Vývoj hlasivkové náhrady

Tým Tomáše Vampoly z Fakulty strojní ČVUT v Praze se dlouhodobě věnuje výzkumu individuální hlasivkové náhrady a ve svém bádání již značně pokročil. Za svůj projekt byl v roce 2016 oceněn „Cenou předsedy Grantové agentury České republiky “.

Tvorba a produkce lidského hlasu

Obor biomechaniku hlasu, zabývající se generováním zvuku hlasivkami a šířením zvukových vln vokálním traktem člověka je vědním oborem, který se v současné době velmi dynamicky rozvíjí. Analýza generace zvuku hlasivkami a jeho šíření vokálním traktem, lebečními kostmi, měkkými tkáněmi lidské hlavy až k percepci zvuku příslušnými mozkovými centry představuje velmi složitý komplexní problém. Defekt některého z prvků přenosového systému má za následek poruchy vnímání zvuku člověkem a tím i vlastního hlasového projevu. Proto je nutné věnovat náležitou pozornost analýze reálných cest šíření zvuku. Výpočtové modely a zejména numerické simulace fonace v časové oblasti mohou být využívány při studiu generace hlasu, k modelování vlivu vrozených vad v oblasti vokálního traktu člověka nebo k simulacím pooperačních stavů po odstranění nádorů.
Vznik hlasu je komplexní biomechanický proces, který zahrnuje řadu faktorů, od vlivu proudícího vzduchu z plic, kmitání hraničních tkání až po rezonance dutiny vokálního traktu. Hlasivky, které jsou samobuzeně rozkmitávány proudem vzduchu z plic, generují základní tón, jehož frekvence odpovídá frekvenci kmitání hlasivek. V prostorech nad hlasivkami (vokálním traktu) pak rezonanční děje mění spektrum základního tónu, zejména jeho vyšší harmonické složky. Akustické rezonance vokálního traktu vytvářejí takzvané formanty, které jsou definovány jako vrcholy ve spektru hlasu. Poloha formantů ve frekvenčním spektru definuje samohlásky a způsobuje rozdíly v zabarvení hlasu. Formanty jsou určeny velikostí a tvarem dutiny vokálního traktu, které mohou být v průběhu fonace měněny, například změnou polohy jazyka nebo změnou otevření úst.

Pochopení interakce mezi prouděním vzduchu, kmitáním hraničních tkání vokálního traktu a jejich vliv na akustické charakteristiky hlasu vyžadují podrobnou znalost aerodynamiky, akustiky a materiálových vlastností tkání. Získání podrobnějších informací o proudění vzduchu v hlasivkách či jejich materiálových charakteristik měřením je vzhledem k nedostupnosti hlasivek poměrně komplikované. S ohledem na rychlou degradaci vzorků nelze spoléhat ani na zjištění potřebných informací in vitro. Jediná cesta jak získat požadované informace jsou nepřímá akustická měření či zobrazovací metody (video stroboskopie, video kymografie, vysokorychlostní video endoskopie, dynamické RTG nebo magnetická resonance či počítačová tomografie). Vhodným nástrojem pro porozumění základních principů tvorby hlasu se jeví použití obecných fyzikálních principů. Kvalitu hlasového projevu lze popsat pomocí matematických modelů, které umožňují vytvářet mnoho modelových situací. Přesnost sestavených modelů závisí na aktuální teoretické úrovni všeobecných znalostí v jednotlivých oblastech mechaniky a na omezeních výpočetní techniky. Výpočetní a modelovací techniky dosáhly v současné době úrovně, která umožňuje přímou transformace matematických modelů ve skutečné fyzické modely, například pomocí číslicově řízených strojů. Matematické modely tedy mohou být ověřovány experimentálně na poměrně realistický fyzikální modelech v laboratořích. Tato verifikace výpočetních modelů je obzvláště důležitá v případě, když se v matematickém modelu zanedbávají některé z vlivů či fyzikálních parametrů.
Neustále se zvyšující kvalita zobrazovacích technik umožnuje sestavovat biomechanické modely stále více se blížící realitě, což umožnuje studovat i dříve opomíjené jevy.

S ohledem na velmi podrobný geometrický popis akustických kavit vokálního traktu lze vytvářet 3D MKP modely efektivně simulující fonaci ve frekvenčním spektru až do 20 kHz a tak pomáhat porozumět relativně širokým individuálním rozdílům v kvalitě hlasu.
Pro hlasové profesionály (učitelé, herci, zpěváci) jsou problémy s hlasem značně limitujícím faktorem. Jedním z možných důvodů hlasových problémů je únavové poškození hlasivkových tkání v průběhu fonace, kdy dochází k opakovaným rázovým dějům při kontaktu hlasivek. Návrh modelu lidských hlasivek, který by umožnoval simulovat patologické stavy je nezbytným předpokladem pro návrh umělé hlasivky. Návrh umělé hlasivky je velmi komplikovaný problém, zahrnující celou řadu vědních disciplín. Je nezbytné získat poznatky o vzniku samobuzených kmitu hlasivky proudem vzduchu z plic, nalézt vhodný materiálový popis hlasivkových tkání a predikovat hodnoty impaktních napjatostí v průběhu fonace.

Mechanické zatěžování hlasivky je způsobeno kombinací aerodynamických, inerciálních a rázových sil. Hodnoty napjatostí a zrychlení vzniklých v důsledku nárazů hlasivky v průběhu fonace může způsobit poškození tkáně. S ohledem na problematickou geometrickou a materiálovou konfiguraci hlasivkových tkání, byl sestaven plně parametrický 3D objemový výpočtový model lidského hrtanu na bázi metody MKP. Model respektuje fonační postavení hlasivek, umožnuje snadno modifikovat jejich geometrickou konfiguraci. V modelu je dále zahrnuta možnost podélného předpětí hlasivkových tkání. Jednotlivé vrstvy hlasivkových tkání jsou popsány nelineárními materiálovými charakteristikami. S ohledem na charakter použití modelu, kdy je nutné testovat celou řadu geometrických a materiálových konfigurací je model zatěžován tlakovými charakteristikami předem napočítanými ze zjednodušeného aero-elastického modelu, kde je korektně řešena interakce proudu vzduchu s poddajnou tkání hrtanu. Pro získání relevantních informací o charakteru kmitů lidské hlasivky je nutné sestavit modely odvozené ze snímků pořízených počítačovou tomografií. Tyto snímky jsou následně konvertovány do 3D objemového modelu. V prostředí jazyka MATLAB byl sestaven interaktivní výpočtový nástroj umožňující korekci, vyhlazení a konverzi objemového modelu do MKP popisu řešené struktury. Sestavený model respektuje třívrstvou strukturu hlasivky.

S ohledem na parametrizaci modelu lze změnou hodnoty předpětí hlasivkových tkání, dosáhnout shody základní frekvence kmitání hlasivky se změřenými daty získanými při fonaci pacienta. Implementace kontaktních elementů umožnuje vyhodnocovat hodnoty napjatostí nejen na povrchu tkání, ale i v těle hlasivky. Ambicí výpočtového modelu, je s ohledem na data pořízená při vyšetřování pacientů usuzovat z charakteru kmitů hlasivek na příslušný typ patologie. Dalším cílem modelu je testovat navržené materiálové charakteristiky jednotlivých tkání s ohledem na vznik samobuzených kmitů.

Maximální deformace hlasivkových tkání v průběhu fonace

Závěry plynoucí ze simulačních výpočtů jsou verifikovány na fyzických modelech.

Vývoj modelu a shromážděné poznatky pro vybuzení kmitů hlasivek, vyústil v návrh materiálové struktury s proměnnou tuhostí tak, aby co nejlépe vyhovoval požadavkům klinické praxe pro návrh konstrukce umělé hlasivky. Prvotní experimentální výsledky na fyzických modelech prokazují uspokojivé charakteristiky odpovídající klinické praxi.

Poznatky z problematiky základního výzkumu tvorby a produkce lidského hlasu vedoucího až k návrhu konstrukce umělé hlasivky byly vytvořeny v rámci spolupráce s Ústavem termomechaniky AV ČR, v.v.i, s Ústavem makromolekulární chemie AV ČR, v.v.i, s První lékařskou fakultou Univerzity Karlovy v Praze a s Ústavem biofyziky, Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci.