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Als
Teil der Behandlung von Kehlkopfkrebs ist es oftmals der Fall, dass
der Kehlkopf, einschließlich
der Stimmlippen und der Epiglottis sowie, falls erforderlich, ein
Teil der Pharynx entfernt wird (Laryngektomie).
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Um
es dem Patienten zu ermöglichen,
hiernach zu essen und zu trinken, ohne dass Nahrung oder Getränke in die
nun nicht mehr verschließbare Luftröhre gelangen,
wird die Luftröhre
nach außen geleitet,
in der Kehle ein Stoma gebildet wird (ein Tracheostoma).
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Um
auch wieder eine Stimmerzeugung zu ermöglichen, wird üblicherweise
ein Ventil in der Wand zwischen der Speiseröhre und der Luftröhre angeordnet.
Aus der Lunge strömende
Luft kann sodann aus der Luftröhre
durch das Ventil in den oberen Teil der Speiseröhre geleitet werden, deren
Gewebe, entlang welchem die Luft strömt, von der durchströmenden Luft
in Vibrationen versetzt wird, um eine Stimme oder zumindest einen
Ton, der diese Funktion erfüllen
muss, zu erzeugen. Der Patient kann sodann sprechen, indem er das
Tracheostoma geschlossen hält,
so dass Luft durch das Ventil in die Speiseröhre geleitet wird.
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Ähnliche
Vorrichtungen sind in den Dokumenten
NL-C-1003509 und
EP-A-0651980 beschrieben.
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Diese
Lösung
ist dahingehend nachteilig, dass die Stimme unnatürlich "rülpsend" klingt, dass das Sprechen dieser Personen
schwer verständlich ist,
und dass die Grundfrequenz des erzeugten Tons zu tief ist (40–70 Hz.
Gegenüber
90–120
Hz bei gesunden Männern
und 190–220
Hz bei gesunden Frauen).
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Es
wurden bisher zahlreiche Versuche unternommen, diese Probleme zu
lösen,
unter anderem durch Vorsehen von Stimmerzeugungsprothesen in elektronischer
Form oder in durch ausgeatmete Luft betriebener Form.
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Bekannte
elektronische Prothesen sind mit einer Spannungsquelle und einer
manuellen Steuerung außerhalb
des Körpers
versehen. Die Vibrationsquelle wird hierbei gegen die Kehle gedrückt oder
ist in einer Dentalprothese enthalten. Wesentliche Nachteile derartiger
Vorrichtungen sind die Schwierigkeit, die genannte manuelle Steuerung
zu erlernen, und die roboterartige Stimme.
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Eine
andere bereits bekannte Stimmerzeugungsprothese ist zum Betrieb
mit Luft ausgebildet. Diese Prothese kann mit dem Tracheostoma verbunden
werden und umfasst ein luftbetriebenes vibrierendes Element und
einen Schlauch zum Leiten vibrierender Luft zum Mund, um die erzeugte
Vibration dort in verschiedene Töne
umzuwandeln. Nachteile dieser Prothese sind die mäßige Qualität der Stimme und
das unattraktive Erscheinungsbild der Vibrationsquelle und des zum
Mund führenden
Schlauchs, welche den bequemen Gebrauch weiter nachteilig beeinflussen.
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Eine
Stimmerzeugungsprothese ist aus
EP-B-0 573 888 bekannt. Bei dieser Prothese
wird ein Vibrationen erzeugendes Element in dem Umgehungsventil
in der Wand zwischen der Luftröhre
und der Speiseröhre
platziert. Jedoch tritt auch bei dieser Prothese das Problem auf,
dass die Stimme wesentlich weniger natürlich und weniger verständlich klingt, als
diejenige einer Person mit gesunden intakten Stimmbändern.
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Das
US-Patent 1 836 816 beschreibt
eine Stimmerzeugungsvorrichtung, bei der ein Versorgungsschlauch
zur Verbindung mit einem Stoma mit einem einen Durchlass aufweisenden
Gehäuse
verbunden ist, und bei der ein Auslassschlauch mit dem Gehäuse verbunden
ist. Das Gehäuse
ist mit einer Öffnung
versehen, welche mit dem Versorgungsschlauch in Verbindung steht.
