Apparative phonetische Methoden

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Elektrolaryngographie (ELG) bzw. Elektroglottographie (EGG)

Die Funktionsweise des Laryngographen

Der Laryngograph (oder Glottograph) ist ein Gerät zur Messung bestimmter Aspekteder laryngalen Aktivität. Um die Funktionsweise desLaryngographen zu verstehen, sind einige Grundkenntnisse derAnatomie des Larynx und des Phonationsvorgangs nötig. DieseKenntnisse werden in den nächsten beiden Abschnittenvermittelt, bevor der dritte Abschnitt das Funktionsprinzip desLaryngographen beschreibt. Im vierten Abschnitt schließlichwerden die Vor- und Nachteile des Laryngographen im Vergleich mitanderen Methoden kurz dargestellt.

Anatomie des Larynx

Der Larynx (Kehlkopf) ist eine komplexe Konstruktion bestehend ausKnorpelstrukturen, Muskeln, Bändern, Bindegewebe undSchleimhäuten. Er bildet den oberen Abschluß derLuftröhre. Der größte Kehlkopfknorpel, der auchdurch die Haut des Halses hindurch spürbar ist ("Adamsapfel"),ist der Schildknorpel (Thyroid). Er sitzt unten auf demRingknorpel (Cricoid) auf und ist nach oben überBindegewebe mit dem Zungenbein (Hyoid) verbunden. Innerhalbdes Schildknorpels befinden sich zwei kleinere Knorpel, dieStellknorpel (Arytenoid). Zwischen dem Schildknorpel und denbeiden Stellknorpeln spannen sich die beiden Stimmlippen. DieStimmlippen selbst bestehen jeweils aus einem Stimmband (l.vocale) und dem Vokalismuskel, umgeben von Schleimhaut. DerSpalt zwischen den Stimmlippen, durch den beim Ein- und Ausatmendie Luft in die bzw, aus der Luftröhre strömen kann,heißt Glottis. Die folgende Abbildung zeigt eine schematischeDarstellung des Larynx (Draufsicht) auf Höhe der Glottis.

Schematische Darstellung des Larynx

Durch Kippen und Drehen der Kehlkopfknorpel kann die Stellung derStimmlippen verändert werden. In der Abbildung oben befindensich die Stimmlippen in der Respirationsstellung, d.h. sieberühren sich nicht, die Glottis ist geöffnet. DurchAnnäherung (Kontraktion des Transversmuskels) und Drehen derbeiden Stellknorpel können die Stimmlippen soweit aneinanderangenähert werden, bis sie sich berühren und die Glottisverschließen. In dieser Stellung gelangt keine Luft aus deroder in die Lunge.

Der Vokalismuskel ist am Verschluß der Glottis nichtbeteiligt, er steuert die innere Elastizität der Stimmlippen.Da seine Muskelfasern nicht parallel zu den Stimmbändernverlaufen, sondern zopfartig miteinander verflochten sind, ist dieKontraktion des Vokalismuskels sehr fein dosierbar.

Die Länge der Stimmlippen beträgt bei Frauen 1,3 bis 2 cm,bei Männern 1,7 bis 2,4 cm. Durch Neigung des Cricoidnach hinten/oben können die Stimmlippen um bis zu 4 mm gedehntwerden.

Neigung des Ringknorpels

Die primäre Funktion des Larynx ist die eines Ventils: Erverhindert das Eindringen fester und flüssiger Nahrung in dieLuftröre. Außerdem kann mit seiner Hilfe (durchVerschluß der Glottis) Luft in der Lunge akkumuliert werden,was z.B. eine wichtige Voraussetztung für das Husten ist. DieBeteiligung am Sprechvorgang ist eine sekundäre laryngaleFunktion. Der wichtigste Beitrag des Larynx im Rahmen derLautäußerung ist die Phonation, d.h. die Produktion derStimme bei stimmhaften Lauten.

