Untersuchungswerkzeuge zur endoskopischen Evaluation des laryngealen Adduktionsreflexes

Research output: Thesis › Doctoral thesis

Authors

  • Jacob Friedemann Fast

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Details

Translated title of the contributionExamination tools for the endoscopic evaluation of the laryngeal adductor reflex
Original languageGerman
QualificationDoctor of Engineering
Awarding Institution
Supervised by
  • Tobias Ortmaier, Supervisor
Date of Award25 Apr 2023
Place of PublicationHannover
Publication statusPublished - 2023

Abstract

Several reflexive mechanisms in the human larynx protect the deeper respiratory tract from the intrusion of foreign particles, the so-called aspiration. The laryngeal adductor reflex (LAR), which leads to a rapid closure of the glottis, is one of these mechanisms. In consequence, disturbances of the LAR can lead to aspiration – a risk factor for potentially fatal pneumonia. Therefore, a routine screening of the LAR is highly beneficial in cases where a pathological reflex phenotype is suspected. Current LAR evaluation approaches rely on invasive, user-dependent, and/or untargeted methods. Moreover, the reflex performance is currently mainly being assessed qualitatively. To mitigate these disadvantages, an alternative method has recently been developed and initially tested at Hannover Medical School. This method, referred to as Microdroplet Impulse Testing of the LAR (MIT-LAR), is based on impacting the laryngeal mucosa with a droplet. By using a high-speed laryngoscope, combined with a manual analysis of the recorded high-speed sequence showing the reflexive response, the LAR onset latency could be measured at a high temporal resolution. Although the MIT-LAR system represents a technological progress with respect to prior methods, it still offers further potential for development regarding the reproducibility of LAR stimulation and the objectivity of LAR evaluation. Both droplet-based LAR stimulation and optical LAR analysis are in the focus of the present, interdisciplinary work: A novel droplet applicator module enables stabilization of droplet formation and droplet muzzle energy control. A histological analysis of the droplet’s lesion potential on porcine larynges does not yield any sign of tissue damage. Two stereoscopic high-speed laryngoscopes are designed and set up. In combination with the droplet applicator and an algorithm for the approximation of the droplet trajectory, this enables the prediction of the droplet impact site. The prediction error of both laryngoscopic systems is evaluated in a laboratory setting. A value of (0.9 0.6)mm is measured using a rod lens-based system; a fiber-based optics yields a value of (1.3 0.8)mm. Finally, a method for the automatic analysis of MIT-LAR sequences is developed and tested on a data set. This leads to the first computer-assisted measurement of the angular velocity of the vocal folds during the adduction phase of the human LAR. When complete/incomplete adduction is achieved, values of (891 516) ° s−1 and (421 221) ° s−1 are obtained, respectively. This constitutes an expansion of the state of medical knowledge.

Cite this

Untersuchungswerkzeuge zur endoskopischen Evaluation des laryngealen Adduktionsreflexes. / Fast, Jacob Friedemann.
Hannover, 2023. 193 p.

