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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein System zur Ermittlung anatomischer Ursachen für die Entstehung von Schnarchgeräuschen. Insbesondere befasst sich die Erfindung mit der Bestimmung der Lage der Zunge sowie benachbarter Organe des Vokaltrakts sowie der Lokalisation der Schallquelle beim Schnarchen unter Verwendung von Techniken aus der akustischen Phonetik. Hierbei befasst sich die vorliegende Erfindung besonders mit dem Quelle-Filter-Modell der Vokalproduktion sowie einem hieraus abgeleiteten Modell für das Schnarchen.
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Die Ursachen des nächtlichen Schnarchens sind bereits aufgrund zahlreicher wissenschaftlicher Studien bekannt. Häufigste Ursache für das Schnarchen ist eine Verengung eines oder mehrerer Bereiche der oberen Atemwege, beispielsweise aufgrund der Entspannung von Muskeln im Rachenbereich. Dies hat zur Folge, dass die Atemluft an den Engstellen eine größere Strömungsgeschwindigkeit als an nicht verengten Stellen der oberen Atemwege aufweist und hierdurch benachbarte Weichteile der oberen Atemwege in Schwingungen versetzen kann, wodurch die bekannten Schnarchgeräusche entstehen. Ferner können sich die Engstellen, wie z. B. bei der obstruktiven Schlafapnoe (OSA), komplett verschließen, so dass zumindest für die Dauer des Verschlusses der Engstellen der Atemluftstrom unterbrochen ist. Dies birgt für die Person erhebliche gesundheitliche Risiken, so dass oftmals Abhilfe geleistet werden muss.
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Hierbei haben sich insbesondere chirurgische Verfahren zur Beseitigung der Engstellen der oberen Atemwege, wie z. B. Adenotomie, Tonsillotomie/Tonsillektomie, Uvulotomie, Uvulopalatopharyngoplastik, Weichgaumenstraffung und -versteifung, Glossektomie, Vorverlagerung der Zungenbasis, Vorverlagerung des Unterkiefers, Epiglottektomie und Hyoidsuspension bewährt. Allerdings birgt jeder chirurgische Eingriff ein gewisses Risiko für die Person, so dass ein derartiger Eingriff nur erfolgen soll, wenn hinreichend Aussicht auf Erfolg besteht, nämlich, dass durch den Eingriff Schnarchen und/oder obstruktive Schlafapnoe beseitigt oder zumindest vermindert sind.
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Demnach ist es für die Planung einer Schnarchtherapie bzw. eines chirurgischen Eingriffs von besonderer Bedeutung, die genaue Entstehungsursache und den Entstehungsort des Schnarchens bzw. der OSA zu kennen.
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Es ist ein Verfahren zur Analyse der Entstehungsmechanismen von Schnarchen bzw. OSA bekannt, in dem die oberen Atemwege einer Person über ein Nasopharyngoskop während eines medikamentös induzierten Schlafs beobachtet werden. Hierfür wird die Person zunächst in einen künstlichen Schlaf versetzt. Anschließend führt der Arzt ein Nasopharyngoskop in ein Nasenloch der Person ein und betrachtet über einen Monitor die Engstellen der oberen Atemwege der Person beim Schnarchen, um die genaue Ursache des Schnarchens zu ermitteln. Nachteilig an diesem Diagnoseverfahren ist, dass der Patient zunächst ein einen künstlichen Schlaf versetzt werden muss, was zum einen ein gesundheitliches Risiko für die Person bedeuten kann und zum anderen unter Umständen zu anderen Ergebnissen als bei einem natürlichen Schlaf führen kann. Des Weiteren ist das Verfahren sowohl zeitaufwendig als auch kostenintensiv und erfordert einen sehr erfahrenen Anwender, um nutzbare Ergebnisse liefern zu können. In
DE 10 2009 039 915 A1 wird ein Verfahren vorgeschlagen, um anhand einer Spektralanalyse Schnarchen zu erkennen. Allerdings wird in dieser Entgegenhaltung nicht beschrieben, den genauen Ort des Schnarchens zu analysieren.
DE 692 29 544 T2 ermöglicht die Messung der Position eines Verschlusses in den Atemwegen, die für das Entstehen einer Schlafapnoe ursächlich sein kann. Jedoch ist die Position des Verschlusses nicht zwingend identisch mit dem Entstehungsort eines Schnarchgeräusches.
