Studium kmitů a morfologie hlasivek pomocí experimentů s preparáty hrtanů, elektroglotografie, vysokofrekvenčních zobrazovacích metod a výpočetní tomografie

Mgr. Vít HAMPALA

Doctoral thesis

Vibration and morphology of the vocal folds studied by excised larynx experiments, electroglottography, high-speed imaging and computed tomography

Abstract:

Tvorba hlasu je velmi složitý proces. Výzkumné hlasové laboratoře z celého světa již přinesly celou řadu důležitých poznatků o principech tvorby hlasu, a to zejména díky pozorováním kmitů hlasivek in vivo či in vitro za použití preparátů hrtanů. Ačkoliv znalost principů tvorby hlasu za poslední desetiletí vzrostla, mnoho otázek je stále nezodpovězeno. Předpokladem nalezení odpovědí na některé z nich je zlepšení metod pro studium vlastností hlasivek a jejich kmitání. Tato dizertace se věnuje studiu morfologických a oscilačních vlastností hlasivek v rozsahu následujících 3 témat: Za prvé, sestava pro experimenty s preparáty hrtanů byla vylepšena navržením a zkonstruováním nastavitelného subglotického rezonančního traktu, který slouží k lepší kontrole vlivu subglotického traktu na oscilační vlastnosti hlasivek. Navzdory tomu, že subglotické akustické jevy mohou značně ovlivnit kmitání hlasivek, subglotické rezonance většinou nebývají ve studiích s preparáty hrtanů dostatečně specifikovány. Vyvinutý subglotický trakt poskytuje možnost nastavit požadované frekvence rezonancí nebo je plynule měnit. Takové nastavení je důležité pro opakovatelnost experimentů i pro získání vzájemně porovnatelných výsledků mezi různými laboratorními sestavami. Za druhé byl studován vztah mezi elektroglotografickým (EGG) signálem a kontaktní plochou hlasivek (VFCA, z angl. "vocal fold contact area"). Elektroglotografie je neinvazivní metoda pro sledování kmitů hlasivek, jejímž cílem je měřit relativní změny kontaktní plochy hlasivek. I přes její časté použití v odborných pracích, však existuje jen jediná studie, jež se pokusila ověřit přímý vztah mezi EGG signálem a VFCA [Scherer, R. C., Druker, D. G., and Titze, I. R. (1988). "Electroglottography and direct measurement of vocal fold contact area," in Vocal Physiology: Voice Production, edited by O. Fujimura (Raven Press, Ltd., New York), pp. 279-291]. Zmíněná studie ukázala přibližně lineární vztah, nicméně proběhla za podmínek značně odlišných od fyziologických, tj. kmitání hlasivek nebylo vyvoláno prouděním vzduchu. Z tohoto důvodu byl vztah mezi EGG signálem a VFCA podrobně studován v této disertaci, a to za podmínek, které lépe odpovídají fyziologickým. I přes to, že výsledky ukázaly silnou korelaci mezi EGG signálem a VFCA, byly nalezeny i významné rozdíly v rámci kontaktní a dekontaktní fáze hlasivkového kmitu, které je třeba podrobněji objasnit v budoucích studiích. Za třetí, změny v nastavení hlasivek vyvolané speciální terapeutickou metodou zvanou "fonace do trubice" byly studovány za pomocí počítačové tomografie (CT, z ang. "computed tomography"). Hlasová cvičení pomocí fonace do trubice využívají zúžení v oblasti rtů způsobené rezonanční trubicí. Předchozí studie ukázaly, že tato terapeutická metoda vyvolává prokazatelné změny ve tvaru rezonančních dutin, jež setrvávají i po ukončení cvičení. Cílem této studie bylo zjistit, zda má fonace do trubice vliv také na nastavení hlasivek a jejich morfologii. Dvě osoby podstoupily CT vyšetření. Pořízená data byla použita pro měření vertikální tloušťky, plochy průřezu a délky hlasivek. Překvapivě, výsledky této dvojité kazuistiky neprokázaly zjevné systematické změny v nastavení hlasivek podobné pro oba subjekty. To naznačuje, že pro zlepšení hlasu pomocí fonace do trubice jsou pravděpodobně podstatnější změny rezonančních dutin vokálního traktu než změny v nastavení hlasivek. K lepšímu pochopení vlivu změn v nastavení vokálního traktu a hlasivek způsobených fonací do trubice a k ověření obdržených výsledků je nicméně vhodné provést další studie s více subjekty.