Die Phonation

Das heute vorherrschende Erklärungsmodell der Phonation ist diemyoelastisch-aerodynamische Theorie. Entgegen älteren Modellen,die das schnelle Schwingen der Stimmlippen während derPhonation allein auf neurale und muskuläre Aktivierungzurückführten, beschreibt die myoelastisch-aerodynamischeTheorie die Phonation als ein komplexes Zusammenspiel von neuralerAktivierung, Muskelspannung, Regulation des subglottalen Luftdrucksund aerodynamischen Prozessen. Den einzelnen Komponenten lassensich grob die folgenden Aufgaben zuordnen: neurale Aktivierung undMuskelspannung kontrollieren das laryngale Setting, also dieStellung der Kehlkopfknorpel, sowie die Spannung undElastizität der Stimmlippen, während subglottalerLuftdruck und aerodynamische Prozesse für die eigentlichePhonation, das schnelle und regelmäßige Schwingen derStimmlippen, verantwortlich sind. Die folgende Abbildung zeigt inschematischer Darstellung die laryngale Konfiguration währendder Phonation: Die Stellknorpel nähern die beiden Stimmlippenaneinander an und die charakteristische Spannung des Vokalismuskelserlaubt das Schwingen der Stimmlippen, d.h. das schnelle undregelmäßige Öffnen und Schließen der Glottis.

Larynx mit adduzierter Glottis

Diese Schwingung der Stimmlippen wird durch das Zusammenspiel dessubglottalen Luftdrucks mit einen aerodynamischenProzeß, dem sogenannten Bernoulli-Effekt in Gang gehalten. DerMathematiker und Physiker D. Bernoulli hat im 18. Jhd. beschrieben,daß bei Gasen und Flüssigkeiten, wenn sie durch eineVerengung fließen, die Durchflußgeschwindigkeit zunimmt,während gleichzeitig an der Verengung senkrecht zurFließrichtung ein Druckabfall stattfindet, d.h. es entstehtein Unterdruck. Auf den Phonationsvorgang übertragen bedeutetdies, daß die Luft, die aus der Lunge durch die Luftröhrenach außen gepreßt wird an dem Glottisspalt, der einengeringeren Querschnitt aufweist als die Luftröhre, auf eineVerengung trifft. Die Fließgeschwindigkeit der Luft nimmt zu,während an der Glottis ein Unterdruck entsteht, der dieStimmlippen zusammenzieht und die Glottis verschließt (Bernoullikräfte).Unterhalb der verschlossenen Glottis baut sich dann wieder ein Druckauf, der die Stimmlippen rasch wieder auseinander sprengt, dieangestaute Luft kann durch die Glottis entweichen, was wiederum zueinem Unterdruck und dem Verschluß der Glottis führt.Dieser Phonationszyklus, also das abwechselde Sprengen desGlottisverschlußes durch subglottalen Luftdruck undVerschließen der Glottis durch Unterdruck, ist in derfolgenden Abbildung dargestellt.

Der Phonationszyklus

Die Luft wird von unten gegen die verschlossene Glottisgepreßt, bis der Druck ausreicht, um den Verschluß zusprengen. Die Glottis öffnet sich von unten nach oben, dieLuft fließt in densupraglottalen Raum und infolge des Bernoulli-Effekts entsteht einUnterdruck (rote Pfeile). Die Glottis schließ sich wieder und zwarvon unten nach oben und subglottal baut sich erneut ein Druck auf.Da sich sowohl horizontale als auch vertikale Bewegungskomponentenbeobachten lassen, wird die Bewegung der Stimmlippen am besten alsrollend bezeichnet.

Die Art und die Geschwindigkeit dieser rollenden Bewegung hängtentscheidend von der Länge und von derElastizität der Stimmlippen ab. Beide Parameter - Längeund Elastizität - sind biologisch determiniert aber auchindividuell steuerbar. Die Länge ist einerseitsgeschlechtsabhängig (Frauen kürzer, mapännerlänger), kann aber auch z.B. durch Kippen des Ringknorpelsverändert werden. Die Elastizität ist bei jüngerenMenschen größer als bei älteren Menschen, kann aberauch durch Kontraktion des Vokalismuskels reguliert werden.

Die Länge der Stimmlippen

Die Länge der Stimmlippen ist vorallem verantwortlich fürdie Schwingungsfrequenz: kürzere Stimmlippen schwingenschneller, d.h. ein Phonationszyklus dauert weniger lang, dieSchwingungsfrequenz ist höher. Die Schwingungsfrequenz derStimmlippen wird als Sprachgrundfrequenz (F0) bezeichnet undkorreliert mit der wahrgenommenen Tonhöhe. Je schneller dieStimmlippen schwingen (also je kürzer der Phonationszyklus)desto höher ist die Stimme. Die biologisch determinierteLänge der Stimmlippen bestimmt über die Stimmlage (Frauen:kürzere Stimmlippen, höhere Stimme; Männer:längere Stimmlippen, tiefere Stimme) und die steuerbareVariation der Länge erzeugt (u.a.) die Spachmelodie, also dieVariation der Tonhöhe innerhalb der Stimmlage. Z.B.beträgt bei einer Frauenstimme die Dauer eines Phonationszykluszwischen ca. 6,7 ms und 4,6 ms; dies entspricht einemTonhöhenumfang von 150-220 Hz (= Schwingungen pro Sekunde). Beieiner Männerstimme dauert ein Zyklus zwischen ca. 10 ms und 5,6ms, was einem Tonhöhenumfang von 100-180 Hz entspricht. EineKinderstimme liegt bei 300 Hz und höher (300 Hz entsprichteiner Zyklusdauer von 3,3 ms).