Das Atmen erfolgt durch diese Öffnung.
Durch das Schließen
der Öffnung
bei spielsweise mit dem Daumen durch das Gehäuse über ein Blatt geleitet, das
dadurch in Vibrationen versetzt wird. Derart erzeugter Schall wird über den
Auslassschlauch in den Mund geleitet und kann dort durch Artikulation
in bestimmtem Maße
in Sprache umgewandelt werden.
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Gemäß der Beschreibung
schlägt
das Blatt beim Vibrieren stark gegen einen Gummianschlag und schließt so eine Öffnung, über welche
der Versorgungsschlauch mit dem Auslassschlauch in Verbindung steht.
Gemäß diesem
Dokument wird hierdurch ein Ton erzeugt, der zusätzlich zu der Grundfrequenz
relativ starke harmonische Frequenzen enthält und somit natürlich klingt.
Jedoch ist auch bei der Verwendung dieser Vorrichtung festzustellen,
dass ein Bedarf an einer Verbesserung in Richtung einer natürlichen,
gut verständlichen
Stimme besteht.
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Das
Dokument
US 4 223 411 beschreibt
eine Stimmerzeugungsprothese gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung zu
schaffen, die es Patienten ermöglicht,
nach einer Laryngektomieoperation über eine natürlichere
und besser verständliche
Stimme zu verfügen
als bei der Verwendung der zuvor erörterten Prothesen der Fall.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das
Ausführen
einer Stimmerzeugungsprothese gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Durch
abruptes Behindern der Bewegungen des Vibrationselements oder der
Vibrationselemente wird ein Ursprungston erhalten, welcher während der Zerlegung
in sinusförmige
Frequenzen zusätzlich
zu einer sinusförmigen
Grundfrequenz eine große
Anzahl von Obertönen
enthält.
Da dieser Ton nahe der Position der natürlichen Stimmbänder erzeugt
wird und die Lautstärke
und die Tonfrequenz zusammen unter dem Einfluss der Geschwindigkeit
der Luftströmung
beeinflusst werden, ergeben sich eine erheblich verbesserte Verständlichkeit
und eine natürlichere
Stimme.
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Sehr
vorteilhafte praktische Beispiele für die Erfindung sind in den
Unteransprüchen
2–6 angegeben.
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Gemäß einer
praktischen Möglichkeit
der Erfindung ist ein Einwegventil nach Anspruch 6 vorgesehen. Durch
das Vorsehen einer erfindungsgemäßen Stimmerzeugungsprothese
als modulares Teil in einem derartigen Ventil, ist es bei einer
begrenzten Anzahl von Varianten des Ventils und der Prothese möglich, ein
hohes Maß an
Anpassung an die Statur des Patienten einerseits und die ursprünglichen stimmlichen
Eigenschaften des Patienten zu erreichen. Im Prinzip kann eine derartige
Stimmerzeugungsprothese in jedem Ventil zwischen der Luftröhre und
der Speiseröhre
eingesetzt werden.
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Weitere
Aufgaben, strukturelle Aspekte und strukturelle Details der Erfindung
werden im folgenden anhand von praktischen Beispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben und erläutert, welche zeigen:
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1 eine
schematische quergeschnittene Seitenansicht des Kopf-Kehl-Bereichs eines Patienten
nach einer Laryngektomie und dem Anordnen einer Prothese zwischen
der Luftröhre
und dem oberen Teil der Speiseröhre,
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2 einen
quergeschnittene Seitenansicht einer Prothese zur Implantation in
die Wand zwischen einer Luftröhre
und einem oberen Teil einer Speiseröhre mit einer eingebauten Stimmerzeugungsprothese,
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3 eine
Draufsicht auf die in 2 dargestellte Prothese, und
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4 eine
Seitenansicht einer Reihe von schematischen Darstellungen des Vibrationselements
einer Stimmerzeugungsprothese gemäß den 2 und 3 in
aufeinanderfolgenden Betriebszuständen.
