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Der Einsatz der Stimme ist für den Menschen ein wesentliches Hilfsmittel, um zwischenmenschliche Kommunikation zu ermöglichen. Liegen Störungen im Stimmapparat vor, sind die betroffenen Personen in ihrer sozialen Funktion begrenzt. Zur Verbesserung können verschiedene Übungen eingesetzt werden, beispielsweise zu Lockerung der Muskulatur, die an der Stimmgebung beteiligt sind oder Atemübungen. Gerade bei Sprechberufen wie Lehrer/innen wird die Prävalenz von Stimmproblemen bis zu 30 % angegeben. Hierbei kann es zu längeren Ausfällen, aber auch zum frühzeitigen Eintritt in den Ruhestand gehen. Zudem unterstützt eine tragfähige Stimme die Effizienz im Unterricht, aber auch der zwischenmenschlichen Kommunikation. Ein gezieltes Training der Unterstützung der Stimme, aber auch durch beim Spiel von Blasinstrumenten durch Einbezug des subglottalen Raums erfordert einerseits Fachkräfte und andererseits längeres Training.
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Dabei ist entscheidend, dass der Luftstrom durch die Glottis, der sog. Glottal-Flow, die Luftsäule im Vokaltrakt anregt. Die Form dieses Luftpulses kann Frequenzanteile von subglottalen Resonanzen enthalten ((Inverse Vocal Tract Adjustment: Spectral Dependence and MRI Data 2020; Hoyer et al. 2022).
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Auch das Spiel von Musikinstrumenten ist eine wichtige zwischenmenschliche Interaktion. Besondere Nähe zur menschlichen Stimme haben Blasinstrumente. Hier ist sinngemäß die oben beschriebene Glottis am Ort eines Mundstücks, entweder durch ein Rohr, ein Rohrblatt oder durch schwingende Lippen bzw. eine spezifische Aufteilung der Luft. Auch hier werden Schwingungen von dem Mundstück einerseits in Richtung des Blasinstruments gelenkt, andererseits aber auch durch den Vokaltrakt und den subglottalen Raum unterstützt.
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Die technische Herausforderung in beiden Fällen liegt in der Unzugänglichkeit der Röhrensystems. Lehrer behelfen sich i.A. dadurch, dass Vorstellungen und Bilder induziert werden.
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Die Anwendungsgebiete bezieht sich daher auf die Bereich Medizintechnik, hier insbesondere die Phoniatrie und Logopädie. Dabei ist auch eine Unterstützung der Rehabilitation von Patienten denkbar, die Behandlung von Stimmproblemen von Sprechberuflern, die Therapie von Stimmstörungen sowie der Musikunterricht insbesondere von Sängern und Bläsern.
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Stand der Technik: Messungen von akustisch induzierten Schwingungen werden i.A. außerhalb des Körpers durchgeführt, entweder durch Mikrofone oder durch Drucksensoren auf der Haut. Gleichfalls sind Messungen von durch die Stimme induzierten Vibrationen, beispielsweise im Gesichtsbereich auf der Haut bekannt (Chen et al. 2014). In anderen Arbeiten wurde ein Shaker am Ort des Kehlkopfes verwendet (PHAM THl NGOC und BADIN 1994). Eine Anregung von Vokaltraktschwingungen durch einen Shaker, befestigt am Mund wurde zur Analyse von Vokaltraktresonanzen verwendet. Hierzu können Lautsprecher oder Buzzer eingesetzt werden, die entweder ein breitbandiges Signal abstrahlen oder einen Sinus-Sweep erzeugen. Eine Messung kann durch Anregung des Vokaltrakts vom Mund aus erfolgen (Dickens et al. 2007).
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Subglottale Resonanzen sind seit längerem bekannt (Fant G. and Ishizaka et al. 1972). Sublgottale Resonanzen als mögliche Quelle für stimmliche Resonanzen erwogen. Eine Aktivierung von subglottalen Resonanzen im Verbund mit Resonanzen des Vokaltrakts ausgehend vom Mund wurde analysiert (
Noel Hanna, John Smith and Joe Wolfe 2018; Hoyer et al. 2022) und die Nutzung im Bereich der Stimmbildung vorab patentrechtlich abgesichert (
DE 10 2017 000 570 B3 2018.07.05 und
DE 10 2018 000 554 A1 2018.09.13).
