Thesis: Reduced-order vocal fold models in in-vivo data for the assessment of underlying physiological parameters and mechanisms in vocal hyperfunction
| datacite.subject.fos | Medical and Health sciences | |
| datacite.subject.fos | Engineering and technology | |
| datacite.subject.fos | Engineering and technology::Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering::Electrical and electronic engineering | |
| dc.contributor.department | Departamento de Electrónica | |
| dc.contributor.guia | Zañartu Salas, Matias | |
| dc.coverage.spatial | Campus Casa Central Valparaíso | |
| dc.creator | Parra Peña, Jesús Alberto | |
| dc.date.accessioned | 2026-05-14T15:45:57Z | |
| dc.date.available | 2026-05-14T15:45:57Z | |
| dc.date.issued | 2024-05-12 | |
| dc.description.abstract | This thesis focuses on the mathematical modeling of vocal hyperfunction using physiologically-inspired vocal fold models, with the goal of improving both laboratory and ambulatory assessments of vocal pathologies. The motivation lies in the need for accurate models capable of capturing the biomechanical and physiological characteristics of normal and pathological vocal fold conditions. This research develops and validates vocal fold models that represent critical features of vocal hyperfunction, including asymmetrical oscillations and the presence of vocal fold lesions such as nodules, while also integrating vocal fold models with ambulatory data to estimate physiological parameters like subglottal pressure and muscle activation. The first part of this thesis involves the integration of existing vocal fold models with ambulatory data using a sampling and filtering approach. The study successfully replicated ambulatory distributions of physiological parameters and identified significant statistical differences between control subjects and patients with phonotraumatic vocal hyperfunction. These results demonstrate the potential of vocal fold models to improve the understanding of vocal hyperfunction by estimating subglottal pressure and laryngeal muscle activation in real-world settings. This foundational work serves as the basis for future efforts to refine vocal fold models for broader clinical applications. The second stage of this research focuses on the development of an asymmetrical vocal fold model to represent non-phonotraumatic vocal hyperfunction. By introducing an asymmetry factor in muscle activation, the model captures the biomechanical irregularities associated with this vocal hyperfunction, such as imbalanced muscle control and its effects on vocal fold oscillation. Initial validation of the model against clinical data, including high-speed video recordings, shows promising results, making it a powerful tool for understanding the mechanics of asymmetric vocal fold pathologies. This work paves the way for extending the model to other vocal disorders, such as unilateral vocal fold paralysis. In the next stage, a model was developed to characterize the effects of nodules on vocal fold mechanics, focusing on how these lesions alter phonation thresholds. The fixed-mass approach adopted in the nodule model effectively represents the in-silico and in-vivo characteristics of phonotraumatic vocal hyperfunction. Using the pathological models, this thesis explores the acoustic compensation mechanisms in vocal hyperfunction, revealing key differences between phonotraumatic and non-phonotraumatic cases. While both conditions present elevated subglottal pressure, only phonotraumatic hyperfunction is characterized by increased adduction and a higher collision-to-subglottal pressure ratio, reinforcing the likelihood of trauma in such cases. Looking ahead, future work will focus on refining these models with more complex muscle activation patterns and dynamic controls, incorporating additional physiological features, and validating the models with clinical data such as high-speed video or intramuscular electromyography. This thesis makes three key contributions: first, it introduces a novel approach to integrating vocal fold models with ambulatory data, enabling the estimation of physiological parameters in real-world contexts. Second, it develops two models to capture the distinct features of vocal hyperfunction, including asymmetry in non-phonotraumatic vocal hyperfunction and the presence of nodules in phonotraumatic cases. Third, it presents an analysis of compensatory mechanisms, revealing that while both types of hyperfunction involve elevated subglottal pressure, only phonotraumatic hyperfunction is characterized by increased adduction and higher aerodynamic forces, providing a clear distinction between these two vocal pathologies | en_US |
