Finite-Element-Modell menschlicher Phonation mit Fluid-Struktur-Interaktion
Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Phoniatrie und Audiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Teilprojektes war es, ein kontinuumsmechanisches Simulationsmodell zu entwickeln, mit dem die wesentlichen Effekte der menschlichen Stimmgebung auf Struktur- und Fluidseite abgebildet werden können. In dem Simulationsmodell wird die Struktur durch ein Finite-Elemente-Modell und das Fluid durch ein Finite-Volumen-Modell abgebildet. Die beiden Teilmodelle werden mit der „Arbitrary Lagrangian Eulerian Method“ gekoppelt. Der in der Finite-Volumen-Methode nicht unmittelbar modellierbare Verschluss des Spalts zwischen den Stimmlippen wird erstmals durch eine Kombination aus einem Kontaktproblem einem abstandsabhängigen Verlustkoeffizienten abgebildet. In dem entwickelten Simulationsmodell werden die verschiedene Gewebeschichten, die Taschenfalten und die Knorpel als Lager-Randbedingungen berücksichtigt. Für die Ermittlung der notwendigen Geometrie wurden Techniken und Ausstattung für die Magnet-Resonanz-Bildgebung entwickelt und für die Messungen während der tatsächlichen Phonation angepasst. Damit ist es möglich, personenspezifische Simulationsmodelle zu erzeugen, um die Stimmbildung individuell zu simulieren. Diese neue und anspruchsvolle prototypische Umsetzung soll die grundlegende Basis für die zukünftige Anwendbarkeit von MR-Techniken für phoniatrisch Fragen darstellen. Für die Verwendung möglichst realistischer Materialparameter auf der Strukturseite dient eine Methode, die aus einer Vielzahl von eindimensionalen Kraft-Auslenkungs-Messungen an verschiedenen Punkten eines exzidierten Kehlkopfs mittels eines Optimierungsalgorithmus globale Materialparameter für die E- Moduln, die Schubmoduln und die Querdehnungszahlen der orthotropen Gewebe ermittelt. Diese werden für den Einsatz von 3D-Simulationsmodellen benötigt. Untersucht wurden verschiedene Versionen von quasi-zweidimensionalen Modellen und ein dreidimensionales Modell der angeströmten Stimmlippen. Bei den 2D-Modellen standen insbesondere zwei verschiedene Anströmformen der Gewebe mit gleichen Randbedingungen im Vordergrund. Nur eine davon erzielte selbsterhaltende Schwingungen. Dabei entstand ein charakteristischer Vorzeichenwechsel des Luft-Drucks im Spalt zwischen den beiden Stimmlippen. Bei der anderen Form wurde die Struktur von der Strömung zu Schwingungen angeregt, die sich durch die Materialdämpfung bei einem statisch ausgelenkten Wert einpendelten. Als Voraussetzung für die selbsterhaltende Schwingung wurde daraus abgeleitet, dass in Ruhelage ein paralleler Kanal zwischen den Stimmlippen vorhanden sein muss. Neben der Ermittlung der Eigenfrequenzen erfolgte auch eine Untersuchung der Strömungsfelder und des Cuanda-Effeks. Die Simulationen ergaben, dass in den Modellen eine Ablenkung des Jets erst entsteht erst, wenn der Jet die Fluid-Randbedingung stromabwärts berührt hat. Im Verlauf der Simulationen zeigte sich auch ein stochastischer Wechsel der Seite der Jet-Ablenkung. Mit den Simulationsergebnissen auf der Strömungsseite wurde zur Validierung auch akustischer Output erzeugt. Hierzu wurde das Schallfeld der Strömung bestimmt, indem für die Ergebnisdateien der Fluidberechnung die Lighthill-Analogie angewendet wurde. Die Ergebnisse des akustischen Outputs zeigen, dass die akustischen Quellterme wie erwartet entlang des Jets entstehen und sich deshalb nur supraglottal befinden. Die größten Quellterme entstehen hierbei im Bereich der Taschenfalten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Acoustic method for synchronization of Magnetic Resonance Imaging (MRI). Acta Acustica united with Acustica 94:148-155, 2008
T. Frauenrath, T. Niendorf, M. Kob
- A system for parallel measurement of glottis opening and larynx position. Biomedical Signal Processing and Control, 4(3):221-228, 2009
M. Kob, T. Frauenrath
- Feasibility of Cardiac Gating Free of Interference With Electro-Magnetic Fields at 1.5 Tesla, 3.0 Tesla and 7.0 Tesla Using an MR-Stethoscope. Investigative Radiology 44:539-547, 2009
T. Frauenrath, F. Hezel, U. Heinrichs, S. Kozerke, J. F. Utting, M. Kob, C. Butenweg, P. Boesiger, T. Niendorf
- Pathogenesis of Vocal Fold Nodules: New Insights from a Modelling Approach. Folia Phoniatrica et Logopaedica 61:171-179, 2009
P.H. Dejonckere, M.Kob
- Mathematical Model and Numerical Schemes for the Simulation of Human Phonation, Current Bioinformatics Vol. 6: 323-343, 2011
Alipour, F., Brücker, C., Cook, D., Gömmel, A., Kaltenbacher, M., Matteus, W., Mongeau, L., Nauman, E., Schwarze, R., Tokuda, I., Zörner, S.
