ArchivDeutsches Ärzteblatt51-52/2007Diagnostik bei unklarer Heiserkeit – Bildgebung von Stimmlippenschwingungen

MEDIZIN: Übersichtsarbeit

Diagnostik bei unklarer Heiserkeit – Bildgebung von Stimmlippenschwingungen

Diagnosis of Hoarseness of Unclear Origin with Imaging of Vocal Fold Vibrations

Dtsch Arztebl 2007; 104(51-52): A-3556 / B-3135 / C-3027

Eysholdt, Ulrich; Lohscheller, Jörg

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LNSLNS Zusammenfassung
Einleitung: Stimmstörungen (Heiserkeit) entstehen durch unregelmäßige Schwingungen der Stimmlippen und ein gestörtes Verhältnis zwischen exspiratorischem Druck und laryngealem Muskeltonus, gegebenenfalls mit erhöhtem Luftverbrauch beim Sprechen. Irreguläre Stimmlippenschwingungen können nur mit apparativer Aufnahmetechnik untersucht werden, die unter dem Sammelbegriff Glottografie zusammengefasst wird. Methoden: Selektive Literaturübersicht. Ergebnisse: Momentan werden 5 Verfahren der Glottografie klinisch genutzt. Die Elektroglottografie misst in Echtzeit die Änderung der Kontaktfläche der Stimmlippen während der Phonation. Die Stroboskopie
ermöglicht mithilfe sehr kurzer Lichtblitze qualitativ hochwertige Videoaufnahmen. Bei der Videokymografie wird eine Linie transversal zu den schwingenden Stimmlippen aufgenommen, anterior-posteriore Bewegungen können nicht abgebildet werden. Die Hochgeschwindigkeits-Glottografie erfasst die gesamte Larynx-Morphologie und alle Dimensionen der Schwingungen in Echtzeit. Die Phonovibrografie basiert auf einer computergesteuerten Bildanalyse digitaler Hochgeschwindigkeitsaufnahmen. Diskussion: Glottografie-Verfahren werden genutzt, um Stimmlippenschwingungen und -unregelmäßigkeiten zu visualisieren. Besonders das Phonovibrogramm könnte sich als vielversprechendes klinisch sinnvolles und robustes Verfahren für den Nachweis von irregulären Stimmlippenschwingungen herausstellen.
Dtsch Arztebl 2007; 104(5152): A 3556–61
Schlüsselwörter: Heiserkeit, Diagnosestellung, Stimmlippenschwingung, Glottografie, Stroboskopie
Summary
Diagnosis of Hoarseness of Unclear Origin with Imaging of Vocal Fold Vibrations
Introduction: Irregular vocal fold vibrations usually lead to voice signal disturbances and a dysregulation of expiratory pressure and laryngeal muscle tone resulting in roughness and/or hoarseness. Talking can be associated with an increased demand for air. Irregular vocal fold vibrations can be determined by recording techniques known as glottography. Methods: Selective literature review. Results: Currently, 5 glottographic methods are used clinically. Electroglottography is a real time measure of the vocal fold contact area during phonation. Stroboscopy produces high-quality video recordings under flashlight illumination. Videokymography records an image corresponding to only one transversal line across the vibrating vocal folds and cannot resolve anterior-posterior vibration modes. High-speed video recordings can depict the complete laryngeal morphology as well as all dimensions of the vibration in real time. Phonovibrography is based on computerized image analysis of digital high-speed video recordings. Discussion: Glottographic procedures are used to visualize vocal
fold vibrations and vibration irregularities. The phonovibrogram is particularly promising as a clinically useful tool to allow accurate classification of irregular vocal fold vibrations. Dtsch Arztebl 2007; 104(5152): A 3556–61
Key words: hoarseness, diagnosis, vocal fold vibration, glottography, stroboscopy

Erkrankungen mit Störungen der Kommunikationsfähigkeit nehmen weltweit zu. Sie beeinträchtigen die Betroffenen erheblich und führen zu gravierenden sozioökonomischen Konsequenzen. In den USA werden hierfür jährlich 2,5 bis 3 % des Bruttosozialprodukts aufgewendet (1). Allein die Prävalenz der Stimmstörungen wird mit 3 bis 9 %, bei älteren Menschen sogar mit 12 bis 35 % angegeben (2). Im Interesse einer kausalen und effektiven Therapie sind weitere Verbesserungen der Diagnostik unerlässlich. In diesem Beitrag soll auf der Basis einer selektiven Literaturübersicht unter den zahlreichen bei der Stimmerzeugung wirksamen biologischen, psychologischen und soziokulturellen Faktoren die Untersuchung des Kehlkopfs als Generator des primären Stimmschalls näher betrachtet werden.
Stimmerzeugung
Die schwingenden Stimmlippen im Kehlkopf sind die Schallquelle, deren Signal von Vokaltrakt und Artikulationsorganen gefiltert und von der Mundöffnung abgestrahlt wird (3, 4, 5). Die Stimmritze zwischen den beweglichen Stimmlippen, die Rima glottidis, oft kurz „Glottis“ genannt, ist der Übergang zwischen oberen und unteren Luftwegen und gleichzeitig als Engstelle ein Widerstand für die durchströmende Atemluft (Grafik 1). Während der In- und Exspiration ist die Glottis mit abduzierten Stimmlippen weit offen und lässt die Atemluft mit nur geringem Widerstand passieren. Zur Phonation werden die Stimmlippen adduziert. Dadurch wird der Exspirationsluft ein erhöhter Widerstand entgegengesetzt und in der Trachea ein subglottischer Druck aufgebaut. Muskuläre Spannung der Stimmlippen und subglottischer Druck stehen in einem dynamischen Gleichgewicht, das die elastischen Stimmlippen zu Schwingungen anregt. Die Oberfläche der Stimmlippen beschreibt dabei zeitabhängig periodische Bewegungen in 3 Raumachsen (6, 7, 8).
Je höher der laryngeale Muskeltonus, desto mehr muss der subglottische Druck gesteigert werden, um die Stimmlippenschwingung anzuregen. Eine gesunde Stimme hat reguläre, periodische und seitensymmetrische Schwingungen der Stimmlippen. Störungen der Regularität, Periodizität und/oder Symmetrie bewirken Heiserkeit.
Die Frequenz der schwingenden Stimmlippen in mittlerer Sprechtonlage ist alters- und geschlechtsabhängig und liegt zwischen 100 bis 140 Hz bei Männern, 200 bis 250 Hz bei Frauen und bis zu 400 Hz bei Kleinkindern. Weil diese Frequenzen mit bloßem Auge nicht beobachtet werden können, verwendet man zur Schwingungsanalyse technische Visualisierungshilfen, die in ihrer Gesamtheit als glottografische Verfahren bezeichnet werden. Heute sind 5 Verfahren von klinischer Bedeutung, die auf unterschiedlichen technischen Prinzipien beruhen (Tabelle 1).
Indikation
Zwar kann eine Glottografie als alleinige Methode keine Diagnose liefern (9), aber sie bildet eine wichtige therapeutische Entscheidungsgrundlage. Ob eine laryngeale Epitheldysplasie malignitätsverdächtig ist, kann glottografisch untersucht werden. Ob ein heiserer Patient medikamentös, konservativ übend, operativ oder psychotherapeutisch behandelt werden sollte, wird durch Glottografie entschieden. Glottografie dient der Indikationsstellung, Operationsplanung und Erfolgskontrolle stimmverbessernder Eingriffe, der sogenannten Phonochirurgie, und ist besonders erfolgreich bei Kehlkopflähmungen (Rekurrensparese). Bei funktioneller Dysphonie wird die Art der Übungstherapie glottografisch festgelegt. Deswegen wird heute bei praktisch jeder organischen und funktionellen Dysphonie eine Glottografie eingesetzt. Einige, aber nicht alle Glottografie-Verfahren erlauben neben der Kategorisierung der Stimlippenschwingungen eine morphologische Beurteilung des Endolarynx.
Elektroglottografie
Methode
Bei der Elektroglottografie (EGG, synonym: Laryngografie) werden 2 Oberflächenelektroden mit Kontaktgel präpariert und rechts und links über den beiden ebenen Schildknorpelplatten auf die Halshaut geklebt (10, 11). Der Patient wird aufgefordert, einen Ton zu singen und mindestens 3 s auszuhalten. Zwischen den Elektroden fließt ein schwacher Hochfrequenz-Wechselstrom durch die Glottisregion, der mit hoher Zeitauflösung die sich ständig ändernde Kontaktfläche zwischen den Stimmlippen während der Phonation misst.
Bewertung
Aus der resultierenden EGG-Kurve können rechnergestützt neben der Stimmgrundfrequenz und ihrer Schwankung weitere etwa 20 Schwingungsparameter, das heißt Irregularitäts- und Rauschmaße, extrahiert werden.
Kritik
Grundfrequenz, Irregularitäts- und Rauschmaße können einfacher aus dem akustischen Stimmsignal bestimmt werden. Mit dieser Technik ist es nicht möglich, Seitenunterschiede zwischen linker und rechter Stimmlippe zu erfassen. Deswegen hat das EGG, trotz einfacher Erstellung und Auswertung, gegenüber den direkten optisch-endoskopischen Verfahren weitgehend an Bedeutung verloren.
Stroboskopie
Methode
Stroboskopie als direktes Verfahren beruht auf einem scheinbaren Zeitlupeneffekt (5, 6, 7, 9). Der Patient wird transoral über ein starres Lupenlaryngoskop oder transnasal flexibel endoskopiert und singt einen gehaltenen Ton. Die Stimmlippen werden periodisch mit einer Folge von sehr kurzen Lichtblitzen beleuchtet. Weicht die Blitzrate geringfügig von der Stimmgrundfrequenz ab, so trifft
die Blitzbeleuchtung die kontinuierlich schwingenden Stimmlippen immer in einer anderen, zeitlich benachbarten Phase. Der Beobachter nimmt die Bildfoge als eine gleichmäßige langsame Bewegung wahr und kann nicht erkennen, dass sie aus kurzen Segmenten verschiedener Perioden zusammengesetzt ist. Die Stroboskopie ist heute Untersuchungsstandard und lässt sich gut mit konventioneller Videoaufnahmetechnik verbinden, und zwar bei der Videostroboskopie mit einer Aufnahmerate von 25 Hz.

Bewertung
Bei einer Stroboskopie werden Amplituden, Randkantenverschiebungen, Symmetrie und Glottisschluss bewertet (7). Eine nachträgliche Beurteilung der Untersuchung ist bei Verwendung einer Videodokumentation möglich.

Kritik
Die weite Verbreitung der Stroboskopie beruht auf den einfach zu erstellenden Aufnahmen in sehr guter Qualität, die sich neben der diagnostischen Bewertung auch eignen, um dem Patienten Befund oder therapeutisches Vorgehen zu demonstrieren. Stroboskopie ist – obwohl technisch unzureichend – weltweit die Standarduntersuchung der phonatorischen Glottisfunktion und in Konsensus-Konferenzen akzeptiert (12). Die gute Bildqualität ist so suggestiv, dass die Einschränkungen der Stroboskopie oft übersehen werden: Die einzelnen Bilder der Zeitlupenbewegung entstammen verschiedenen Schwingungsperioden und lassen sich nicht korrekt quantitativ auswerten. Die Beurteilung und damit die diagnostische Qualität ist extrem von der Erfahrung des Untersuchers abhängig (9). Der Hauptnachteil und die methodischen Grenzen der Stroboskopie sind im physikalischen Prinzip begründet: Es ist nur für periodische Vorgänge gültig. Stroboskopie versagt umso mehr, je weniger regelmäßig die Schwingung der Stimmlippen verläuft.
Videokymografie
Methode
In Echtzeitauflösung mit bis zu 8 000 Bildern/s wird bei der Videokymografie (VKG, von kuµa „Welle“; 13) eine einzelne Linie transversal zu den schwingenden Stimmlippen aufgenommen (Grafik 2). Jede einzelne Linie zeigt die Stimmlippen hell und die dazwischen liegende Glottisöffnung dunkel. Die Linien werden in zeitlicher Abfolge zu einem Film aneinandergereiht, der die zeitabhängige Glottisbreite und damit gegebenenfalls auch Irregularitäten der Schwingung darstellt. Ein Einzelbild eines derartigen Films heißt Kymogramm.

Bewertung
Im Unterschied zur Stroboskopie können bei Echtzeitverfahren Parameter korrekt gemessen, nicht nur geschätzt werden. In der VKG werden so Auftreten, Art und Häufigkeit von Schwingungsirregularitäten, daneben Glottisschluss, Offenquotient sowie (in relativen Einheiten) Öffnungs- und Schließungsgeschwindigkeit ermittelt (14).

Kritik
Bei aller Sorgfalt lässt sich nicht vermeiden, dass während der Untersuchung Relativbewegungen zwischen Endoskopspitze und Kehlkopf auftreten. Ohne aufwendige technische Kompensation verschiebt sich die Kymogrammlinie im Kehlkopf. Diagnostisch von Nachteil ist die Beschränkung des eindimensionalen Liniensensors, weil anterior-posteriore (dorsoventrale) Schwingungsmodi der Stimmlippen nicht abzubilden sind.
Hochgeschwindigkeits-Glottografie
Methode
Eine Laryngoskopie wird über eine Videokamera mit digitalem Hochgeschwindigkeitssensor aufgenommen (Einzelbild Grafik 2 a). Wie bei der Stroboskopie wird der Patient aufgefordert, während der Untersuchung einen gehaltenen Ton zu singen. Stimmeinsatz und Einschwingvorgang als transiente, nicht periodische Vorgänge (16, 17) sowie die stationären Stimmlippenschwingungen im eingeschwungenen Zustand werden in Echtzeit aufgezeichnet (4 000 Bilder/sec). Die Bildfolge wird später verlangsamt mit 25 Bilder/sec, entsprechend einer Zeitdehnung von 1 : 160, abgespielt und beurteilt. Der Videofilm in Kombination mit einer halbautomatisiert erstellten
Bewegungskurve der Stimmlippen (15) heißt Hochgeschwindigkeits-Glottogramm (HGG). Er zeigt im Unterschied zur VKG das gesamte laryngoskopische Bild, bei Aufnahmegeräten der neuesten Generation sogar in Farbe.

Bewertung
Bei der nachträglichen Beurteilung des Aufnahmefilms sucht der Bewerter nach seitendifferenten, irregulären Schwingungen (18). Die Kategorisierung auf verschiedene Merkmale ist zeitaufwendig (19).

Kritik
Der Untersuchungsablauf bei der Echtzeitaufnahmetechnik entspricht einer konventionellen Laryngovideostroboskopie. Zusätzlicher Zeitbedarf entsteht durch die nachträgliche Bewertung des Films. Der derzeit noch hohe Preis des Aufnahmegeräts ist bereits heute auf ein Niveau von 10 % im Vergleich zu 1991 gefallen und dürfte weiter sinken. Obwohl eine HGG-Aufnahme alle diagnostischen Informationen über die Stimmlippenschwingung enthält, ist ihre Beurteilung schwierig: Ebenso wie bei der Stroboskopie erfordert es lange Übung, Bewegungsvorgänge mit ausreichender Reliabilität auch verschiedener Untersucher und Validität zu kategorisieren.
Phonovibrogramm
Methode
Das Phonovibrogramm (PVG) entsteht durch automatische Bildverarbeitung einer HGG-Aufnahme und fasst die Bewegungsinformation eines gesamten HGG-Films in einem einzigen Bild zusammen (18, 20, 26). Der Abstand vom Glottisrand zur Mitte wird in Farbwerte transformiert. Jedes Videobild wird so auf eine Linie von Farbpunkten reduziert. Die Farblinien der gesamten Aufnahmesequenz erzeugen aneinandergereiht ein neues Bild – das Phonovibrogramm – das für jede Stimmlippe getrennt ihre Bewegung in dorsoventraler und transversaler Richtung zeitabhängig darstellt (Grafik 3).

Bewertung
Das PVG setzt die zeitabhängigen Stimmlippenschwingungen in ein stehendes Bild um, aus der man die Besonderheiten der Bewegung einfacher erkennen kann als aus einem Film. Manche PVG-Merkmale gelten für jede Stimmlippe einzeln oder nach Seiten getrennt, zum Beispiel zur Überprüfung der Regularität, und andere ermöglichen den Vergleich beider Stimmlippen. Die Symmetrie der beidseitigen Schwingungen bezieht sich auf die Achse bei P (hintere Kommissur) und ist einfach zu erkennen (Grafik 4 a und 4 b). Auffällige Asymmetrie findet man in pathologischen Fällen (Grafik 4 c und 4 d). Das PVG ist ein Krankenblatt-taugliches Dokument des gesamten Schwingungsverlaufs, das durch Datenreduktion die gesamte Bewegungsinformation konzentriert und sich sehr zur unmittelbaren Therapiekontrolle eignet.