US 201210071741 A1 beschreibt die Erkennung von Schnarchen mittels Formaten. Allerdings kann auch mit diesem Stand der Technik nicht der Ort der Entstehung eines Schnarchgeräusches bestimmt werden.
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Demnach ist es für die Planung einer Schnarchtherapie bzw. eines chirurgischen Eingriffs von besonderer Bedeutung, die genaue Entstehungsursache und den Entstehungsort des Schnarchens bzw. der OSA zu kennen. Es ist ein Verfahren zur Analyse der Entstehungsmechanismen von Schnarchen bzw. OSA bekannt, in dem die oberen Atemwege einer Person über ein Nasopharyngoskop während eines medikamentös induzierten Schlafs beobachtet werden. Hierfür wird die Person zunächst in einen künstlichen Schlaf versetzt. Anschließend führt der Arzt ein Nasopharyngoskop in ein Nasenloch der Person ein und betrachtet über einen Monitor die Engstellen der oberen Atemwege der Per-son beim Schnarchen, um die genaue Ursache des Schnarchens zu ermitteln. Nachteilig an die-sem Diagnoseverfahren ist, dass der Patient zunächst ein einen künstlichen Schlaf versetzt wer-den muss, was zum einen ein gesundheitliches Risiko für die Person bedeuten kann und zum anderen unter Umständen zu anderen Ergebnissen als bei einem natürlichen Schlaf führen kann. Des Weiteren ist das Verfahren sowohl zeitaufwendig als auch kostenintensiv und erfordert einen sehr erfahrenen Anwender, um nutzbare Ergebnisse liefern zu können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren und System zur zuverlässigen Ermittlung anatomischer Ursachen für die Entstehung von Schnarchgeräuschen bereitzustellen, die die obigen Nachteile nicht aufweisen.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe werden u. a. Kenntnisse aus der akustischen Phonetik, insbesondere das Quelle-Filter-Modell der Vokalproduktion, verwendet. Das Quelle-Filter-Modell der Vokalproduktion beruht darauf, dass ein Rohr einen akustischen Resonator mit einem seiner Länge und seinem Querschnittsverlauf entsprechenden Spektrum von Resonanzfrequenzen darstellt, wobei Schwingungen, die durch eine an einem Ende des Rohres positionierten Quelle angeregt werden, in dem Bereich der Resonanzfrequenzen nahezu ungedämpft auf der anderen Seite des Rohres abgegeben werden, während Schwingungen, die außerhalb der Bereiche der Resonanzfrequenzen des Resonators liegen, abgeschwächt werden. Demnach erfüllt ein Resonator die Aufgabe eines Filters, der bevorzugt Schwingungen bestimmter Frequenzen durchlässt – der Filter prägt der Schallquelle eine frequenzabhängige Übertragungsfunktion auf. Diese Erkenntnisse lassen sich auch auf die Anatomie des Menschen übertragen. Bei der Vokalproduktion erzeugen Schwingungen der Stimmlippen ein Anregungssignal, das sich aus Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen zusammensetzt. Die oberen Atemwege des Menschen fungieren als ”Ansatzrohr”, durch das bestimmte Frequenzen des Ausgangssignals durchgelassen und andere Frequenzen abgeschwächt werden. Die Resonanzfrequenzen des Vokaltrakts werden auch als ”Formanten” bezeichnet. Über eine Analyse der Resonanzfrequenzen der Formanten lassen sich Aussagen über die Länge und die Ausbildung der Hohlräume des menschlichen Vokaltrakts treffen. Unterschiedliche Vokale besitzen jeweils charakteristische Formanten, die wesentlich durch die horizontale und vertikale Lage der Zunge bestimmt werden. Die Resonanzfrequenzen der Formanten sind unabhängig vom durch die Stimmlippen angeregten Signal – sie bleiben zum Beispiel auch bei sich ändernder „Stimmhöhe” konstant.
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Analog dazu lässt sich auch das Schnarchen akustisch als ein System aus Schallquelle und Ansatzrohr mit einer frequenzabhängigen Übertragungsfunktion beschreiben, deren Formanten vom Durchmesserverlauf des Ansatzrohres abhängen. Im Unterschied zur Vokalproduktion entsteht der Schall aber nicht durch die Stimmlippen. Der Schall kann hingegen an unterschiedlichen Stellen der oberen Atemwege entstehen, beispielsweise am Kehldeckel (Epiglottis), am Zungengrund, oder am weichen Gaumen. Da die Schallquelle immer auch eine Engstelle darstellt, kann das akustische System analog dem Quelle-Filter-Modell der Vokalproduktion beschrieben werden, mit dem Unterschied, dass die Gesamtlänge des Ansatzrohres nicht konstant ist, sondern vom Ort der Schnarchschallentstehung abhängt. Unterschiedliche Entstehungsmechanismen des Schnarchens erzeugen also durch die charakteristische Position der Organe der oberen Atemwege, insbesondere der Zunge und des weichen Gaumens, sowie die charakteristische Gesamtlänge des akustisch aktiven Teils der oberen Atemwege eine charakteristische Übertragungsfunktion mit charakteristischen Resonanzfrequenzen, die man in Anlehnung an die Phonetik als „Schnarchformanten” bezeichnen könnte. Diese Schnarchformanten sind von der Art des anregenden Signals, beispielsweise seiner Grundfrequenz und Tonalität, unabhängig.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit durch ein Verfahren zur Ermittlung anatomischer Ursachen für die Entstehung von Scharchgeräuschen einer Person gelöst, wobei ein akustisches Frequenzspektrum eines von der Person erzeugten Schnarchgeräusches gemessen und anschließend die Resonanzfrequenzen der Formanten bestimmt werden. Dies kann beispielsweise über Mikrofone erfolgen, die in der Umgebung des Mund- und Nasenbereichs der Person angeordnet werden. In einem weiteren Schritt werden anhand der Formanten des akustischen Frequenzspektrums die Längen und die Durchmesserverläufe der Atemwege der Person und daraus die horizontale und vertikale Lage der Zunge sowie die Lage benachbarter Organe bestimmt. Die Lage der Organe der oberen Atemwege und die Gesamtlänge des akustisch aktiven Vokaltrakts sind charakteristisch für bestimmte Arten der Schnarchschallentstehung, so dass sich durch die Schnarchformantenanalyse auf die Ursachen der Schallentstehung schließen lässt.
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Größe und Form der oberen Atemwege sind von Person zu Person unterschiedlich. Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Analyse durch Reduzierung von Ungenauigkeiten aufgrund interindividueller Unterschiede in der Anatomie der Atemwege wird das Verfahren bevorzugt durch ein Schallsignal „kalibriert”, welches nicht beim Schnarchen erzeugt wird. Dazu wird eine erste durch mindestens einen Ton oder ein Geräusch angeregte Frequenzantwort des Vokaltrakts der Person gemessen und ausgewertet, wobei das anregende Signal nicht beim Schnarchen erzeugt wird. Bei diesem Signal kann es sich um einen von der Person selbst erzeugten Laut oder eine mit technischen Mitteln erzeugte Schwingung handeln. In einem weiteren Schritt wird eine zweite Frequenzantwort des Vokaltrakts derselben Person beim Schnarchen gemessen und ausgewertet. In einem weiteren Schritt werden die erste Frequenzantwort und die zweite Frequenzantwort miteinander verglichen, um die Lage der Zunge sowie benachbarter Organe des Vokaltrakts der Person während des Schnarchens zu bestimmen.
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Bevorzugt wird ein erstes akustisches Frequenzspektrum einer Frequenzantwort der Person beim Erzeugen eines Signals gemessen und anschließend mindestens ein Formant der oberen Atemwege der Person anhand des gemessenen ersten akustischen Frequenzspektrums bestimmt. Aus dem oder den über das erste akustische Frequenzspektrum bestimmten Formant(en) werden im Anschluss die Längen sowie Durchmesserverläufe der oberen Atemwege der Testperson bestimmt. In einem weiteren Schritt werden die horizontale sowie vertikale Lage der Zunge und benachbarter Organe der Person anhand des aufgezeichneten ersten akustischen Frequenzspektrums bestimmt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Signal ein glottal (durch die Stimmlippen) von der Person erzeugter, stimmhafter oder stimmloser Sprachlaut.
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In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das anregende Signal Schallwellen, die mit technischen Mitteln erzeugt werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Miniaturlautsprecher handeln, der beispielsweise an den Ein- bzw. Ausgängen der oberen Atemwege der Person angeordnet wird. Alternativ kann der Lautsprecher von außen in einen Bereich der oberen Atemwege der Person eingeführt werden, um an einer bestimmten Stelle Schwingungen zu erzeugen. Alternativ kann der Schallerzeuger von außen, durch direkten Körperkontakt, vorzugsweise im Bereich des Kehlkopfes, per Körperschallübertragung die oberen Atemwege akustisch anregen. Bei den somit erzeugten Schwingungen kann es sich um obertonreiche Töne handeln, deren Grundfrequenz vorzugsweise während der Untersuchung kontinuierlich variiert wird. Alternativ kann ein kontinuierliches Spektrum wie beispielsweise weißes oder rosa Rauschen emittiert werden.
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Erfindungsgemäß wird ein zweites akustisches Frequenzspektrum einer zweiten Frequenzantwort eines von der Person im natürlichen oder künstlich erzeugten Schlaf oder durch Simulation von Schnarchgeräuschen durch die Person im Wachzustand erzeugten Schnarchgeräusches gemessen und anschließend mindestens ein Formant der oberen Atemwege der Person anhand des gemessenen zweiten akustischen Frequenzspektrums bestimmt. In einem weiteren Schritt wird über den/die Formant(en), die über das zweite akustische Frequenzspektrum bestimmt wurden, die Längen und Durchmesserverläufe der Atemwege der Person beim Schnarchen bestimmt. Ferner wird die Länge des akustisch relevanten Anteils der oberen Atemwege, die horizontale und vertikale Lage der Zunge sowie benachbarter Organe anhand des aufgezeichneten zweiten akustischen Frequenzspektrums bestimmt.
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Erfindungsgemäß werden die aus dem ersten akustischen Frequenzspektrum und dem zweiten akustischen Frequenzspektrum ermittelten Ausprägungen der oberen Atemwege sowie die ermittelte Lage der Zunge und benachbarten Organe derselben Person miteinander verglichen. Auf diese Weise ist insbesondere bestimmbar, welche Bereiche der oberen Atemwege der Person beim Schnarchen verengt sind, um somit die anatomischen Ursachen für die Entstehung von Schnarchgeräuschen zu bestimmen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die durch die Nasenlöcher und die durch den Mund abgegebenen Schallsignale jeweils zeitgleich, aber getrennt erfasst, und die Frequenzspektren getrennt bestimmt. Dies kann beispielsweise durch mindestens zwei jeweils in der Nähe der Mundöffnung und mindestens eines Nasenlochs angeordnete Mikrofone erfolgen. Auf diese Weise ist eine getrennte Aussage über die Durchmesserverläufe des Nasaltraktes und des Oraltraktes möglich, was eine noch differenziertere Analyse der zugrundeliegenden Anatomie und damit der Schnarchursachen erlaubt.
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Besonders bevorzugt werden die Phasenunterschiede der durch die Nasenöffnungen und die Mundöffnung abgegebenen Schallsignale ermittelt. In einem weiteren Schritt wird anhand der Phasenunterschiede beispielsweise die unterschiedliche Laufzeit der Schallsignale von der Schallquelle zu den Mikrofonen und dadurch die Längendifferenz der beiden Laufwege ermittelt.
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Des Weiteren wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe erfindungsgemäß durch ein System zur Ermittlung anatomischer Ursachen für die Entstehung von Schnarchgeräuschen einer Person gelöst, wobei das System mindestens ein Mikrofon zur Aufnahme einer Frequenzantwort des Vokaltrakts einer Person aufweist, wobei das Mikrofon in der Umgebung der Ausgangsöffnungen der oberen Atemwege der Person anordenbar ist. Des Weiteren umfasst das System eine Auswerteeinheit zum Verarbeiten der über das Mikrofon aufgenommenen Schallsignale aus dem Vokaltrakt der Person zum Ermitteln des Frequenzspektrums, zum Ermitteln der Resonanzfrequenzen der Frequenzantwort, zum Vergleich von Frequenzantworten, die von einem oder von mehreren unterschiedlichen Ausgangssignalen angeregt wurden sowie zur Bestimmung der Längen und Durchmesserverläufe der oberen Atemwege sowie der horizontalen und vertikalen Lage der Zunge und benachbarter Organe der Person. Darüber hinaus umfasst das System eine Anzeigeeinheit zur tabellarischen und/oder grafischen Darstellung der von der Auswerteeinheit ermittelten Ergebnisse.
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Erfindungsgemäß ist mit dem System zur Ermittlung anatomischer Ursachen für die Entstehung von Schnarchgeräuschen einer Person ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchführbar.
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Vorzugsweise weist das System mindestens eine Haltevorrichtung auf, mittels der das Mikrofon an einem oder mehreren Ausgängen der oberen Atemwege der Person anordenbar ist. Eine derartige Haltevorrichtung kann beispielsweise ein Band umfassen, das um den Kopf der Person legbar und über eine Verschlusseinrichtung zu einem geschlossenen Ring verschließbar ist. Der Vorteil einer derartigen Haltevorrichtung besteht darin, dass das Mikrofon nahezu rutschsicher am Kopf der Person anbringbar ist und somit auch bei veränderten Lagen des Kopfes die gleiche Position relativ zu der entsprechenden Ausgangsöffnung der oberen Atemwege der Person aufweist. Hierdurch kann der Einfluss von Störfaktoren wie beispielsweise Störgeräuschen oder Raumschallreflexionen für die Bestimmung der Frequenzantwort der oberen Atemwege der Person reduziert werden. Alternativ kann das Mikrofon an einem Stativ gehalten sein, wobei eine derartige Anordnung Maßnahmen zum Fixieren des Kopfes der Person erforderlich machen kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das System eine endoskopische Kamera auf, um die Anatomie der oberen Atemwege der Person beim Erzeugen der Schallsignale optisch zu beobachten. Die somit gewonnenen Erkenntnisse über die Anatomie der oberen Atemwege der Person können mit den Ergebnissen der mittels akustischer Mittel bestimmten Anatomie der oberen Atemwege der Person verglichen werden, um etwaige Ungenauigkeiten der akustischen Bestimmung der Anatomie der oberen Atemwege zu korrigieren.
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Besonders bevorzugt weist das System mindestens zwei Mikrofone auf, wobei ein Mikrofon in der Nähe von mindestens einem Nasenloch oder innerhalb eines Nasenlochs und das andere Mikrofon in der Nähe von oder am Mund der Person anordenbar ist.
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Bevorzugt dient die Haltevorrichtung gleichzeitig als Schalldämmung zur Isolierung der Schallsignale, die aus dem Mund und aus den Nasenlöchern abgegeben werden. Dies kann bevorzugt über eine entsprechende Form der Haltevorrichtung und/oder eine geeignete Wahl eines schallabsorbierenden Materials zur Ausführung oder Beschichtung der Haltevorrichtung erfolgen.
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Hierdurch können die Schallsignale aus Mund und Nase getrennt analysiert werden, was eine separate Ermittlung der Durchmesserverläufe des Oraltrakts und des Nasaltrakts erlaubt. Dadurch ist eine noch differenziertere Analyse der den Schnarchgeräuschen zugrundeliegenden anatomischen Ursachen möglich.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben werden. In den Zeichnungen zeigen:
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1 schematisch einen Sagitalschnitt durch einen menschlichen Kopf,
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2a–2c drei Diagramme zur Veranschaulichung des Zusammenhangs eines Quellsignals, einer Übertragungsfunktion und eines resultierenden Ausgangssignals,
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3a–3b schematisch einen Sagitalschnitt durch einen menschlichen Kopf mit unterschiedlichen Schnarchursachen,
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4a–4c schematisch einen Sagitalschnitt durch einen menschlichen Kopf mit unterschiedlichen Verschlusszuständen der oberen Atemwege,
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5 eine schematische Frontalansicht der Anordnung einer Haltevorrichtung mit Mikrofonen an einem menschlichen Kopf, und
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6 eine schematische Draufsicht auf eine Haltevorrichtung mit Mikrofonen.
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Zunächst soll die Anatomie der oberen Atemwege eines Menschen näher beschrieben werden.