Research output: Thesis › Doctoral thesis

Fast, JF 2023, 'Untersuchungswerkzeuge zur endoskopischen Evaluation des laryngealen Adduktionsreflexes', Doctor of Engineering, Leibniz University Hannover, Hannover. https://doi.org/10.15488/13562
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@phdthesis{1909d408cdf74e2194eedcb3a6f786c6,
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abstract = "Der gesunde, menschliche Kehlkopf sch{\"u}tzt die tieferen Atemwege durch reflexhafte Mechanismen vor dem Eindringen von Partikeln, der sogenannten Aspiration. Einer dieser Mechanismen ist der laryngeale Adduktionsreflex (LAR), der eine rasche Zusammenf{\"u}hrung der Stimmlippen bewirkt. St{\"o}rungen des LAR k{\"o}nnen zu einer erh{\"o}hten Aspirationswahrscheinlichkeit f{\"u}hren – ein Risikofaktor f{\"u}r eine potentiell lebensbedrohliche Lungenentz{\"u}ndung. Ein Routinescreening des LAR bei Verdacht auf einen pathologischen Reflexablauf ist daher medizinisch sinnvoll. Bisherige LAR-Evaluationsverfahren beruhen jedoch auf invasiven, nutzerabh{\"a}ngigen und/oder ungezielten Methoden. Die Reflexperformance wird bislang zudem haupts{\"a}chlich qualitativ bewertet. Zur Reduktion der genannten Nachteile wurde an der Medizinischen Hochschule Hannover ein alternatives Verfahren entwickelt und initial erprobt. Dieser Microdroplet Impulse Testing of the LAR (MIT-LAR) genannte Ansatz beruht auf dem Beschuss der Larynxschleimhaut mit einem Tr{\"o}pfchen. Durch Nutzung eines Hochgeschwindigkeitslaryngoskopsystems und manuelle Auswertung der gewonnenen Bildsequenzen konnte die LAR-Latenz bei Testpersonen mit hoher zeitlicher Aufl{\"o}sung gemessen werden. Obgleich dieses MIT-LAR-System einen Fortschritt gegen{\"u}ber vorherigen Verfahren darstellt, weist es hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der LAR-Ausl{\"o}sung sowie hinsichtlich der Objektivit{\"a}t der optischen LAR-Analyse weiteres Optimierungspotential auf. Sowohl die tropfenvermittelte Stimulation als auch die optische Analyse des LAR werden in der vorliegenden, interdisziplin{\"a}ren Arbeit adressiert: Ein neuartiger Tropfenapplikator erm{\"o}glicht die Bildung eines stabilen Stimulationstr{\"o}pfchens mit variabler M{\"u}ndungsenergie. Eine histologische Analyse des L{\"a}sionspotentials an Schweinekehlk{\"o}pfen ergibt keinen Hinweis auf Gewebesch{\"a}den. Zwei stereoskopische Hochgeschwindigkeitslaryngoskope werden konzipiert und aufgebaut. In Kombination mit dem Tropfenapplikator und einem Algorithmus zur Approximation der Tropfenflugbahn erm{\"o}glichen diese die Vorhersage des Tropfenaufprallortes. Bei Verwendung eines stablinsen- bzw. bildleiterbasierten Systems werden im Labor Vorhersagefehler von (0,9 ± 0,6) mm bzw. (1,3 ± 0,8) mm gemessen. Abschlie{\ss}end wird ein Verfahren zur automatisierten Analyse von MIT-LAR-Sequenzen entwickelt und an einem Datensatz erprobt. Dies f{\"u}hrt zur erstmaligen, computergest{\"u}tzten Messung der Stimmlippen-Winkelgeschwindigkeit w{\"a}hrend der Adduktionsphase des menschlichen LAR. Im Fall einer vollst{\"a}ndigen bzw.~unvollst{\"a}ndigen Adduktion werden Werte von (891 ± 516) °/s bzw. (421 ± 221) °/s erhalten. Dies stellt eine Erweiterung des medizinischen Wissensstandes dar.",
author = "Fast, {Jacob Friedemann}",
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doi = "10.15488/13562",
language = "Deutsch",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",

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TY - BOOK

T1 - Untersuchungswerkzeuge zur endoskopischen Evaluation des laryngealen Adduktionsreflexes

AU - Fast, Jacob Friedemann

N1 - Dissertation

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Der gesunde, menschliche Kehlkopf schützt die tieferen Atemwege durch reflexhafte Mechanismen vor dem Eindringen von Partikeln, der sogenannten Aspiration. Einer dieser Mechanismen ist der laryngeale Adduktionsreflex (LAR), der eine rasche Zusammenführung der Stimmlippen bewirkt. Störungen des LAR können zu einer erhöhten Aspirationswahrscheinlichkeit führen – ein Risikofaktor für eine potentiell lebensbedrohliche Lungenentzündung. Ein Routinescreening des LAR bei Verdacht auf einen pathologischen Reflexablauf ist daher medizinisch sinnvoll. Bisherige LAR-Evaluationsverfahren beruhen jedoch auf invasiven, nutzerabhängigen und/oder ungezielten Methoden. Die Reflexperformance wird bislang zudem hauptsächlich qualitativ bewertet. Zur Reduktion der genannten Nachteile wurde an der Medizinischen Hochschule Hannover ein alternatives Verfahren entwickelt und initial erprobt. Dieser Microdroplet Impulse Testing of the LAR (MIT-LAR) genannte Ansatz beruht auf dem Beschuss der Larynxschleimhaut mit einem Tröpfchen. Durch Nutzung eines Hochgeschwindigkeitslaryngoskopsystems und manuelle Auswertung der gewonnenen Bildsequenzen konnte die LAR-Latenz bei Testpersonen mit hoher zeitlicher Auflösung gemessen werden. Obgleich dieses MIT-LAR-System einen Fortschritt gegenüber vorherigen Verfahren darstellt, weist es hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der LAR-Auslösung sowie hinsichtlich der Objektivität der optischen LAR-Analyse weiteres Optimierungspotential auf. Sowohl die tropfenvermittelte Stimulation als auch die optische Analyse des LAR werden in der vorliegenden, interdisziplinären Arbeit adressiert: Ein neuartiger Tropfenapplikator ermöglicht die Bildung eines stabilen Stimulationströpfchens mit variabler Mündungsenergie. Eine histologische Analyse des Läsionspotentials an Schweinekehlköpfen ergibt keinen Hinweis auf Gewebeschäden. Zwei stereoskopische Hochgeschwindigkeitslaryngoskope werden konzipiert und aufgebaut. In Kombination mit dem Tropfenapplikator und einem Algorithmus zur Approximation der Tropfenflugbahn ermöglichen diese die Vorhersage des Tropfenaufprallortes. Bei Verwendung eines stablinsen- bzw. bildleiterbasierten Systems werden im Labor Vorhersagefehler von (0,9 ± 0,6) mm bzw. (1,3 ± 0,8) mm gemessen. Abschließend wird ein Verfahren zur automatisierten Analyse von MIT-LAR-Sequenzen entwickelt und an einem Datensatz erprobt. Dies führt zur erstmaligen, computergestützten Messung der Stimmlippen-Winkelgeschwindigkeit während der Adduktionsphase des menschlichen LAR. Im Fall einer vollständigen bzw.~unvollständigen Adduktion werden Werte von (891 ± 516) °/s bzw. (421 ± 221) °/s erhalten. Dies stellt eine Erweiterung des medizinischen Wissensstandes dar.