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Unterstützende Geräte wie „Acapella Choice“ werden verwendet, um Impulse in den Mundraum bis zum sublottalen Bereich zu senden. Positive Effekte dieses Trainingsgeräts für die Stimmbildung werden derzeit untersucht (Andrade et al. 2022). Zudem werden Rohre als sog. Tube Phonation, also Stimmgebung durch Rühren entweder mit der freien Öffnung in einen Wasserbehälter oder in die freie Luft zur Stärkung der Stimmmuskulatur und zur Anpassung der Schwingung von Stimmlippen an das Röhrensystem genannt (Lax Vox).
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Niederfrequente Schwingungen bis ca. 50 Hz durch den Mund eingebracht werden zur Messung der Lungeneigenschaften verwendet (Forced Oscillation technique).
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Durch Messungen um den Brustkorb kann die elektrische Impedanztomographie Hinweise zur Veränderung des Lungenvolumens sowie von Vitalparametern beitragen.
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Diskussion des Stands der Technik und Aufgabe der Erfindung
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Bisher werden Vokaltrakt- und subglottale Resonanzen vom Mund her oder von den schwingenden Stimmlippen während der Stimmgebung bzw. durch ein einen externen Schwingmechanismus wie ein Kazoo, ein Blechblasinstrument oder ein schwingendes Rohr wie bei Klarinetten angeregt. Die Anregung von subglottalen Resonanzen vom Körper aus zur Verbesserung des Stimmklangs bzw. des Klanges von Blasinstrumenten wurde nicht beschrieben.
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Hintergrund der Erfindung ist die Entdeckung, dass eine Einbettung der Stimmlippenschwingungen bzw. der Klangerzeugung von Blasinstrumenten in resonanten Systeme auch aus dem Brustbereich erreicht werden kann. Durch eine resonante Kopplung erfolgt die Schwingung leichter und tragfähiger. Ein Gerät zur Verstärkung von subglottalen Resonanzen zur Stimmbildung bzw. zur Unterstützung des Lernerfolgs bei Gesang oder dem Spiel von Blasinstrumenten wurde bisher nicht beschrieben. Auch der Einsatz von anderen Geräten zur Verstärkung von subglottalen Frequenzen für die Stimmbildung ist nicht bekannt.
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Das Training zur nachhaltigen Verbesserung der Stimmeigenschaften bzw. zur Einstellung von Resonanzen für das Spiel von Blasinstrumenten braucht i.A. Monate bis Jahre und erfordert eine kontinuierliche Begleitung durch Fachkräfte (Logopäden, Phoniaktiker, Musiklehrer, etc). Die Kopplung der Stimmfunktion an den subglottalen Raum wir verstärkt. Die Wahrnehmung zu einem durchgehenden Fluss durch die Stimmlippen bzw. durch das Mundstück kann durch das Training mit dem Gerät bzw. dem Verfahren verkürzt werden.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich zudem durch Verbindung des Geräts bzw. des Verfahrens mit den Patentanmeldungen
DE 10 2017 000 570 B3 2018.07.05 und
DE 10 2018 000 554 A1 2018.09.13. Die Kombination der Einstellung von Resonanzen des Vokaltrakts und die Unterstützung durch den subglottalen Raum stellt eine besonders effektive Methode bei der Phoniatrie, der Stimmbildung bzw. Unterstützung beim Spiel von Blasinstrumenten dar.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Resonanzen des subglottalen Bereichs werden breitbandig durch einen Shaker / Exciter / Bodyshaker / Körperschallwandler bzw. durch mechanische Oberflächenanregung (im Nachfolgenden Shaker) über die Haut zum Röhrensystem bestehend aus Bronchien, Trachea und Vokaltrakt aktiviert. Shaker sind aktiv schwingungsfähige Elemente, die auf eine Oberfläche aufgebracht werden und damit beispielsweise eine Tischplatte in Schwingung versetzen, so dass sie als Lautsprecher wirken, aber auch an Sitzen in Kinos angebracht werden, um ein gesamtheitliches Erlebnis im Kino durch gerade niederfrequente akustische Schwingungen und deren Wahrnehmung im Körper zu ermöglichen.