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Hierzu zeigt 1 einen Ausschnitt einer schematischen Darstellung eines Sagitalschnitts des Kopfes eines Menschen, wobei insbesondere die oberen Atemwege erkennbar sind. Der Nasaltrakt 12 erstreckt sich von der Nasenöffnung 10 bis zu einer Passage zwischen Adenoide 14 und Weichgaumen 20. Der Oraltrakt 18 erstreckt sich von der Mundöffnung 16 entlang dem Zungenrücken 22 sowie dem Weichgaumen 20 bis zum Zungengrund 24 und Epiglottis 26. Die oberen Atemwege sind definiert als der Bereich von der Larynx 28 bis zur Mundöffnung 16 sowie Nasenöffnung 10. Dieser Bereich wird auch als Vokaltrakt oder Artikulationstrakt bezeichnet. Die oberen Atemwege lassen sich als Rohrsystem mit über die Länge variablem Querschnitt beschreiben.
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Dieses Rohrsystem besitzt eine Übertragungsfunktion, die bestimmte Resonanzfrequenzen aufweist, welche durch seine Gesamtlänge und seinen Durchmesserverlauf charakterisiert sind.
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Im Falle stimmhafter Phonation erzeugt an dem einen Ende des Rohres, in der Larynx 28, eine durch die Stimmlippen gebildete Schallquelle ein Signal, deren Frequenzspektrum Q(f) aus einer Grundfrequenz und harmonischen Oberwellen besteht. Dass Schallsignal durchläuft bis zur Abstrahlung an der Mundöffnung 16 und/oder den Nasenöffnungen 10 den Artikulationstrakt, welcher das Signal durch eine bestimmte Übertragungsfunktion F(f) moduliert. Dieser Vorgang wird auch als Artikulation bezeichnet. Das Spektrum des abgestrahlten Signals S(f) ergibt sich durch Multiplikation der Übertragungsfunktion des Artikulationstraktes mit dem Spektrum des anregenden Schallsignals im Frequenzbereich S(f) = Q(f)·F(f) bzw. durch eine Faltung der Impulsantwort des Artikulationstraktes mit dem Quellsignal im Zeitbereich.
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Die in den 2a bis 2c dargestellten Koordinatensysteme weisen jeweils auf ihrer Abszisse die Frequenz und der Ordinate die Signalstärke (Amplitude) auf. In 2a ist ein frei gewähltes Frequenzspektrum eines Quellsignals Q(f) abgebildet. 2b zeigt eine Übertragungsfunktion F(f) der oberen Atemwege eines Menschen. Deutlich erkennbar weist die Übertragungsfunktion zwei lokale Maxima auf. 2c zeigt das Frequenzspektrum des Ausgangssignals S(f), welches sich ergibt, wenn das in 2a dargestellte Quellsignal durch die oberen Atemwege, die eine Übertragungsfunktion gemäß 2b aufweisen, geleitet wird. Hierbei ist festzustellen, dass die in 2b dargestellten lokalen Maxima der Übertragungsfunktion F(f) zu lokalen Maxima des abgestrahlten Signals S(f) im entsprechenden Frequenzbereich führen.
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Durch unterschiedliche Stellung der Zunge, des weichen Gaumens und der Lippen wird die Übertragungsfunktion des Artikulationstraktes verändert, so können charakteristische Resonanzfrequenzen (Formanten) gebildet werden. Diese Resonanzfrequenzen sind unabhängig von der Grundfrequenz und dem Spektrum des Quellsignals.
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Im Falle einer stimmhaften ungenäselten Vokalerzeugung (d. h. bei durch das Gaumensiegel verschlossenem Nasaltrakt) und der Artikulation des sogenannten ”Schwa-Lautes” (Zeichen des Internationalen Phonetischen Alphabets (IPA): [a], z. B. in ”Mücke”), kann der Vokaltrakt von der Larynx 28 bis zur Mundöffnung 16 näherungsweise als Rohr mit konstantem Querschnitt angesehen werden. Bei dem angenommenen konstanten Durchmesserverlauf ergeben sich durch die Gesamtlänge l des Rohres bestimmte Resonanzfrequenzen von: f = c/4l; f = 3c/4l; f = 5c/4l; usw. (mit f = Frequenz, c = Schallgeschwindigkeit).
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Bei der Artikulation anderer Vokale wird der Durchmesserverlauf des Vokaltrakts unter anderem durch die Position der Zunge und des Weichgaumens 20 entsprechend verändert, was in einer Veränderung der charakteristischen Resonanzfrequenzen resultiert.
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Analog zur Phonation werden auch beim Schnarchen in den oberen Atemwegen entsprechende charakteristische Resonanzfrequenzen erzeugt, die das Frequenzspektrum des Quellsignals modulieren. Im Unterschied zur Phonation wird das Schnarchschallsignal jedoch nicht durch die Stimmlippen 28, sondern beispielsweise durch Weichgaumen 20, Zungengrund 24 oder Epiglottis 26 erzeugt. Dadurch ergibt sich beim Schnarchen als zusätzliche Variable die Position der Schallquelle innerhalb des Vokaltraktes. Während bei der Phonation die Gesamtlänge des Vokaltraktes weitgehend konstant ist (Stimmlippen 28 – Mundöffnung 16 bzw. Stimmlippen 28 – Nasenöffnungen 10), ist beim Schnarchen die Länge des wirksamen ”Ansatzrohres” von der Position der Schallquelle abhängig (z. B. Zungengrund 24 – Mundöffnung 16; Weichgaumen 20 – Mundöffnung 16; Weichgaumen 20 – Nasenöffnungen 10), was wiederum in unterschiedlichen Resonanzfrequenzen resultiert. Durch die Auswertung dieser Resonanzfrequenzen, die das Spektrum des Schnarchquellsignals modulieren, kann auf die Position der Schallquelle, die Lage der Zunge und des Gaumensegels rückgeschlossen werden, was eine Aussage über den Entstehungsort des Geräusches erlaubt.
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Das Frequenzspektrum eines tonalen Quellsignals besteht aus diskreten Frequenzanteilen, die Vielfachen der Grundfrequenz entsprechen. Entsprechend kann die Übertragungsfunktion des Vokaltraktes bei konstanter Grundfrequenz auch nur an diesen diskreten Frequenzen ermittelt werden, der Bereich außerhalb bleibt ”im Dunkeln”. Die Mittelung der Spektralanalyse über Zeitbereiche unterschiedlicher Grundfrequenz der Quelle resultiert in einem dichteren bzw. einem teilweise oder vollständig kontinuierlichen Spektrum. Hierdurch wird ein Bild des Frequenzverlaufs des Vokaltrakts ermöglicht, das von den harmonischen Oberwellen des anregenden Signals unabhängig ist. Charakteristisch für die jeweiligen Vokale ist das Verhältnis der Resonanzfrequenzen des Vokaltraktes (Formanten) zueinander, welche durch die Stellung der Zunge, insbesondere des Zungenrückens und des Zungengrunds und des Weichgaumens 20 bestimmt werden. Analog hierzu ist anhand des Frequenzverhältnisses der während des Schnarchens erzeugten Resonanzfrequenzen eine Aussage über die Stellung der Zunge und die Position des Weichgaumens 20 möglich.
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Die absolute Frequenz der Formanten ist interindividuell unterschiedlich und abhängig von der Größe und der Anatomie der oberen Atemwege. Anhand der absoluten Resonanzfrequenzen bestimmter phonierter Vokale kann ein Rückschluss auf die individuelle Anatomie gezogen werden. Da bestimmte anatomische Gegebenheiten bei Vokalisation und Schnarchen intraindividuell gleich bleiben, können bestimmte Absolutwerte der phonierten Formanten zur ”Kalibrierung” der Messung der Schnarchformanten dienen. Frequenz- und Amplitudenverhältnisse, die von einer Person durch Phonation im Wachzustand und beim Schnarchen während des Schlafens ermittelt wurden, können zur Eliminierung interindividueller Unterschiede analysiert werden und somit genauere Ergebnisse liefern als beim Vergleich mit absoluten, nicht individuellen Referenzwerten. Individuelle Länge und andere charakteristische Eigenschaften des Artikulationstraktes können beispielsweise aus der Frequenzantwort verschiedener phonierter Phoneme ermittelt werden, die beispielsweise einen offenen oder geschlossenen Nasaltrakt 12 bzw. Oraltrakt 18 erzwingen, um einen Rückschluss auf die Länge des Nasaltrakts 12 und Oraltrakts 18 zu ermöglichen. Hierfür sind die Laute [a], [m], [η] besonders geeignet. Durch den Vergleich der Formanten dieser Vokale können ”Kalibrierungswerte” für die Schnarchsignalanalyse ermittelt werden.