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Zunächst wird
anhand der 1 die Situation beschrieben,
in welcher die vorgeschlagenen Stimmerzeugungsprothesen verwendet
werden können.
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Aus
dem in
1 dargestellten Kopf-Kehl-Bereich eines Patienten
wurde der Kehlkopf, einschließlich
der Stimmlippen und des Kehldeckels, als Teil der Behandlung von
Kehlkopfkrebs entfernt. Die Luftröhre
1, die nicht länger verschließbar ist,
wird direkt nach außen
in den Bereich der Kehle
2 geführt und weist eine Öffnung in
Form eines Tracheostomas
3 auf. Zwischen einem oberen Ende
der Speiseröhre
4 und
der Luftröhre
1 befindet
sich eine Wand mit einem Durchlass
5, in welchem ein Ventil
9 angeordnet
ist, so dass Luft durch die Nase
6 oder den Mund
7 und
den früheren
Kehlkopfbereich
8 geleitet werden kann. Um dies zu erreichen,
muss das Tracheostoma
3 vorübergehend geschlossen werden,
beispielsweise mit einem Finger oder durch Ausstoßen von
Luft, wenn ein Tracheostomaventil gemäß der Beschreibung der
Niederländischen Patentanmeldung 9202020 verwendet
wird.
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2 ist
eine detaillierter Darstellung des Ventils 9. Das Ventil 9 hat
ein Gehäuse 10 mit
einem Durchlass 11, einen Befestigungsflansch 12 nahe
einem Ende des Durchlasses 11 und einen einstückigen Schließkörper 13.
In Reaktion auf einen in bezug auf den Druck in der Speiseröhre 4 in
der Höhe
des Ventils 9 herrschenden Überdruck in der Luftröhre 1 und
dem damit verbundenen Durchlass 11 dreht sich der Schließkörper 13 von
dem Durchlass 11 weg, um den Durchlass 11 freizugeben.
Im Ruhezustand schließt
der Schließkörper 13 den
Durchlass 11, so dass Essen und Getränke nicht von der Speiseröhre 4 in
die Luftröhre 1 gelangen
können.
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In
das Ventil 9 ist eine Stimmerzeugungsprothese 14 eingebaut,
die nach diesem Beispiel aus einem Gehäuse 15, einem durch
das Gehäuse 15 führenden
Durchlass 16 zum Durchlassen von Luft, und zwei vibrierend
bewegbaren Vibrationselementen 17, 18 zum Versetzen
von Luft in Schwingungen besteht. Diese Prothese 14 ist
in 3 separat dargestellt.
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Da
die vorgeschlagene Stimmerzeugungsprothese 14 nahe der
Stelle der ursprünglichen Stimmbänder getragen
wird, versetzt der von der Prothese 14 erzeugte Ton die
Luft in dem Sprachrohr des Benutzers auf natürliche Weise in Schwingungen,
und die derart erzeugte Stimme kann von dem Mund auf natürliche Wiese
in Sprechtöne
umgewandelt werden. Die Spracherzeugungsprothese wird darüber hinaus
innen getragen, so dass sie kein visuell störendes Element an dem Körper des
Benutzers bildet und einen verbesserten Benutzungskomfort bietet.
Das Einsetzen und, falls erforderlich, das Entfernen (beispielsweise
für den
Austausch) der Stimmerzeugungsprothese 14 kann über das
Tracheostoma 3 mittels herkömmlicher klinischer Instrumente erfolgen.
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Das
Gehäuse
der Stimmerzeugungsprothese kann ebenfalls in das Gehäuse des
Ventils 9 integriert sein. Die Verwendung separater Gehäuse für das Ventil
und die Stimmerzeugungsprothese hat jedoch den Vorteil, dass einerseits
für jeden
Patienten eine Ausbildung für
das Ventil auf der Grundlage der Dicke der Wand zwischen der Speiseröhre und
der Luftröhre
gewählt
werden kann und andererseits, unabhängig von den äußeren Abmessungen,
eine Ausbildung der Stimmerzeugungsprothese gewählt werden kann, deren Klangemission
der natürlichen
Stimme des Patienten am ähnlichsten
ist. Somit kann trotz der begrenzten Anzahl der Ausbildungen des Ventils
und der Stimmerzeugungsprothese eine Vielzahl von Anpassungen an
unterschiedliche Patienten erreicht werden.