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Der Shaker wird so angebracht, dass er die Luftsäule im subglottalen Bereich anregen kann. Dies ist beispielsweise durch eine Fixierung auf dem Brustbein möglich. Optional kann die Abstrahlung des Shakers nach außen durch eine akustische Isolation zu vermindern und damit die Wirkung nur durch die Schwingung der Stimmlippen bzw. durch das Musikinstrument besonders deutlich werden zu lassen.
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Die Anregung erfolgt beispielsweise über ein deterministisches Rauschen, bei dem verschiedene Frequenzen angeregt werden. Hierbei gibt es grundsätzlich zwei Ansätze. Im einen Anwendungsfall wird breitbandig angeregt, so dass jede Resonanzfrequenz des subglottalen Raums, gleich ob mit geschlossener oder geöffneter Glottis, angeregt werden kann. Die Verstärkung und Abschwächung erfolgen damit vor allem über die Resonanzen des angeregten Raumes. Im anderen Fall können zunächst die subglottalen Frequenzen ermittelt bzw. über einen Standardsatz die Anregungen an die subglottalen Resonanzfrequenzen bzw. die Resonanzfrequenzen der gesamten Luftsäule bei geöffneter Glottis eingestellt werden.
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Die Wellenform der Anregung kann unterschiedliche Formen haben. So können Sinustöne auf spezifische subglottale Frequenzen eingebracht werden. Ein deterministisches Rauschen ermöglicht eine breitbandige Anregung. Vorteilhaft ist die Abstimmung der Phasenlage der Anregungsfrequenzen untereinander auf die subglottalen Resonanzen. Gleichfalls möglich ist ein stochastisches Rauschen als Anregungssignal. In allen Fällen können Frequenzbereiche zur Anregung hervorgehoben werden. Wenn beispielsweise vor allem die höheren Resonanzebereiche aktiviert werden sollen, so ist eine Anhebung des Anregungssignal im Bereich oberhalb 1 KHz bis 6 KHz vorteilhaft. Die Anhebung kann sich auf die Lage der subglottalen Resonanzen beziehen, auf die Vokaltraktresonanzen abgestimmt sein oder linear erfolgen.
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Der Shaker sollte vorzugsweise so platziert werden, dass er die Trachea gut durch das Gewebe hindurch anregen kann. Dies kann unterhalb des Kehlkopfes erfolgen, aber auch durch Kopplung an den Brustkorb bzw. durch Kontakt mit der Haut an den entsprechenden Stellen, die im Einzugsbereich der Trachea und der Bronchien sind. Dies ist beispielsweise im Bereich des Brustkorbs, des Brustbeins oder unterhalb des Brustkorbs gegeben.
