Visualization and quantitative analysis of vocal fold vibrations using phonovibrograms

Die klinische Untersuchung von Stimmstörungen erfordert die visuelle Erfassung der oszillierenden Stimmlippen. Die modernste Technik ist die Hochgeschwindigkeits-(HG-)Endoskopie, welche in der Lage ist sowohl reguläre als auch irreguläre Schwingungsmuster zu erfassen. Bei einer derartigen Untersuchung werden Datensätze von mehreren 100 MByte erzeugt, deren subjektive Auswertung in der klinischen Routine nicht mehr praktikabel ist. Die aktuellen Bilderfassungssysteme erfordern daher zwingend moderne Analyseverfahren, mit denen sich Stimmlippenschwingungen in kurzer Zeit quantitativ beschreiben lassen. Der neue Ansatz der Phonovibrographie hat das Potential den Schritt von der Grundlagenforschung in die klinische Praxis zu vollziehen. Er beinhaltet ein klinisch validiertes Segmentierungsverfahren, das selbst bei geringer Bildqualität die Stimmlippen aus den HG-Filmen extrahiert. Das Verfahren erreicht einen Datendurchsatz von ca. 100 Bildern pro Sekunde und ist somit für den direkten Einsatz, d.h. im Anschluss an die HG-Aufnahmen, geeignet. In einem zweiten Schritt wird die Dynamik der beiden extrahierten Stimmlippenkanten in einem Farbbild, dem so genannten Phonovibrogamm (PVG) visualisiert. Das PVG veranschaulicht auf eine sehr einfache Art und Weise die Schwingungsmuster von Stimmlippen. Durch Analyse der PVGs lassen sich Aussagen über das vorliegende Krankheitsbild ableiten. Die Anwendung der Phonovibrographie wird an klinisch erhobenen Datensätzen demonstriert

The Visible Human Voice

Hintergrund: Die Hochgeschwindigkeits-(HG)-Laryngoskopie ist gegenwärtig das Untersuchungsverfahren der Wahl zur Erfassung stationärer und nicht-stationärer Phonationsprozesse. Es existiert eine Vielzahl von Forschungsarbeiten, die unter Verwendung von Verfahren der Bild- und Signalverarbeitung, der Mustererkennung und des maschinellen Lernens eine objektive Analyse der Stimmlippendynamik anstreben. Ein direkter Vergleich der in der Literatur vorgestellten Analyseverfahren wird im Allgemeinen dadurch erschwert bzw. unmöglich gemacht, dass die Verfahren jeweils an individuellen Datensätzen validiert werden. Evidenzbasierte Aussagen über die Stärken und Schwächen der verschiedenen Ansätze, die auf Basis der Literatur gewonnen werden, sind gegenwärtig daher nur schwer möglich,Material und Methoden: Eine allgemein zugängliche Datenbasis, welche der wissenschaftlichen Gemeinschaft zum einen das Datenmaterial und zum anderen die darauf beruhenden Ergebnisse als Rohdaten zur Verfügung stellt, ermöglicht unter wissenschaftlichen Aspekten einen verbesserten objektiven Vergleich von verschiedenen Forschungsansätze. Im Rahmen eines von der DFG geförderten Projektes zur Analyse der Stimmlippendynamik wurde eine internetbasierte Plattform zum Austausch von Forschungsergebnissen entwickelt. Gegenwärtig stellt die Plattform 100 HG-Videos gesunder und pathologischer Stimmlippenschwingungen zur Verfügung.Ergebnisse: Neben den HG-Videos werden auf der Plattform ebenfalls die daraus gewonnenen Segmentierungsergebnisse sowie die extrahierten Phonovibrogramme (Lohscheller et al. 2008) bereitgestellt. Der Zugang ist Wissenschaftlern nach einer Registrierung möglich. Die Plattform erlaubt es Wissenschaftlern weiterhin, eigene Datensätze und Ergebnisse der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung zu stellen.Diskussion: Erst eine gemeinschaftlich genutzte Datenbasis ermöglicht einen direkten Vergleich von Forschungsansätzen und fördert den Prozess des wissenschaftlichen Erkenntnisgewinns

Differenzierte Analyse des Öffnungs- und Schließungsverhalten von Stimmlippenschwingungen