Kritik
Das PVG ist die modernste Methode der Glottografie und steckt noch in den Kinderschuhen. Wie bei jedem bildgebenden Verfahren braucht der Untersucher zur Interpretation eine Eingewöhnungsphase, die aber beim PVG wegen der intuitiven, einfachen Formen nur sehr kurz ist. Aufgrund der quantifizierbaren Beurteilungsmaße hat das PVG das Potenzial, in Kombination mit der HGG-Aufnahme die Stroboskopie abzulösen. Bestehende, durch internationalen Konsens abgestimmte Untersuchungsprogramme (12) berücksichtigen das PVG noch nicht.
Diskussion
Der Arzt vorwiegend von Befunden überzeugen, die er direkt sehen kann (25). Die anderen 4 Sinne treten demgegenüber in den Hintergrund. Da die menschliche Wahrnehmung für bewegte Prozesse viel weniger sensibel ist als für statische Erscheinungen, wie Form, Farbe oder Textur, ist es in der Medizin üblich, Zeitabhängigkeit in stehende Bilder umzusetzen, wie zum Beispiel bei EKG, EEG, Angiografie, Sonografie und Magenszintigrafie.
Von den zahlreichen glottografischen Verfahren wurden 5 exemplarisch vorgestellt. Für keine Methode existiert ein evidenzbasierter Effektivitätsnachweis – ähnlich wie andere Verfahren (21) werden sie dennoch erfolgreich eingesetzt, zum Teil seit Jahrzehnten. Eine Stroboskopie zusätzlich zur Laryngoskopie änderte in 28 % der Fälle die Diagnose (9). Vor jeder Phonochirurgie muss mindestens ein glottografisches Verfahren zur Diagnose erfolgen (22). Vor allem wegen ihrer Verbreitung ist die Stroboskopie trotz ihrer evidenten Einschränkungen heute Bestandteil vieler laryngologischer Leitlinien.
Als Folge einer Weiterentwicklung von Sensortechnik und rechnergestützter Bildverarbeitung ist die Glottografie einem technischen Wandel unterworfen. Das am weitesten verbreitete Verfahren, die Stroboskopie, steht im Begriff, von echtzeittauglichen Methoden abgelöst zu werden, von denen das Phonovibrogramm (PVG) als zweidimensionales Verfahren mit einer enormen Datenkompression das modernste ist. Die in rascher Folge anfallenden Datenmengen werden durch Bildverarbeitung für eine diagnostische Bewertung aufbereitet. Das Phonovibrogramm ist nicht auf eine periodische, „stationäre“ Phonation und damit einen ausgehaltenen Ton des Patienten beschränkt (16). Das PVG sollte nicht nur wegen seiner suggestiven grafischen Visualisierung genutzt werden (19). Mithilfe des PVG soll eine neue Klassifikation des Phänomens Heiserkeit entwickelt werden, die Stimmstörungen nicht nur quantifiziert, sondern auf der Grundlage der nichtlinearen Dynamik ein pathophysiologisches Verständnis für die Entstehung irregulärer Schwingungen liefert (24) und auch diagnostische und differenzialtherapeutische Bedeutung gewinnt. Die Arbeiten zu diesem Themenkreis sind noch nicht abgeschlossen.
Die eigenen Arbeiten wurden mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert (DFG Ey15/4–11).

Interessenkonflikt
Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt im Sinne der Richtlinien des International Committee of Medical Journal Editors besteht.

Manuskriptdaten
eingereicht: 20. 2. 2007; revidierte Fassung angenommen: 24. 9. 2007


Anschrift für die Verfasser
Prof. Dr. med. Dr. rer. nat. Ulrich Eysholdt
Abteilung Phoniatrie
Universitätsklinikum Erlangen
Bohlenplatz 21
91054 Erlangen
E-Mail: sdk@phoni.imed.uni-erlangen.de
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