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Durch die Aufnahme dieses Oberflächenmikrofons bei Phonation ist eine Bestimmung von subglottalen Resonanzfrequenzen möglich, beispielsweise durch die Analyse der Intensität der einzelnen Harmonischen oder durch die gemessene Verstärkung verschiedener Frequenzbereich bei einem gesungenen Glissando. Unter Verwendung des Röhrenmodells kann die Lage höherfrequente Resonanzen abgeschätzt werden. Dieser Aspekt kann auch bei der erfindungsmäßigen Unterstützung beim Spiel Blasinstrumenten erfolgen.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Beispiel für die Ausführung für die Verbesserung des Stimmklangs ist in 1 zu sehen. Durch den Shaker werden die subglottalen Resonanzen angeregt, die Luftsäule schwingt entsprechend ihrer Eigenfrequenzen, d.h. Bereiche, bei denen Resonanzen auftreten, werden verstärkt zur Schwingung angeregt, während die Schwingungen in Frequenzbereichen, in denen Antiresonanzen vorkommen, überproportional gedämpft werden. Diese Resonanzschwingungen können über den glottal flow oder durch eine Beeinflussung der Stimmlippenschwingungen verstärkt zur Anregung des Vokaltrakt beitragen. Eine Einstellung des Kehlkopfes/der Stimmlippen bzw. des Vokaltrakts inklusive des direkten subglottalen Raums und der Atemmuskulatur ermöglicht eine durchgehende Schwingung der gesamten Luftsäule mit hörbarem Resultat. Dies ist durch die Nutzenden zumeist spürbar und verbessert die Effizienz der Stimmgebung. Es wird der Energiefluss durch die Stimmlippen erleichtert und die Belastung der Stimmlippen verringert. Durch entsprechende Sensibilisierung und Training können so die Stimmlippen freier schwingen, es wird weniger Kraft für die Stimmgebung eingesetzt, der Stimmklang wird angenehmer.
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Der Nutzende trainiert, die Frequenzen aus dem subglottalen Raum zu verstärken bzw. die Durchlässigkeit durch die Stimmlippen für diese Frequenzen während der Phonation zu verstärken. Hierzu können auch spezifische Resonanzfrequenzen des subglottalen Raums angesteuert werden.
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Der Frequenzbereich des Shakers liegt vorteilhaft oberhalb von 200 Hz. Besonders wirksam ist die Anregung in einer Höhe von Frequenzbereichen des sog. Sängerformanten, d.h. von ca. 2,5 Hz bis 3,5 kHz. Aber auch darüber können Energiebänder durch subglottale Resonanzen unterstützt werden, die die Schwingungseigenschaften der Stimmlippen und/oder die Form der Luftpulse zur Anregung der Vokaltraktresonanzen beeinflussen.
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Die Stärke der Einbringung kann variiert werden. So ist ein Training hin von mehr Unterstützung durch angeregte subglottale Resonanzen bis hin zu weniger Anregungsunterstützt stufenfrei wählbar. Es können aber auch spezifische Stärken vorgewählt werden, die das Training unterstützen. Hierzu können Daten aus der Literatur zu subglottalen Resonanzen verwendet werden, oder die subglottalen Resonanzen werden - beispielsweise über ein Oberflächenmikrofon unterhalb des Kehlkopfes (z.B. in der sog. Drosselgrube) - individuell bestimmt.
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Zudem wird durch die Nutzung des Geräts bzw. des Verfahrens wird ein sog. Pressen der Stimmlippen, eine der häufigen Stimmstörungen, deutlich reduziert.
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Ein Mikrofon kann den Trainingserfolg dokumentieren und ermöglicht einen Vergleich der Stimme bzw. des Klangs von Musikinstrumenten vor- während und nach der Anwendung.
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Der Shaker wird elektronisch angesteuert und kann verschiedene, auch individuell angepasste Frequenzen, Anregungsfunktionen und Intensitäten einbringen. Dabei ist eine Verwendung eines Displays möglich, über das auch eine Menüsteuerung bzw. ein Trainingsablauf visualisiert bzw. textlich vorgegeben werden kann. Dieses Gerät kann über einen Lautsprecher verfügen, der Anweisungen oder Auswertungen als akustische Information ausgibt.
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Der Shaker wird über eine flexible Vorrichtung auf der Haut oder einer dünnen Kleidung angebracht. Bei dickeren Schichten Kleidung sollte die Einkopplung auch von höheren Frequenzbereichen oberhalb 1000 Hz noch gut möglich sein, d.h. die Dämpfung durch Stoff bis zur Haut sollte bei 1000 Hz möglichst unter 30 dB liegen.
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Ein Übungsverfahren kann folgenden Ablauf haben:
- 1) Anbringen des Gerätes in Kopplung an den subglottalen Raum, z.B. über das Brustbein.
