Modellbildung und Fluid-Struktur-Interaktion in der Biomechanik am Beispiel der menschlichen Phonation

Gömmel, Andreas; Meskouris, Konstantin

doi:999910031663

Modellbildung und Fluid-Struktur-Interaktion in der Biomechanik am Beispiel der menschlichen Phonation = Modeling and fluid-structure interaction in biomechanics with application in human phonation

Gömmel, Andreas (Author)

2010 & 2011

VerantwortlichkeitsangabeAndreas Gömmel

ImpressumAachen : Klinkenberg 2010

UmfangVII, 142 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheMitteilungen des Lehrstuhls für Baustatik und Baudynamik, Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen ; 18 = 10/1

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Druckausgabe: 2010. - Onlineausgabe: 2011

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-12-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-34808
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63953/files/3480.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik (311810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biomechanik (Genormte SW) ; Stimmgebung (Genormte SW) ; Fluid-Struktur-Wechselwirkung (Genormte SW) ; Dreidimensionale geometrische Modellierung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Biomechanics (frei) ; Voice Function (frei) ; Fluid-Structure Interaction (frei) ; 3D Modeling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Bei der menschlichen Phonation (Stimmgebung) erzeugt die Fluid-Struktur-Interaktion zwischen der (Atem-)Luft (Fluid) und den Geweben des Kehlkopfs (Struktur) eine selbsterhaltende Schwingung der sogenannten Stimmlippen (bestehend aus Muskelschicht, Mucosa-Schicht und Stimmband). Diese führt zu einer Unterbrechung des Luftstroms, der den Drucks oberhalb des Kehlkopfs moduliert und so Schallwellen erzeugt. Für die Modellierung dieser Schwingung wurde für die Struktur ein Finite-Elemente-Modell und für das Fluid ein Finite-Volumen-Modell erstellt. Die beiden Teilmodelle wurden mit der „Arbitrary Lagrangian Eulerian Method” gekoppelt. Der in der Finite-Volumen-Methode nicht unmittelbar modellierbare Verschluss des Spalts zwischen den Stimmlippen wurde erstmals durch eine Kombination aus einem Kontaktproblem einem abstandsabhängigen Verlustkoeffizienten abgebildet. Untersucht wurden verschiedene Versionen von quasi-zweidimensionalen Modellen und ein dreidimensionales Modell der angeströmten Stimmlippen. Bei den 2D-Modellen standen vor Allem zwei verschiedene Anströmformen der Gewebe mit gleichen Randbedingungen im Vordergrund. Nur eine davon erzielte selbsterhaltende Schwingungen. Dabei entstand ein charakteristischer Vorzeichenwechsel des Luft-Drucks im Spalt zwischen den beiden Stimmlippen. Bei der anderen Form wurde die Struktur von der Strömung zu Schwingungen angeregt, die sich durch die Materialdämpfung bei einem statisch ausgelenkten Wert einpendelten. Als Voraussetzung für die selbsterhaltende Schwingung wurde daraus abgeleitet, dass in Ruhelage ein paralleler Kanal zwischen den Stimmlippen vorhanden sein muss. Außerdem muss eine frühe Eigenform eine Torsionseigenform sein. Weiterhin wurden Modelle untersucht, deren Form aus dreidimensionalen Magnet-Resonanz-Tomographie-Messungen gewonnen wurde. Für die Verwendung möglichst realistischer Materialparameter der Struktur wurde eine Methode entwickelt, die aus einer Vielzahl von eindimensionalen Kraft-Auslenkungs-Messungen an verschiedenen Punkten eines exzidierten Kehlkopfs mittels eines Optimierungsalgorithmus globale Werte für die E-Moduln, die Schubmoduln und die Querdehnungszahlen der orthotropen Gewebe ermittelt.

In human phonation, fluid-structure interaction between the air from the lungs (fluid) and the laryngeal tissues (structure) leads to a self-sustained oscillation of the vocal folds (consisting of muscle, mucosa, and ligament). The oscillation modulates the supraglottal pressure by interrupting the airflow which produces the sound of the voice. The presented model consists of a finite-element model of the structure and a finite-volume model of the fluid. Both of the models are coupled by the Arbitrary Lagrangian Eulerian method. The closure of the gap between the vocal folds is not directly possible to model and was for the first time considered by the combination of a contact problem and a distance dependent loss coefficient. Different versions of quasi two-dimensional and one three-dimensional model were set up. For the 2D models, two shapes were analyzed in detail. Only one of them showed self-sustained oscillations. This shape had a characteristic change of positive and negative pressure in the glottal gap. The other shape was deflected by the flow, showed some oscillations with decreasing amplitude and reached a static value of displacement. It was found that a precondition for self-sustained oscillations is a parallel channel between the vocal folds and an early torsional eigenform. Furthermore model shapes were derived from 3D magnet resonance imaging. A method for the use of more realistic material parameters was developed which calculates the Young's and shear moduli as well as the Poisson's ratios by an optimization algorithm using a large number of force-deflection-measurements of excised larynges as an input.

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