Hintergrund: Die Hochgeschwindigkeits-(HG-)Laryngoskopie erlaubt durch ihre hohe zeitliche Auflösung die präzise Erfassung des zeitabhängigen Schwingungsmusters von Stimmlippen. In einer Reihe von Studien konnte gezeigt werden, dass sich die Schwingungsvorgänge in ihrer Gesamtheit hinsichtlich der auftretenden zeit- und ortsabhängigen Schwingungsmuster adäquat quantitativ beschreiben lassen. Eine für die klinische Praxis anwendbare differenzierte Analyse des zeit- und ortsabhängigen Öffnungs- und Schließungsverhaltens der Stimmlippen existiert bisher nicht.Material und Methoden: In dieser Arbeit wird gezeigt, dass durch Erweiterung eines Verfahrens zur wavelet-basierten Analyse von HG-Videos, eine differenzierte Analyse des glottalen Öffnungs- und Schließungsverhaltens möglich ist. Das Verfahren erlaubt weiterhin die Analyse sowohl stationärer als auch nicht-stationärer Phonationsparadigmen. So können die sich zeitlich verändernden Schwingungszyklen in ihre Öffnungs- und Schlussphasen zerlegt und die unterschiedlichen Vorgänge innerhalb der beiden Schwingungsphasen quantitativ erfasst werden. Das Verfahren wird anhand von endoskopischen HG-Videoaufnahmen stimmgesunder Probanden demonstriert. Ebenso wird die differenzierte Analyse nicht-stationärer HG-Videoaufnahmen anhand von Fallbeispielen veranschaulicht.Ergebnisse: Das erweiterte Verfahren erlaubt Unterschiede im Öffnungs- und Schließungsverhalten der Stimmlippen präzise zu erfassen. Die Quantifizierung der zeit- und ortsabhängigen Prozesse innerhalb der beiden Schwingungsphasen erfolgt durch einen Satz klinisch interpretierbarer Parameter, welche auch eine Beschreibung der zeitlichen Veränderungen der Schwingungseigenschaft bei nicht-stationärer Phonation ermöglichen.Diskussion: Das vorgestellte Verfahren ermöglicht erstmals eine individuelle Analyse des Öffnungs- und Schließungsverhalten der Stimmlippen, welches sowohl für stationäre als auch für nicht stationäre Phonation angewendet werden kann

Generierung einer Normkarte von Stimmlippenschwingungen basierend auf einer waveletbasierten Analyse von Phonovibrogrammen

Hintergrund: In Verbindung mit der Hochgeschwindigkeits-Laryngoskopie ermöglicht das Phonovibrogramm (PVG) eine kompakte Visualisierung von Stimmlippen(SL)-Schwingungen. Mittels waveletbasierter PVG-Analyse lässt sich zudem eine präzise Quantifizierung der SL-Dynamik erreichen. Innerhalb des Verfahrens wird ein zu analysierender PVG-Datensatz in einen 3D-Referenzparameterraum projiziert, welcher aus 100 Videoaufnahmen stimmgesunder Probanden mittels Hauptkomponentenanalyse (engl.: PCA) generiert wurde. Der so konstruierte Parameterraum dient als physiologische Norm und stellt eine quantitative Repräsentation der charakteristischen Schwingungseigenschaften von SL dar. Infolge des Projektionsschrittes hängen die projizierten Ergebnisse (Eigenwerte) im PCA-Raum direkt von den verwendeten Referenzdatensätzen ab und sind daher nicht eindeutig.Material und Methoden: Es wird ein Verfahren zur Normierung der PCA-Raumrepräsentation vorgestellt, um eine direkte Vergleichbarkeit von auf Basis unterschiedlicher Referenzdaten ermittelten Ergebnissen zu ermöglichen. Die Normierung basiert auf synthetisch generierten eindeutigen PVG-Mustern, die in individuelle PCA-Räume projiziert und unter Verwendung eines Registrierungsansatzes auf einen normierten PCA-Raum abgebildet werden können.Die Validierung erfolgt über verschiedene Referenzdatensätzen, die aus einem Pool von 100 stimmgesunden Probanden als Stichproben unterschiedlicher Größe (N=10,...,90) gezogen werden. Die relative Abweichung der projizierten Ergebnisse von 20 Testdatensätzen (10 gesund, 5 Paresen, 5 funktionelle Dysphonien) in verschiedenen normierten Projektionen dient als Maß zur Beurteilung der Güte der Normierung.Ergebnisse: Für die Normierung der PCA-Räume ist eine affine Transformation als Registrierungsansatz hinreichend. Es zeigt sich ein systematischer Zusammenhang zwischen der Anzahl an verwendeten Referenzdatensätze und der Genauigkeit der Normierung. Für eine verlässliche Projektion der Schwingungsmuster in den PCA-Raum (relative Abweichung <1%) muss dieser aus mindestens 60 Probanden konstruiert werden.Diskussion: Der vorgestellte Normalisierungsansatz erweitert zuverlässig das von Unger et al. vorgestellte Verfahren zur waveletbasierten PVG-Analyse. Durch Registrierung synthetischer PVG-Formen auf einen normierten PCA-Raum lässt sich in Anlehnung an das Basisprotokoll der European Laryngological Society eine Normkarte generieren, welche die glottalen Schwingungstypen eindeutig repräsentiert

Erweiterte Schwingungsanalyse basierend auf der Segmentierung von Glottis und Stimmlippen

Hintergrund: Bisherige Ansätze zur computergestützten Analyse der Stimmlippen-(SL-)schwingung aus endoskopischen Hochgeschwindigkeits-(HG-)aufnahmen basieren auf der segmentierten glottalen Fläche. Erfolgt hierbei kein vollständiges Öffnen entlang der gesamten SL-Länge, kann aus der segmentierten Glottis allein nicht auf die absolute Lage der glottalen Öffnung geschlossen werden, was zu Fehlinterpretationen bei der Schwingungsanalyse führt.Material und Methoden: Mittels eines Neuronalen Netzes werden sowohl die SL als auch die Glottis vollautomatisch segmentiert. Anschließend werden für jede SL die anatomischen Landmarken processus vocalis sowie vordere Kommissur bestimmt. Die dadurch definierten individuellen Schwingungsachsen erlauben eine exakte Lagebestimmung der glottalen Achse im Bezug zur SL-Länge und können in einer phonovibrogrammbasierten Analyse berücksichtigt werden. Anhand klinischer HG-Aufnahmen von gesunden und pathologischen Probanden (stationäre und nicht-stationäre Phonation) werden Ergebnisse dieser erweiterten Schwingungsanalyse exemplarisch vorgestellt und diskutiert.Ergebnisse: Die vollständige Segmentierung der SL ermöglicht erstmalig die Beschreibung der SL-Dynamik entlang der gesamten SL-Länge und ist nicht auf die Lage der Glottis beschränkt. Die abgeleiteten Phonovibrogramme ermöglichen sowohl für physiologische als auch für pathologische Schwingungen eine präzisierte Interpretation des zugrundeliegenden Schwingungsvorganges. Die Segmentierung der SL erlaubt weiterhin die Bewertung von Asymmetrien im Muskeltonus, wie sie beispielsweise bei einer einseitigen Recurrensparese vorliegen können. Analysierte Stimmeinsätze und Glissandi demonstrieren, dass mittels individueller Schwingungsachsen für stationäre sowie für nicht-stationäre Phonationen eine präzise Beschreibung der SL-Dynamik erzielt werden kann.Diskussion: Auf der Segmentierung der Glottis beruhende Ansätze erlauben lediglich die Analyse der Schwingungsdynamik für den sich öffnenden Bereich der SL. Durch die zusätzliche Segmentierung der SL ist es in dieser Arbeit erstmalig gelungen, die Lage und relative Größe der Glottis in direkten Bezug zur SL-Länge zu setzen. Dadurch wird eine präzisierte Beschreibung der SL-Dynamik erreicht, was einen verbesserten Vergleich der Schwingungsdynamik erlaubt.Fazit: Basierend auf den segmentierten SL erlaubt der vorgestellte Ansatz erstmalig eine präzise SL-individuelle Schwingungsanalyse entlang der gesamten SL-Länge und ermöglicht damit verbesserte intra- sowie interindividuelle Vergleiche

Quantifizierung der zeitveränderlichen Stimmlippenmorphologie mittels Laryngovibrogrammen