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Alternativ oder unterstützend kann der Vokaltrakt im wachen Zustand während stimmloser Artikulation bestimmter Vokale und/oder im Schlaf im zeitlichen Zusammenhang mit Schnarchepisoden von außen durch eine im Bereich der Lippen und/oder der Nasenlöcher angebrachte Schallquelle, beispielsweise mit einem Rausch- oder Klicksignal, angeregt werden, um durch die Messung der Impulsantwort des Signals durch ein in unmittelbarer Nähe der Schallquelle angebrachtes Mikrofon eine zusätzliche Aussage über den Querschnittsverlauf der oberen Atemwege zu erhalten.
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3a zeigt im Sagitalschnitt schematisch den Weichgaumen 20 und 3b den Zungengrund 24 als Ursache des Schnarchens.
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Oraltrakt 18 und Nasaltrakt 12 haben eine unterschiedliche Übertragungsfunktion, daher weisen die durch die Nasenöffnungen 10 und durch die Mundöffnung 16 emittierten Schallsignale unterschiedliche Spektren auf. Im Gesamthöreindruck werden beide Spektren überlagert. Beim Schnarchen ergeben sich für den Ort der Schallquelle charakteristische Unterschiede zwischen Frequenzantwort des Oraltrakts 18 und des Nasaltrakts 12. Zudem ergeben sich durch die unterschiedlichen Längen der Strecken Weichgaumen 20 – Nasenöffnung 10 und Weichgaumen 20 – Mundöffnung 16 Laufzeitunterschiede des Schalls, die in Phasenverschiebungen zwischen den beiden durch Nasenöffnung und die Mundöffnung emittierten Schallsignale resultieren. Zudem können durch unterschiedliche Vibrationsmechanismen von Weichgaumen und Zunge charakteristische Phasenverschiebungen zwischen Nasal- und Oralschall entstehen. Durch die getrennte Messung des durch die Nasenöffnung und die Mundöffnung emittierten Schallsignals können daher noch genauere Aussagen über die Schnarchschallentstehung getroffen werden.
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Eine derartige Anordnung von Mikrofonen ist in 5 dargestellt. Die drei oberen Mikrofone 28 und unteren Mikrofone 30 sind an einer schallisolierenden Haltevorrichtung 32 angeordnet. Die Haltevorrichtung 32 ist über einen Riemen 26 am Kopf der Person gehalten. Die oberen Mikrofone 28 und unteren Mikrofone 30 sind so angeordnet, dass die oberen Mikrofone im Wesentlichen aus den Nasenöffnungen 10 emittierte Schallsignale und die unteren Mikrofone 30 im Wesentlichen aus der Mundöffnung 16 emittierte Schallsignale erfassen.
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Wie deutlich aus 6 hervorgeht, ist die Haltevorrichtung 32 ausgebildet, um von den Nasenöffnungen 12 sowie der Mundöffnung 16 emittierte Schallwellen gegeneinander zu isolieren. Eine Seite der Haltevorrichtung 32 ist konkav ausgebildet, um sich dem Kopf der Person optimal anzupassen. Die entgegengesetzte Seite der Haltevorrichtung 32 ist in diesem erfindungsgemäßen Beispiel konvex ausgebildet, kann aber alternativ auch einen geraden oder andersförmigen Verlauf aufweisen. Der Abstand der Haltevorrichtung 32 zwischen der konkaven und der konvexen Seite ist vorzugsweise so zu wählen, dass eine an dem Kopf der Person angebrachte Haltevorrichtung 32 von den Nasenöffnungen 10 sowie von der Mundöffnung 16 der Person emittierte Schallsignale voneinander soweit trennt, dass die Messergebnisse der Mikrofone 28 nicht durch benachbarte Schallsignale verfälscht werden. Demnach beträgt Abstand vorzugsweise zwischen 1 und 5 cm und weiter bevorzugt zwischen 2 und 3 cm. Die Haltevorrichtung 32 ist vorzugsweise aus einem schallabsorbierenden Material hergestellt oder damit beschichtet.
