlichen Errungenschaften und hängt von der korrekten Funktion des Kehlkopfes ab, insbesondere von der Vibration der Stimmlippen. Diese Vibration verleiht der Stimme ihren Klang, ähnlich wie eine schwingende Saite einer Gitarre ihren Klang verleiht. Stimmstörungen können diese normale Vibration stören und das Sprechen erschweren. Kliniker verwenden Kameras, um die Stimmlippen der Patienten zu untersuchen, und achten auf die Nuancen des Stimmklanges. Da die Stimmlippen jedoch schnell vibrieren, sind sie schwer zu sehen, und sowohl visuelle als auch auditive Bewertungen sind subjektiv. Dieses Projekt zielte darauf ab, diese Herausforderungen durch innovative Technologien und Methoden zu bewältigen. Die innovativen Techniken und bedeutenden Erkenntnisse sind folgende. Erstens wurden Hochgeschwindigkeitskameras verwendet, um Aufnahmen um den Faktor 160 zu verlangsamen. Dies ermöglichte die detaillierte Beobachtung von Vibrationsmerkmalen, welche ansonsten übersehen werden. Zweitens wurden Mikrofonaufnahmen analysiert um zu lernen, wie der Stimmklang von den Vibrationen abhängt. Dies führte zu einem besseren Verständnis davon, wie die Eigenschaften der Vibration den Klang bestimmen. Drittens umfasste das Projekt Simulationen von Stimmlippenvibrationen und dem Hörprozess, mit dem Zweck zentrale Merkmale von gestörten Stimmklängen zu quantifizieren. Schließlich nutzte das Projekt künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen (AIML). Insbesondere wurden jüngste Fortschritte in der Sprachtechnologie (z.B. Siri, Alexa) adaptiert, um noch realistischere Simulationen pathologischer Stimmen zu erstellen. Weiters wurde das menschliche Sehen imitierende AIML verwendet um Videoanalysen zu automatisieren. Dies reduzierte den Bedarf an manueller Durchsicht der Videos und erleichtert damit die Implementierung der Videotechnologie in klinischen Umgebungen. Es wurden einige spezifischen Stimmtypen untersucht. Erstens ist Diplophonie ein Zustand, bei dem verschiedene Regionen der Stimmlippen unterschiedlich schnell vibrieren und eine "Doppelstimme" verursachen. Es wurde Software entwickelt, um die Häufigkeit dieses Phänomens für bestimmte Sprecher:innen objektiv zu messen. Zweitens sind Vocal Fry bzw. eine knarrende Stimme ("creak") durch getrennte wahrnehmbare Stimmimpulse gekennzeichnet, die mit den Geräuschen einer Bratpfanne ("frying pan"), einer knarrenden Tür ("creaky door") oder beim Machen von Popkorn ("popcorning") vergleichbar sind. Es konnte gezeigt werden, dass solche Stimmen entweder eine niedrige Vibrationsrate haben oder andere Störungen, welche lediglich die Illusion getrennter Stimmimpulse erzeugen. Drittens wurden Timing-Unterschiede zwischen Stimmlippenregionen untersucht, sowie Extrapulse, welche den Extrasystolen bei Herzschlägen ähneln. Zusammenfassend hat diese Forschung unser Verständnis der Mechanik der Stimmlippen und der Stimmwahrnehmung erheblich verbessert. Durch die Kombination von Hochgeschwindigkeitsvideotechnologie, Computersimulationen und KI werden zentrale Herausforderungen bei der Diagnose und Behandlung von Stimmstörungen angegangen. Die Ergebnisse haben das Potenzial, die klinische Praxis zu revolutionieren, indem sie genauere und zuverlässigere Diagnosen durch "digital twinning" und "decision support" ermöglichen, was letztendlich zu besseren Behandlungsergebnissen und einer verbesserten Lebensqualität für Menschen mit Stimmproblemen führt.