Der Ersatzstimmgenerator (PE-Segment) wird modellhaft als elastischer Schlauch angenommen, der von einer Luftströmung zu Schwingungen angeregt wird. Der ösophageale Luftstrom und die damit wechselwirkende visko-elastische Rohrwandung im PE-Segment bilden das mechanische Modellsystem, das zu flussinduzierten Schwingungen angeregt wird. Erreicht der Luftstrom aus der Lunge einen Schwellwert, wird auf der Schleimhaut eine Oberflächenwelle angeregt. Aufgrund des ähnlichen mechanischen Aufbaus von PE-Segment und Stimmlippen und des vergleichbaren Antriebsmechanismus wird ein biomechanisches Modell der Stimmlippen (2MM) in einer erweiterten Form als Modell des PE-Segmentes verwendet. Der zweidimensionalen Morphologie des PE-Segmentes wird durch mehrfach zirkulär angeordnete 2MM Rechnung getragen (Mehr-Massen-Modell, MMM). Feder- und Dämpfungselemente modellieren die visko-elastische Eigenschaften des PE-Segmentes. Der antreibende Volumenstrom wird mit der Bernoulli-Gleichung als laminare Strömung beschrieben. Die untenstehenden Abbildungen zeigen schematisch die Aufsicht als auch die Seitenansicht auf das Modell der Ersatzstimmgebung.

Erste Simulationsergebnisse

In dem Model des Ersatzstimmgenerators sind physiologisch interpretierbare Parameter enthalten. So repräsentieren Federkonstanten die Muskelspannung der Speiseröhre, die Massen des Modells entsprechen den schwingenden Muskel- und Schleimhautmassen und die Dämpfungselemente charakterisieren die Energieabsorption durch das Weichgewebe. Das Bewegungsmuster des durch die Luftströmung in Schwingung versetzte System ist stark abhängig von den eingestellten Parametersätzen. So kann während der Stimmgebung durch Veränderung der Muskelspannung im Halsbereich Einfluss auf die Tonhöhe und somit auf die Stimmqualität genommen werden. Des weiteren kann durch die Kenntnis von Parametern, die einen guten Stimmklang ermöglichen, während der Laryngektomie durch Veränderung chirurgische Naht- und Resektionstechniken bereits während der Operation der Stimmgenerator so prekonditioniert werden, dass ein möglichst guter Stimmklang entsteht. Die folgenden Filme zeigen das Schwingungsverhalten des PE-Models bei einem symmetrischen und einem unsymmetrischen Parametersatz.

Zur Parameteroptimierung des Mehr-Massen-Modells: Bei unsymmetrischen Schwingungen erscheint der Stimmklang rau, während ein symmetrischer Parametersatz ein gutes Stimmergebnis erzielt. Um Informationen zu erhalten, welche Muskelspannung oder Luftdruck in den Lungen herrscht ist es notwendig das Schwingungsverhalten des Models an die beobachtbaren Schwingungen des PE-Segmentes anzupassen. Anpassung bedeutet, Parametersätze zu finden, die das Model genauso schwingen lassen, wie das PE-Segment aus den HG-Aufnahmen. Da in dem Model nichtlineare Effekte in hohem Maße einen Einfluss auf die Schwingungen haben, lässt sich kein analytischer Zusammenhang zwischen Parametern und Schwingung beschreiben. Die Bestimmung der Parameter läuft somit auf ein Optimierungsproblem hinaus.