Die Elastizität der Stimmlippen

Die Elastizitätabindex der Stimmlippen entscheidet auch über dieSchwingungsfrequenz, vorallem aber auch über dieStimmqualität. Die 'normale' Spannung der Stimmlippen führtzur modalen Stimme, erhöhte Spannung führt zu Falsetto,geringere Spannung zur sog. Knarrstimme oder creaky voice.

Es sollte deutlich geworden sein, daß der Phonationsvorgangein hochkomplexer Prozeß ist, dessen einwandfreier Ablauf vonzahlreichen Parametern abhängig ist. Die beteiligtenorganischen Strukturen und physikalischen Prozesse bilden einempfindliches und störanfälliges Gesamtsystem. DieBeeinträchtigung einer Komponente führt fast immer zueiner Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit desGesamtsystems, also zu einer wahrnehmbaren Stimmstörung.Mögliche Ursachen für Stimmstörungen sind zumBeispiel die Veränderung der Masse einer oder (selten) beiderStimmlippen durch Polypen oder Karzinome, die Beeinträchtigungder neuralen Aktivierung und damit der Muskelaktivität z.B.durch eine Rekurrensparese oder eine abweichende Viskosität derStimmlippen bei einer Laryngitis. Alle diese Beeinträchtigungenführen zu einem veränderten Schwingungsverhalten und damitzu einer wahrnehmbaren Veränderung des gesamtenPhonationsprozesses.

Der Laryngograph

Der Elektrolaryngograph (ELG) bzw. Elektroglottograph (EGG)besteht aus zwei Oberflächenelektrodenund einem ELG-Prozessor. Die meisten ELG-Systeme verfügendarüber hinaus über eine DSP-Karte zum Anschluß aneinen PC und über eine Visualisierungs- undAuswertungssoftware (z.B. die ELG-Systeme vonLaryngograph Ltd undKayPENTAX).

Das ELG System

Die Oberflächenelektroden werden mittels einesKlettbandes an den beiden Flügeln des Schildknorpelsangebracht. Während des Betriebs liegt an den beiden Elektrodeneine konstante geringe Spannung an und zwischen den Elektrodenfließt eine hochfrequenter Wechselstrom. Spannung undStromstärke sind so bemessen, daß sie erstens nichtempfunden werden und zweitens, daß sie dieelektrophysiologischen Vorgänge im Kehlkopf und drumherumnicht stören. Dieses sehr genaue elektrische Signal liefert derEGG-Prozessor. Das Meßprinzip des Laryngographen beruhtnun darauf, daß das elektrische Leitungsvermögen zwischenden Elektroden variiert, und zwar abhängig davon, ob dieGlottis geöffnet oder geschlossen ist. Dies ist daraufzurüchzuführen, daß der Luftspalt beigeöffneter Glottis einen höheren elektrischen Widerstandbildet als der ununterbrochene Kontakt von Gewebe undSchleimhäuten bei geschlossener Glottis. D.h. beiGlottisverschluß wird der Strom zwischen den Elektroden bessergeleitet als bei Glottisöffnung. Diese Variation deselektrischen Leitungsvermögens bei konstanter Spannung wird vonEGG-Prozessor aufgezeichnet und bildet als Funktion über derZeit das laryngographische Signal, die sog. Lx-Kurve.

Beschreibung der Lx-Kurve

Die folgende Abbildung zeigt die Korrelation zwischen verschiedenenStadien des Phonationszyklus und charakteristischen Punkten einerLx-Periode.

Phonationszyklus und Lx-Periode

Vor- und Nachteile des Laryngographen

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Der Laryngograph in der Phonetik: Das Quelle-Filter-Modell

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Der Laryngograph in der Klinik: Anwendungen

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Literatur

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