AB - Der gesunde, menschliche Kehlkopf schützt die tieferen Atemwege durch reflexhafte Mechanismen vor dem Eindringen von Partikeln, der sogenannten Aspiration. Einer dieser Mechanismen ist der laryngeale Adduktionsreflex (LAR), der eine rasche Zusammenführung der Stimmlippen bewirkt. Störungen des LAR können zu einer erhöhten Aspirationswahrscheinlichkeit führen – ein Risikofaktor für eine potentiell lebensbedrohliche Lungenentzündung. Ein Routinescreening des LAR bei Verdacht auf einen pathologischen Reflexablauf ist daher medizinisch sinnvoll. Bisherige LAR-Evaluationsverfahren beruhen jedoch auf invasiven, nutzerabhängigen und/oder ungezielten Methoden. Die Reflexperformance wird bislang zudem hauptsächlich qualitativ bewertet. Zur Reduktion der genannten Nachteile wurde an der Medizinischen Hochschule Hannover ein alternatives Verfahren entwickelt und initial erprobt. Dieser Microdroplet Impulse Testing of the LAR (MIT-LAR) genannte Ansatz beruht auf dem Beschuss der Larynxschleimhaut mit einem Tröpfchen. Durch Nutzung eines Hochgeschwindigkeitslaryngoskopsystems und manuelle Auswertung der gewonnenen Bildsequenzen konnte die LAR-Latenz bei Testpersonen mit hoher zeitlicher Auflösung gemessen werden. Obgleich dieses MIT-LAR-System einen Fortschritt gegenüber vorherigen Verfahren darstellt, weist es hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der LAR-Auslösung sowie hinsichtlich der Objektivität der optischen LAR-Analyse weiteres Optimierungspotential auf. Sowohl die tropfenvermittelte Stimulation als auch die optische Analyse des LAR werden in der vorliegenden, interdisziplinären Arbeit adressiert: Ein neuartiger Tropfenapplikator ermöglicht die Bildung eines stabilen Stimulationströpfchens mit variabler Mündungsenergie. Eine histologische Analyse des Läsionspotentials an Schweinekehlköpfen ergibt keinen Hinweis auf Gewebeschäden. Zwei stereoskopische Hochgeschwindigkeitslaryngoskope werden konzipiert und aufgebaut. In Kombination mit dem Tropfenapplikator und einem Algorithmus zur Approximation der Tropfenflugbahn ermöglichen diese die Vorhersage des Tropfenaufprallortes. Bei Verwendung eines stablinsen- bzw. bildleiterbasierten Systems werden im Labor Vorhersagefehler von (0,9 ± 0,6) mm bzw. (1,3 ± 0,8) mm gemessen. Abschließend wird ein Verfahren zur automatisierten Analyse von MIT-LAR-Sequenzen entwickelt und an einem Datensatz erprobt. Dies führt zur erstmaligen, computergestützten Messung der Stimmlippen-Winkelgeschwindigkeit während der Adduktionsphase des menschlichen LAR. Im Fall einer vollständigen bzw.~unvollständigen Adduktion werden Werte von (891 ± 516) °/s bzw. (421 ± 221) °/s erhalten. Dies stellt eine Erweiterung des medizinischen Wissensstandes dar.

U2 - 10.15488/13562

DO - 10.15488/13562

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -