NEUROPHYSIOLOGICAL MUSCLE ACTIVATION SCHEME FOR CONTROLLING VOCAL FOLD MODELS

MANRÍQUEZ PERALTA, RODRIGO SEBASTIÁN (2017)

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El presente trabajo de tesis propone un modelo matemático y computacionalde fluctuaciones naturales en la activación muscular. Este modelo busca caracterizar el ruido y la variabilidad asociada a la activación de los músculosencargados de la fonación, de forma de poder evaluar su impacto en un modelonumérico de las cuerdas vocales de orden reducido. La formulación matemáticadel modelo es descrita usando como base distintos supuestos fisiológicamenteválidos respecto a la generación de los impulsos eléctricos a nivel neuronal yde fibras musculares. Para evaluar el esquema propuesto, se realiza un análisisparamétrico en conjunto con un modelo de cuerdas vocales conocido comobody-cover model (BCM), el cual es controlado por una serie de parámetrosdependientes de la activación muscular. Las fluctuaciones inherentes en la activación muscular se caracterizan por tener un ancho de banda que varía conla frecuencia de disparo, además de presentar componentes de baja frecuenciaen cada nivel. Al aplicar el mencionado esquema de activación al modeloproducción vocal, se observan cambios dinámicos en el comportamiento delas cuerdas, en que el coefi ciente de variación no presenta un comportamientouniforme con la activación muscular. Por otra parte, las perturbaciones que seobservan en las salidas del modelo de cuerdas vocales se encuentran dentro derangos saludables. Los componentes aleatorios en el modelo muscular ejercencambios tanto a nivel de estructura na como en la capacidad de controlarla frecuencia fundamental de oscilación de las cuerdas vocales. El modelopropuesto constituye un novedoso avance para controlar modelos de cuerdasvocales de orden reducido en condiciones normales de voz, y también se puedeextender a condiciones neuropatológicas.

A physiologically-based scheme that incorporates inherent neurological fluctuations in the activation of intrinsic laryngeal muscles into a lumped-elementvocal fold model is proposed. Herein, muscles are activated through a combinationof neural ring rate and recruitment of additional motor units, both ofwhich have stochastic components. The mathematical framework and underlyingphysiological assumptions are described, and the effects of the fluctuations are tested via a parametric analysis using a body-cover model of the vocal folds.The inherent muscle activation fluctuations have a bandwidth that varies withthe ring rate yielding both low and high frequency components. When applyingthe proposed fluctuation scheme to the voice production model, changesin the dynamic behavior of the vocal folds are observed, where the coeffcientof variation is not uniform with muscle activation. Perturbations arising inthe vocal fold model output using the proposed stochastic muscle activationscheme are within the normal range. The stochastic components of muscle activationinfluence both the fine structure variability and the ability to achieve atarget value for pitch control. These components can have a signi cant impacton the vocal fold parameters, as well as the outputs of the voice productionmodel. The proposed model constitutes a novel and physiologically-based approachfor controlling lumped-element models for normal voice production andcan be extended to explore neuropathological conditions.