Analysis and modeling of vibrations of the pharyngoesophageal segment in substitute voice production (Deutsche Krebshilfe Nr. 109204)
Third party funded individual grant
Acronym: Deutsche Krebshilfe Nr. 109204
Start date : 01.07.2010
End date : 30.06.2013
Project details
Scientific Abstract
Die Wiederherstellung der Stimmfunktion nach einer operativen Entfernung des Kehlkopfes ist - neben der Beherrschung des Tumors - ein wichtiges Ziel im Rahmen einer onkologischen Therapie. Die Stimmrehabilitation nutzt Schwingungen des Narbengewebes („Pharyngeal-Esophageal-Segment": PE-Segment) am übergang zwischen oberem Speiseröhrenende und Pharynxstumpf zur Ersatzstimmgebung. Dabei ist die akustische Qualität der Ersatzstimme abhängig von der Morphologie und dem Schwingungsmuster des PE-Segments. Ziel des beantragten Projekts ist die numerische Modellrechnung und quantitative Analyse der Ersatzstimmgebung. Somit werden die Entwicklung operativer Eingriffe zur Verbesserung der Stimmrehabilitation nach einer Laryngektomie und deren objektive Beurteilung vorangetrieben. Mittels Hochgeschwindigkeits- (HG-) Endoskopie werden bei 60 Laryngektomierten die Bewegungen des PE-Segments während der Phonation aufgezeichnet. Dabei werden nichtstationäre Phonationsprozesse untersucht, wie sie bei der Modulation der Ersatzstimme (Tonhöhe und Intensität) auftreten. Um die Vergleichbarkeit zwischen den PE-Schwingungen verschiedener Patienten zu gewährleisten, werden die HG-Aufnahmen mithilfe eines Punktgitter-Laserprojektionssystem metrisch kalibriert und die enthaltenen Bewegungen extrahiert. Zusätzlich wird das akustische Signal beim Lesen eines Standardtextes aufgezeichnet. Diese Aufnahme dient der Bewertung der Stimmqualität (objektiv: automatischer Spracherkenner; subjektiv: ärzte) anhand der die Ersatzstimmen in Qualitätsklassen eingeteilt werden. Für eine Verbesserung der Ersatzstimme ist es notwendig, den Zusammenhang zwischen der PE-Physiologie und der Ersatzstimmqualität zu verstehen. Im Gegensatz zu den dynamischen Eigenschaften sind die zugrunde liegenden mechanischen PE-Gewebeeigenschaften in vivo messtechnisch nicht erfassbar. Daher wird für eine Abschätzung der Gewebeverteilungen und -steifigkeiten ein biomechanisches PE-Modell verwendet. Die Simulation der zeitveränderlichen PE-Dynamik erfordert die Erweiterung des bestehenden Modells und neue Verfahren zur nichtstationären Parameteroptimierung. Mithilfe synthetischer und klinischer Daten wird die Modellanpassung validiert. Die resultierenden Modellparameter ermöglichen eine objektive Beschreibung und Klassifizierung der PE-Dynamik. Dabei wird mit statistischen Verfahren und Methoden des maschinellen Lernens eine Beziehung zwischen den Modellparametern und den Stimmqualitätsklassen hergestellt. So werden diejenigen Parameterkombinationen identifiziert, die eine hohe Verständlichkeit der Ersatzstimme bedingen. Dies erlaubt wichtige Rückschlüsse hinsichtlich der qualitativen Eigenschaften verschiedener PE-Geometrien und-Dynamiken. Die Ergebnisse bilden eine Basis für die Entwicklung konservativer und chirurgischer Methoden zur Verbesserung der Ersatzstimmqualität (z.B. Planung der Schnittführung, gezielte Narbenbildung) und damit der Lebensqualität betroffener Patienten.
Involved:
Contributing FAU Organisations:
Professur für Computational Medicine (DFG-Forschungsprofessur)
Zentralinstitut für Medizintechnik (ZiMT)