- 2) Text sprechen, Einsingen, Stimmübungen, Aufnahme des Stimmklangs
- 3) Einschalten des Geräts und Wahl eines Übungsprogramms inkl. festgelegter Frequenzen und Intensitäten
- 4) Verschiedene Sprachsignale werden zum Nachsprechen eingebracht
- 5) Der Proband/Patient/Patientin versucht, die Sprachvorgaben bzw. stimmliche Vorgaben nachzuahmen
- 6) Das Mikrofon zeichnet die stimmlichen Signale auf.
- 7) Das Programm erfasst die Frequenzlage der sublottalen Resonanzen aus der Veränderung des Stimmsignals bei breitbandiger Anregung durch den Shaker.
- 8) Eine Auswertung des akustischen Resultats zeigt Einstellungen an, bei denen eine Kopplung mit dem subglottalen Raum nachweisbar ist. Dieses Feedback wird an den nutzenden gegeben.
- 9) Eine spezifische Ansteuerung von einzelnen subglottalen Resonanzen kann über das Steuerprogramm ausgewählt werden. Diese können spezifisch einzeln oder kombiniert in Gruppen durch den Buzzer eingebracht werden. Bei wiederholter Nutzung können Frequenzlagen/Bänder gespeichert werden.
- 10) Nach Abschalten des Shakers können die Aufnahmen aus 2) wiederholt werden. Die Software vergleicht beide Aufnahmen. Der Trainingseffekt wird bewertet und dokumentiert. Eine Rückmeldung an einen Stimmtrainer kann gleichfalls online nach Freigabe und Einführung von entsprechenden IT-Sicherheitsfunktionen erfolgen. Die Aufnahmen vorher/nachher können nacheinander abgespielt werden, oder aber Auswertungen wie der Hammarberg-Index oder andere elektronisch erfassbare Stimmparameter (z.B. Verhältnis von Harmonischen im Stimmklang) können abgerufen werden.
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Literaturverzeichnis
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Hoyer, P.; Riedler, M.; Unterhofer, C.; Graf, S. (2022): Vocal Tract and Subglottal Impedance in High Performance Singing: A Case Study. In: J Voice. DOI: 10.1016/j.jvoice.2022.01.015.
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Noel Hanna, John Smith and Joe Wolfe (2018): How the acoustic resonances of the subglottal tract affect the impedance spectrum measured through the lips. In: Acoustical Society of America, S. 2639-2650. PHAM THI NGOC, Y.; BADIN, P. (1994): Vocal tract acoustic transfer function measurements : further developments and applications. In: J. Phys. IV France04 (C5), C5-549-C5-552. DOl: 10.1051/jp4:19945118.
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Patentliteratur:
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2017 000 570 B3 [0007, 0014, 0035]
- DE 10 2018 000 554 A1 [0007, 0014, 0035]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Chen, Fei C.; Ma, Estella P-M; Yiu, Edwin M-L (2014): Facial bone vibration in resonant voice production. In: Journal of voice : official journal of the Voice Foundation 28 (5), S. 596-602. DOI: 10.1016/j.jvoice.2013.12.014 [0030]
- Dickens, Paul; Smith, John; Wolfe, Joe (2007): Improved precision in measurements of acoustic impedance spectra using resonance-free calibration loads and controlled error distribution. In: The Journal of the AcousticalSociety of America 121 (3), S. 1471-1481. DOI: 10.1121/1.2434764 [0031]
- Fant G. and Ishizaka; K.; -Lindqvist-Gauffin; J. and Sundberg; J. (1972): Subglottal formants. In: STL-QPSR 13 (1 [0032]
- Hoyer, P.; Riedler, M.; Unterhofer, C.; Graf, S. (2022): Vocal Tract and Subglottal Impedance in High Performance Singing: A Case Study. In: J Voice. DOI: 10.1016/j.jvoice.2022.01.015 [0033]
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- PHAM THI NGOC, Y.; BADIN, P. (1994): Vocal tract acoustic transfer function measurements : further developments and applications. In: J. Phys. IV France04 (C5), C5-549-C5-552. DOl: 10.1051/jp4:19945118 [0035]