Abstract:

Voice production is a very complex process. Voice research laboratories all over the world have brought important knowledge on voice production principles, particularly by observing vocal fold vibrations in vivo or in vitro using excised larynx experiments. Although general knowledge about the voice production principles has expanded during last decades many questions still remain to be answered. In order to find answers for some of them, methods for assessing the properties of the vocal folds and their vibration characteristics need to be improved. This dissertation is devoted to studying the morphologic and oscillatory characteristics of the vocal folds. In particular, three topics were addressed: Firstly, an excised larynx setup was improved by designing and constructing an adjustable subglottal resonance tract in order to better control the influence of the subglottal tract on the oscillatory behavior of the vocal folds. Although the subglottal acoustics may considerably influence vocal fold vibrations the subglottal resonance properties have mostly not been properly specified in studies utilizing excised larynx experiments. The developed subglottal tract provides a possibility to set the desired subglottal resonance frequency or to change it continuously. This is desirable for obtaining comparable results from different laboratory setups. Secondly, the relationship between electroglottographic (EGG) signal and vocal fold contact area (VFCA) was investigated. Electroglottography (EGG) is a widely used non-invasive method for assessment of vocal fold vibrations that purports to measure changes in relative vocal fold contact area (VFCA) during phonation. Despite its broad application, only a single study has so far attempted to verify the direct relationship between the EGG signal and VFCA [Scherer, R. C., Druker, D. G., and Titze, I. R. (1988). "Electroglottography and direct measurement of vocal fold contact area," in Vocal Physiology: Voice Production, edited by O. Fujimura (Raven Press, Ltd., New York), pp. 279-291]. That study found approximately linear relationship; nevertheless, the relationship was investigated under non-physiologic conditions and flow-induced vocal fold vibrations were not studied. A rigorous empirical evaluation of EGG as a measure of VFCA under proper physiological conditions was therefore performed in this thesis. Despite strong correlation between the EGG signal and VFCA found in this thesis, some discrepancies were observed in the contacting and decontacting phases of the glottal oscillatory cycle which should be investigated in future studies. Thirdly, computed tomography (CT) was used in order to study changes in vocal fold configuration induced by a special therapeutic method, i.e. phonation into a tube. This method uses a narrow constriction at lips formed by a tube in which the subject phonates. Previous studies showed that phonation into a tube caused clear changes in vocal tract cavities which endured also after the exercise was finished. The purpose of the present study was to show whether the adjustment of the vocal folds and their morphology were also affected by the exercise or not. Two subjects underwent the examination using CT device. The collected data were used to measure vocal fold vertical thicknesses, cross-sectional areas and lengths. Interestingly, the results of this double-case study did not show any clear systematic common trends in vocal fold adjustments between the two subjects suggesting that the adjustments of the vocal tract shape play a more important role for the voice improvement after the therapy than the vocal fold adjustments. Nevertheless, more studies with larger number of subjects are needed to better understand the influence of the vocal fold and vocal tract adjustments caused by voice therapy on the resulting voice quality and verify these results.

Keywords

hlasivky, preparáty hrtanů, elektroglotografie, EGG, vysokofrekvenční zobrazovací metody (HSV)

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 7. 2015

Accessible from:: 24. 7. 2015

Thesis defence

• Supervisor: RNDr. Jan Švec, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Biophysics