Hintergrund: Die endoskopische Hochgeschwindigkeits-(HG-)Videolaryngoskopie erlaubt eine präzise Erfassung der Stimmlippen-(SL-)Dynamik in Echtzeit. In den vergangenen Jahren wurden zahlreiche Ansätze zur Quantifizierung des SL-Schwingungsverhaltens aus HG-Aufnahmen vorgestellt, welche zum überwiegenden Teil auf der Analyse der zeitveränderlichen glottalen Fläche basieren. Das neu vorgestellte Laryngovibrogramm (LVG) erlaubt erstmalig auch eine Analyse der zeitveränderlichen Morphologie des SL-Gewebes.Material und Methoden: Zur Erzeugung eines LVGs werden die Flächen der SL und der Glottis mittels eines Neuronalen Netzes segmentiert. Anschließend erfolgt für jede SL eine Bestimmung der individuellen Schwingungsachse zwischen Processus vocalis und der vorderen Kommissur. Hierdurch lässt sich die Lage der Glottis und die SL-Amplitude ins Verhältnis zur SL-Länge und SL-Breite setzen. Die Ergebnisse dieser LVG-basierten Schwingungsanalyse werden exemplarisch an klinischen HG-Aufnahmen von gesunden sowie pathologischen Probanden (stat./n.stat. Phonation) vorgestellt.Ergebnisse: Bei stationärer Phonation eines gesunden Probanden (26J) zeigen sich rel. SL-Amplituden von 6,9% (r.) und 7,6% (l.) bei einem Längen- und Breitenverhältnis der SL von 1,0 bzw. 1,1. Im Gegensatz dazu zeigt eine linksseitige Parese (m, 29J) rel. SL-Amplituden von 2,5% (r.) und 0,7% (l.) bei einem Längen- und Breitenverhältnis der SL von jeweils 1,0. Nichtstationäre Prozesse wie ein Stimmeinsatz lassen sich mittels LVG durch die zeitliche Änderungsrate des Winkels zwischen den SL-Schwingungsachsen beschreiben. So zeigt sich bei einer gesunden Probandin (23J) eine Änderungsrate von 112°/s bei gleichzeitiger 30%iger Zunahme der initialen SL-Länge. Nach dem Einschwingvorgang weisen beide SL medial eine rel. Amplitude von rund 7% auf.Diskussion: Basierend auf den extrahierten SL-Flächen ermöglicht das LVG für stationäre als auch nichtstationäre Phonationen eine erweiterte Analyse des Schwingungsverhaltens und erlaubt eine quantitative Beschreibung der Morphologie des SL-Gewebes hinsichtlich SL-Länge und Breite sowie eine Quantifizierung des Öffnungswinkels. Durch Kenntnis der SL-Länge lassen sich rel. SL-Auslenkungen ermitteln, wodurch ein intra-individueller Vergleich von SL-Schwingungen ermöglicht wird.Fazit: Die präzisierte LVG-basierte Beschreibung der SL-Dynamik kann als methodische Basis eingesetzt werden, um in weiterführenden Studien zu neuen datengetriebenen Erkenntnissen über physiologische und pathophysiologische Phonationsmechanismen zu gelangen

Quantification of vocal fold dynamics based on phonovibrograms

Mit endoskopischen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen (HG-Aufnahmen) lassen sich die Bewegungsmuster der Stimmlippen in Echtzeit erfassen. Für eine quantitative und damit objektive Analyse der HG-Aufnahmen wurde die Phonovibrographie entwickelt. Mit diesem Verfahren werden die oszillierenden Stimmlippenkanten aus den HG-Aufnahmen extrahiert und anschließend in einem 2D Bild, dem Phonovibrogramn (PVG), visualisiert. Durch Quantifizierung der geometrischen Muster innerhalb eines PVGs lassen sich die Schwingungen beider Stimmlippen unabhängig voneinander analysieren. In der hier vorgestellten Studie wurde die Phonovibrographie zur Analyse von 12 gesunden männlichen und 12 weiblichen Probanden verwendet. Um die Stabilität des Verfahrens zu verifizieren, wurden von jeder HG-Aufnahme eines Probanden zwei Teilsequenzen analysiert. Anschließend wurden die Schwingungsmuster für beide Teilsequenzen getrennt voneinander quantifiziert. Bei allen Probanden stimmen die Ergebnisse der PVG-Analyse beider Teilsequenzen in hohem Maße miteinander überein. Normale Stimmlippenschwingungen lassen sich somit mit dem PVG-Verfahren reproduzierbar quantifizieren. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung für die klinische Verwendbarkeit des Verfahrens dar. Die PVG-Analyse zeigt sich weiterhin so sensitiv, dass Schwingungsmuster verschiedener Probanden eindeutig voneinander unterschieden werden können. In weiterführenden Studien soll die Anwendbarkeit der Phonovibrographie zur Differenzierung gesunder und pathologischer Stimmgebung untersucht werden

BUEVA test as screening method for investigations of language development

Kinder mit umschriebenen Entwicklungsstörungen sind durch gravierende Defizite in einem umschriebenen Entwicklungsbereich bei ansonsten altersgemäßen Fähigkeiten gekennzeichnet. Sie sind von normaler Intelligenz und weisen keine neurologische Erkrankung auf. Die frühzeitige Diagnostik von Kindern mit den normalen Schulbesuch gefährdenden Sprachentwicklungsstörungen ist ein wesentliches Anliegen der präventiven Phoniatrie und Pädaudiologie. Nach dem Prinzip eines Screening-Tests sollten in der Diagnostik einfache, am besten durch Hilfspersonal durchzuführende Tests mit einem nur minimalen Anteil falsch negativer Befunde eingesetzt werden. Dafür wurde von Esser et al. der BUEVA-Test konzipiert. Er ist eine Zusammenstellung "besonders aussagekräftiger Untertests aus bewährten Testverfahren" und erfasst die "allgemeine Intelligenz", die "Artikulation", "expressive Sprache", "rezeptive Sprache" "Visuomotorik" und "Aufmerksamkeit". In dieser Studie wurden die Ergebnisse des BUEVA-Tests mit denen diverser standardisierter Sprachentwicklungstests verglichen. Untersucht wurden 25 Kinder, 7 Mädchen und 18 Jungen, im Alter von 4;3 bis 5;9 Jahren. Dabei ergaben sich in 23 von 25 Fällen - in unterschiedlicher Häufung - falsch negative Befunde der drei Subtests des BUEVA zur Sprachentwicklung. Mithin ist dieser Test für die Aussonderungsuntersuchung im Umfeld von Störungen der Sprachentwicklung im Vorschulalter absolut ungeeignet

Analyse von Phonovibrogrammen bei nicht-stationärer Phonation mittels Wavelets

Hintergrund: Bei der klinischen Stimmdiagnostik wird üblicherweise die Stimmlippendynamik der Phonation eines gehaltenen Vokals bei mittlerer Sprechstimmlage mittels endoskopischer Bildgebung untersucht. Die Analyse gehaltener Vokale liefert jedoch nur einen Ausschnitt aus der gesamten Schwingungsmechanik, da sich physiologische Eigenschaften der Stimmlippenschwingungen bei unterschiedlichen Grundfrequenzen stark unterscheiden.Material und Methoden: Eine kürzlich entwickelte Wavelet-Analyse wurde bereits erfolgreich eingesetzt, um Merkmale der Stimmlippenschwingungsform, -Symmetrie und -Stabilität aus endoskopischen Hochgeschwindigkeitsvideos bei gehaltener Phonation abzuleiten und Pathologien automatisch zu klassifizieren . In dieser Arbeit wird gezeigt, wie diese Methode auf nicht-stationäre Phonation erweiterbar ist, um die systematische Veränderung klinisch relevanter Parameter in Abhängigkeit der Grundfrequenz zu analysieren. Die Anwendbarkeit des Verfahrens wird anhand 10 weiblicher Probandinnen (5 stimmgesund, 5 mit Recurrensparese) bei stationärer Phonation sowie während einer Erhöhung der Grundfrequenz mit Vergleich der Ergebnisse demonstriert.Ergebnisse: Im Gegensatz zur Untersuchung einer stationären Phonation war das neue Verfahren bei der Analyse der nicht-stationären Phonation in der Lage, eine Trennung gesunder und pathologischer Stimmlippenschwingungen vorzunehmen. Durch Anpassung des Verfahrens an zeitveränderliche Prozesse ließen sich zusätzliche klinisch nutzbare Parameter identifizieren.Diskussion: Die Auswertung einer nicht-stationären Phonation liefert ergänzende neue Informationen über die Stimmlippendynamik, die bisher nicht aus dem stationären Prozess abgeleitet werden können, und erweitert somit das Anwendungsspektrum der HG-Endoskopie