| dc.description.abstract | Esta tesis se centra en el modelado matemático de la hiperfunción vocal mediante modelos de cuerdas vocales inspirados en la fisiología, con el objetivo de mejorar las evaluaciones de patologías vocales tanto en laboratorio como en entornos ambulatorios. La motivación radica en la necesidad de modelos precisos capaces de capturar las características biomecánicas y fisiológicas de las cuerdas vocales, tanto en condiciones normales como patológicas. Esta investigación desarrolla y valida modelos de cuerdas vocales que representan características críticas de la hiperfunción vocal, incluyendo oscilaciones asimétricas y la presencia de lesiones como nódulos, integrando además dichos modelos con datos ambulatorios para estimar parámetros fisiológicos como la presión subglótica y la activación muscular. La primera parte de esta tesis consiste en la integración de modelos de cuerdas vocales existentes con datos ambulatorios mediante un enfoque de muestreo y filtrado. El estudio replicó con éxito las distribuciones ambulatorias de parámetros fisiológicos e identificó diferencias estadísticas significativas entre sujetos control y pacientes con hiperfunción vocal fonotraumática. Estos resultados demuestran el potencial de los modelos de cuerdas vocales para mejorar la comprensión de la hiperfunción vocal mediante la estimación de la presión subglótica y la activación de los músculos laríngeos en entornos reales. Este trabajo fundamental sirve de base para futuros esfuerzos por perfeccionar los modelos de cuerdas vocales para aplicaciones clínicas más amplias. La segunda etapa de esta investigación se centra en el desarrollo de un modelo asimétrico de cuerdas vocales para representar la hiperfunción vocal no fonotraumática. Al introducir un factor de asimetría en la activación muscular, el modelo captura las irregularidades biomecánicas asociadas con esta hiperfunción vocal, como el control muscular desequilibrado y sus efectos en la oscilación de las cuerdas vocales. La validación inicial del modelo con datos clínicos, incluidas grabaciones de vídeo de alta velocidad, muestra resultados prometedores, lo que lo convierte en una herramienta poderosa para comprender la mecánica de las patologías asimétricas de las cuerdas vocales. Este trabajo allana el camino para extender el modelo a otros trastornos vocales, como la parálisis unilateral de las cuerdas vocales. En la siguiente etapa, se desarrolló un modelo para caracterizar los efectos de los nódulos en la mecánica de las cuerdas vocales, centrándose en cómo estas lesiones alteran los umbrales de fonación. El enfoque de masa fija adoptado en el modelo de nódulo representa eficazmente las características in silico e in vivo de la hiperfunción vocal fonotraumática. Utilizando modelos patológicos, esta tesis explora los mecanismos de compensación acústica en la hiperfunción vocal, revelando diferencias clave entre los casos fonotraumáticos y no fonotraumáticos. Si bien ambas condiciones presentan una presión subglótica elevada, solo la hiperfunción fonotraumática se caracteriza por una mayor aducción y una mayor relación de presión de colisión a presión subglótica, lo que refuerza la probabilidad de traumatismo en estos casos. De cara al futuro, el trabajo se centrará en refinar estos modelos con patrones de activación muscular y controles dinámicos más complejos, incorporando características fisiológicas adicionales y validando los modelos con datos clínicos como vídeo de alta velocidad o electromiografía intramuscular. Esta tesis realiza tres contribuciones clave: primero, introduce un enfoque novedoso para integrar modelos de cuerdas vocales con datos ambulatorios, lo que permite la estimación de parámetros fisiológicos en contextos del mundo real. Segundo, desarrolla dos modelos para capturar las características distintivas de la hiperfunción vocal, incluyendo la asimetría en la hiperfunción vocal no fonotraumática y la presencia de nódulos en los casos fonotraumáticos. En tercer lugar, presenta un análisis de los mecanismos compensatorios, revelando que, si bien ambos tipos de hiperfunción implican una presión subglótica elevada, solo la hiperfunción fonotraumática se caracteriza por una mayor aducción y fuerzas aerodinámicas más elevadas, lo que proporciona una clara distinción entre estas dos patologías vocales. | es |
| dc.description.degree | Doctorado en Ingeniería Electrónica | |
| dc.description.sponsorship | ANID- Beca Doctorado Nacional 21202490 | |
| dc.description.sponsorship | ANID- Basal FB0008 | |
| dc.description.sponsorship | UTFSM PIIC programs N° 042/2021 and N° 077/2022 | |
| dc.description.sponsorship | AC3E | |
| dc.description.sponsorship | National Institutes of Health (NIH) | |
| dc.description.sponsorship | National Institute on Deafness and Other Communication Disorders grant P50 DC015446 | |
| dc.description.sponsorship | UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARÍA. | |
| dc.format.extent | 251 páginas. | |
| dc.identifier.uri | https://cris.usm.cl/handle/123456789/4400 | |
| dc.identifier.uri | https://doi.org/10.71959/wbbx-x455 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject | vocal hyperfunction | |
| dc.subject | vocal fold model | |
| dc.subject.ods | 3 Salud y bienestar | |
| dc.title | Reduced-order vocal fold models in in-vivo data for the assessment of underlying physiological parameters and mechanisms in vocal hyperfunction | |
| dc.type.driver | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis | |
| dspace.entity.type | Tesis |
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