A study on the role of muscle contraction on the self-sustained oscillations of the pharyngoesophageal segment in tracheoesophageal speech

Abstract

Apesar de todo o progresso sendo feito no tratamento do câncer de laringe, a remoção cirúrgica da laringe ainda se faz necessária em muitos casos. Os pacientes que passam por esta cirurgia perdem as pregas vocais e, consequentemente, a capacidade de fala. Para estes pacientes, a fala traqueoesofágica talvez seja o método mais vantajoso de reestabelecer a comunicação vocal. Contudo, nem todos são capazes de produzir a voz traqueoesofágica. Isto geralmente está associado ao nível de contração muscular (a tonicidade) do segmento faringoesofágico, que é a principal fonte sonora na fala traqueoesofágica. Embora os pontos básicos acerca da fisiologia da fala traqueoesofágica sejam conhecidos atualmente, existem áreas pouco exploradas e muitas perguntas ainda não foram respondidas, inclusive a respeito do papel da tonicidade do segmento faringoesofágico na produção da voz traqueoesofágica. Mais especificamente, a mecânica da auto-oscilação do segmento faringoesofágico recebeu pouca atenção na literatura. A presente tese busca contribuir para o preenchimento desta lacuna. Um modelo matemático da fonação traqueoesofágica é proposto com base em uma revisão do que se sabe atualmente sobre a anatomia do segmento faringoesofágico e sobre a fisiologia da fala traqueoesofágica. A despeito de sua simplicidade, o modelo é capaz de reproduzir diferentes formas do segmento faringoesofágico que são observadas em estudos de videofluoroscopia. A relação entre a tonicidade do segmento faringoesofágico e sua forma durante a fonação é descrita na literatura e esta relação é verificada com o modelo simplificado. Uma análise de estabilidade linear também foi conduzida para identificar a tonicidade mínima necessária para que ocorra a auto-oscilação do segmento faringoesofágico. Um modelo experimental da fonação traqueoesofágica também foi desenvolvido, fornecendo uma abordagem complementar ao modelo matemático. Com o modelo experimental, verificou-se que a frequência de oscilação aumenta com a tonicidade, mas mudanças na tensão longitudinal não levaram a alterações consideráveis na frequência. Isto levanta a questão de se o controle da frequência fundamental de fonação ocorre por meio de alterações de tonicidade. Tendências da tonicidade mínima necessária para auto-oscilação foram identificadas e comparações com o modelo matemático foram feitas.

Abstract: Despite the continuous progress being made in the treatment of laryngeal cancer, the complete surgical excision of the larynx remains necessary in many cases. Patients who undergo surgery will lose their vocal folds, and consequently their ability to speak. For these patients, tracheoesophageal speech might be the most advantageous method to reestablish vocal communication. However, not every patient is able to produce the so-called tracheoesophageal voice. This failure is usually associated with the amount of muscle contraction (tonicity) in the pharyngoesophageal segment, which is the main source of sound in tracheoesophageal speech. While the most basic aspects regarding the physiology of tracheoesophageal speech are currently known, some areas are still little explored and many questions remain, including on the role played by pharyngoesophageal segment tonicity on the tracheoesophageal voice. In particular, the mechanics of the self-sustained oscillations of the pharyngoesophageal segment has received very little attention. The present thesis aims to address this. A simplified mathematical model for tracheoesophageal phonation is proposed based on a review of the literature on the anatomy of the pharyngoesophageal segment and the physiology of tracheoesophageal speech. The model is capable of reproducing several different pharyngoesophageal segment shapes that are observed in imaging studies with only few parameters. The relationship between tonicity with the shape of the pharyngoesophageal segment during phonation that is reported in the literature is verified with the model. Additionally, a linear stability analysis is conducted to identify the minimum amount of tonicity required for the onset of self-sustained oscillations of the pharyngoesophageal segment. An experimental model of tracheoesophageal phonation has also been developed, providing a complementary approach to the mathematical model. It was observed that the oscillation frequency increases with tonicity, but changes with longitudinal tension were not as large, raising the question of whether frequency control in tracheoesophageal speech might happen by changes in tonicity. Trends in the minimum tonicity required for self-sustained oscillations to occur were identified, and comparisons to the mathematical model were made.