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4 zeigt
die Vibrationselemente 17, 18 in einer Anzahl
von aufeinanderfolgenden Stufen A-H eines Vibrationszyklus. Die
als Lippen 17, 18 ausgebildeten Vibrationselemente,
welche von der Wand des Durchlasses 16 vorstehen, bilden
hierbei jeweils einen Anschlag zum abrupten Behindern der Bewegbarkeit
der anderen Lippe 18, 17 sobald sie gegen die
relevante Lippe 17, 18 anstößt. Wenn Luft mit geeigneter
Geschwindigkeit durch den Durchlass 16 gepresst wird, werden
die Lippen infolge eines schwankenden Gleichgewichts zwischen den
aerodynamischen und den elastischen Kräften, welche die Erzeugung
von Luftimpulsen durch die Lippen 17, 18 bewirken,
periodisch geöff net
und geschlossen. Im Ruhezustand liegen die Lippen 17, 18 unter
Vorspannung aneinander an.
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Durch
die Verwendung von Lippen mit geeigneter Geometrie und Materialeigenschaften
kann eine für
Männer
und Frauen geeignete Grundfrequenz erhalten werden. Durch Abrichten
der Lippen 17, 18 kann der von der Prothese 14 erzeugte
Ton genau an die Wünsche
eines Patienten angepasst werden.
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Die
Lippen 17, 18 weisen jeweils ein freies Ende 20, 21 auf,
welches im Ruhezustand stromabwärts
in eine im wesentlichen parallel zu dem Durchlass 16 verlaufende
Richtung erstreckt. Dies gewährleistet,
dass selbst wenn die Lippen 17, 18 gekürzt sind,
die Lippen 17, 18 im Ruhezustand unter Vorspannung
aneinander anliegen. Da das Kürzen
der Lippen 17, 18 zu einer Verringerung der Vorspannung
führt,
mit welcher die Lippen 17, 18 im Ruhezustand aneinander
anliegen, wird durch das Kürzen der
Lippen 17, 18 ein sehr effektiver Einfluss auf
den erzeugten Ton erreicht.
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Der
Patient kann beim Sprechen die Lautstärke auf natürliche Weise durch stärkeres oder schwächeres Ausstoßen von
Luft durch den Durchlass 16 regeln. Wenn der Luftstrom
durch den Durchlass 16 in die durch den Pfeil 19 angegebene
Richtung stärker
ist, steigt die Grundfrequenz der erzeugten Stimme mit der Lautstärke. Diese
Verbindung zwischen der Lautstärke
und der Grundfrequenz ist ebenfalls bei der Stimmerzeugung mittels
gesunder Stimmbänder
gegeben und wird als natürliche
Betonung empfunden.
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Da
die Lippen zum Vibrieren in Reaktion auf einen Luftstrom durch den
Durchlass 16 ausgebildet sind, werden die Lippen auf natürliche Weise
zum Ausgeben von Tönen
aktiviert, und es sind keine separaten Energiequellen zum Antreiben
der Lippen erforderlich.
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Da
die Lippen 17, 18 während des Vibrierens wiederholt
aneinander stoßen,
bilden die Lippen 17, 18 jeweils einen Anschlag,
gegen welchen andere Lippe 18, 17 während des
Vibrierens wiederholt schlägt.
Das resultierende Vibrationsmuster weicht daher von einem sinusförmigen Vibrationsmuster
ab und bildet einen zusammengesetzten Ton, der aus einer sinusförmigen Grundfrequenz
und höheren
sinusförmigen
Frequenzen aufgebaut ist. Diese höheren Frequenzen sind wichtig,
da sie selektiv in den Hohlräumen
der Kehle, der Nase und des Mundes entsprechend unterschiedlichen
Mustern verstärkt werden
können,
um so verschiedene Töne
zu erzeugen.
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Die
Lippen formen jeweils ein Vibrationselement, das von einer im wesentlichen
unbeweglichen Verbindung mit den Gehäuse 15 in der Durchlass 16 ragt,
wobei der Anschlag in Form der anderen Lippe einem Bereich des Vibrationselements
gegenüberliegend
angeordnet ist, welcher von dieser unbeweglichen Verbindung beabstandet
ist. Grundsätzlich
ist es ebenfalls möglich,
ein derartiges Vibrationsmuster unter Verwendung einer einzelnen
Lippe zu erzeugen, welche gegen einen feststehenden Anschlag vibriert.
Durch die Verwendung zweier Lippen, die jeweils als Anschlag für die andere
Lippe dienen, wird jedoch ein starker Ton mit einem natürlichen
Klang auf einfache Weise mit einer bestimmten Grundfrequenz und
Luftverdrängung
erhalten.
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Da
die als Anschläge
wirkenden Bereiche 20, 21 der Lippen 17, 18 jeweils
einem Bereich 21, 20 der anderen Lippe 18, 17 gegenüber liegen,
der sich nahe einem freien Ende der anderen Lippe 18, 17 befindet,
wird die Bewegung der Vibrationslippen 17, 18 in
jedem Zyklus sehr abrupt angehalten. Dies ist zur Erzeugung von
Tönen mit
einer leichten Verringerung der Stärke der Obertöne, d.h.
von Tönen,
deren Obertöne
eine große
Stärke
haben, vorteilhaft.
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Zu
diesem Zweck ist es ferner vorteilhaft, dass das Vibrationselement
im Ruhezustand an dem Anschlag anliegt und insbesondere unter Vorspannung
an dem Anschlag anliegt.
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Für eine gute
Verständlichkeit
einer Stimme ist es vorteilhaft, wenn die Prothese Luftimpulse erzeugt,
deren Frequenzspektrum eine Grundfrequenz mit Obertönen aufweist,
wobei die Abnahme der Stärke
der Obertöne
maximal 18 dB/Oktave und vorzugsweise höchstens 12 dB/Oktave beträgt. In diesem
Zusammenhang ist es wichtig, dass zumindest die zweite oder die
erste Ableitung des Luftimpulssignals in jeder Periode eine Diskontinuität aufweist.
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Eine
sehr gute Nachahmung einer natürlichen
Stimme wird erreicht, wenn die Prothese so ausgebildet ist, dass
sie Verschiebungen durchführt, deren
erste Ableitung Diskontinuitäten
aufweist. Vibrationen werden dann mit einem Frequenzspektrum von
Sinuswellen erzeugt, welche aus einer Grundfrequenz und über dieser
liegenden Frequenzen zusammengesetzt sind, deren Stärke um 10–14 dB/Oktave
und vorzugsweise ungefähr
12 dB/Oktave geringer ist. Die Tatsache, dass eine derartige Toncharakteristik
für die
Verständlichkeit
von synthetischer oder resynthetisierter Sprache vorteilhaft ist,
ist per se aus einer Veröffentlichung
mit dem Titel Effect of Glottal Pulse Shape an the Quality of Natural
Vowels; A.E. Rosenberg in The Journal of the Accoustical Society of
America; Vol. 49, Nr. 2, 1971, bekannt.
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Wie
am besten in der 3 dargestellt, weist die Prothese 14 Durchlässe 22, 23 entlang
den Lippen 17, 18 auf, um in jeder Position der
Lippen 17, 18 Luft entlang den Lippen 17, 18 durchzulassen.
Der ausreichende seitliche Freiraum, welchen die Durchlässe 22, 23 zwischen
den Lippen 17, 18 und der Wand des Durchlasses 16 bilden,
hindert die Lippen 17, 18 daran, an der Wand des
Durchlasses 16 zu haften. In der Figur ist dieser Durchlass 16 mit
rundem Querschnitt dargestellt, jedoch kann er auch eine andere
Querschnittsform haben.