Cesta k umělým hlasivkám
13. 10. 2010
Řeč je základem dorozumívání a to, jak důležitý je lidský hlas, si většinou začneme uvědomovat až tehdy, když ho začneme ztrácet. Pacientům, kteří například onemocní rakovinou hlasivek nebo hrtanu, musí lékaři celý hrtan i s hlasivkami odoperovat. Ačkoliv moderní medicína umí nahradit všemožné části lidského těla – ať už umělými protézami nebo transplantáty od zemřelých dárců, lidské hlasivky jsou stále nad její síly. Jediné řešení pro ty, kdo ztratili hlas, jsou zatím jakési vnější hlasivky – elektrolaryngy, malé válečky, které se přikládají ke krku na místo chybějících hlasivek, kde rozvibrují krční stěnu. Hlas, který vydávají, je ale velmi nepřirozený a nepříjemný. Vědci na mnoha pracovištích po celém světě se proto snaží vyvinout takovou náhradu, která by byla skutečnému lidskému hlasu blíž.
Moderní medicína již umí nahradit mnohé životně důležité orgány. Nezdolané překážky však stále zůstávají. Například pro lidi, které rakovina hrtanu připravila o hlasivky, řešení zatím neznáme. Jen těžko si můžeme představit, co znamená ztráta hlasivek, a tedy schopnost se běžně dorozumívat. Právě řeč je tou schopností, která oddělila člověka od zvířat. Život bez hlasu je život na okraji společnosti.
MUDr. Jitka Vydrová, Hlasové centrum Praha: V České republice ročně onemocní asi 480 až 500 lidí rakovinou hrtanu a rakovina hrtanu je právě ta diagnóza, která je vlastně příčinou někdy i devastující operace krku, kdy vlastně člověk přijde nejenom o hlasivky, ale i o celý hrtan.
Používat řeč a hlas umožňuje na první pohled jednoduchý orgán – hlasivky. Párový hlasivkový sval, hlasivkový vaz a slizniční hlasivková řasa, které máme napjaté v hrtanu mezi štítnou a konvicovitou chrupavkou. Při dýchání jsou hlasivky otevřené a vzduch mezi nimi volně prochází.
Pokud chceme mluvit nebo zpívat, hlasivky se sevřou, proud vzduchu z plic začne procházet úzkou mezerou mezi nimi a přitom je rozkmitává. Hlasivky o sebe narážejí a vytvářejí prvotní zvuk, který se dál šíří přes rezonanční dutiny krku, nosu a úst. To vše je propojeno s nervovou soustavou a artikulačními orgány.
RNDr. Jan Švec, Ph.D. et Ph.D., Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého v Olomouci: Opravdu ten orgán je velice unikátní. Hlasivky jsou v podstatě asi jenom takhle veliké, kolem dvou centimetrů a tyto dva centimetry jsou vlastně schopné vytvořit hlas a zvuk, který je obrovsky silný, který je slyšet na desítky metrů daleko.
Vědecký tým z několika českých výzkumných institucí se už několik let zabývá studiem vzniku lidského hlasu. Jejich cílem je vytvořit přijatelné řešení pro lidi, kteří o hlasivky přišli buď zčásti, nebo úplně. V Ústavu termomechaniky Akademie věd vědci vytvořili model lidského vokálního traktu, na kterém testují materiály, které by jednou bylo možné využít pro zhotovení hlasivkového implantátu.
Model se skládá z generátoru vzduchového proudu, umělého hrtanu, ve kterém jsou umístěny umělé hlasivky, a modelu vokálního traktu. Vokální trakt jsou dutiny mezi hlasivkami a rty. Jejich nastavení určuje, jaká hláska se bude vyslovovat. Umělé vokální trakty jsou zhotoveny podle snímků z magnetické rezonance.
I když se podobným výzkumem zabývá mnoho týmů na celém světě, uspokojivé řešení se zatím najít nepodařilo. Zdá se totiž, že příroda dokázala vytvořit něco mimořádně odolného, trvanlivého a přitom výkonného. Něco, co se zatím nedá napodobit.
RNDr. Jan Švec, Ph.D. et Ph.D., Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého v Olomouci:Když se zkoumala zátěž, jakou ty hlasivky musí vlastně vydržet, tak se zjistilo, že hlasivky vykonají více než milion kmitů za den, u hlasových profesionálů to může být až pět až deset milionů kmitů za den. Takže ty hlasivky když se otevírají a zavírají, tak ony na sebe naráží a to máme miliony kolizí za den.
Proud vzduchu při průchodu mezi hlasivkami dosahuje mimořádných rychlostí, až padesát metrů za vteřinu. To je 180 kilometrů v hodině. Můžete si to představit jako vítr o síle hurikánu, který naráží na dva tenké proužky látky. Zkoumané materiály zatím nevydrží extrémní mechanickou zátěž a brzy přestanou správně fungovat. Vědcům se ani nepodařilo najít látku, která by vydávala zvuk stejných vlastností, jako má lidský hlas.
Ing. Jaromír Horáček, DrSc., Ústav termomechaniky AV ČR: Doposud ty náhrady, co máme, nevyhovují frekvenčně. Lidský hlas potřebuje tak od 120 Herzů do takových 250 Herzů u žen rozsah mít, a to zatím nejsme schopni docílit tak, aby vůbec ten materiál vydržel.
Proč ale lékaři netransplantují hrtany od lidských dárců? Pravdou je, že podobné experimenty se již uskutečnily. Výsledky ale nestály za to. Současná medicína proto nabízí jen provizorní řešení. U pacientů s rozsáhlými nádory musí být odstraněn celý hrtan. To je orgán, který slouží hlavně k dýchání, funkce hlasová se vyvinula až později. Při operaci lékaři vytvoří nový dýchací otvor dole na krku, kde jícen přechází v průdušnici. Vzduch z plic tedy vůbec neprochází přes ústní dutinu. Lékaři ale do tohoto otvoru mohou zavést malý váleček – hlasovou protézu.
MUDr. Jitka Vydrová, Hlasové centrum Praha: Hlasová protéza, to je vlastně taková komunikace mezi tou průdušnicí a mezi jícnem, kdy ten vzduch, který pacient vydechuje z plic, tak neproudí ven tím otvorem tracheotomickým, ale dostává se skrz tu hlasovou protézku do jícnu a jícnem do dutiny ústní a v té dutině ústní ten pacient je potom schopen vytvářet takové docela přijatelné zvuky.
Český tým by ale rád nabídl lepší řešení. V současnosti se proto několik pracovišť uchází o nový grant, který by pomohl výzkum financovat. Do projektu se nově zapojili i chemici z Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd. Chemička Miroslava Dušková nabídla svoji spolupráci teprve před několika měsíci poté, co se o problémech s používanými materiály dočetla v článku v časopise Vesmír.
Ing. Miroslava Dušková Smrčková, Ústav makromolekulární chemie AV ČR: Já když jsem toto viděla, tak jsem si říkala vlastně, naše znalosti by v tomto směru mohly být užitečné, protože my bychom zhruba věděli, jak na to, jak takovou hmotu navrhnout a také připravit a vlastně ten vztah mezi její strukturou a mezi jejím mechanickým chováním je nám víceméně zřejmý.
Slibné by mohly být hydrogely, tedy složité organické molekuly, které se dobře snáší s vodou. Podobný materiál využil už v padesátých letech dvacátého století profesor Otto Wichterle na přípravu kontaktních čoček. Vědci mohou vlastnosti hydrogelu upravovat tak, aby dosáhli přesně takových vlastností, jaké potřebují. Dokážou totiž velmi jemně manipulovat s jejich složitou chemickou strukturou – hydrogel je pak měkčí nebo pevnější, více nebo méně pružný a vydává lepší nebo horší zvuk.
Ing. Miroslava Dušková Smrčková, Ústav makromolekulární chemie AV ČR:My si myslíme, že nejprve budeme muset vyzkoušet na nějakých modelových makromolekulárních sítích chování toho zdroje zvuku. Myslíme si, že v té struktuře musí existovat nějaké spoje, které my dokážeme i změřit, my dokážeme změřit, kolik je tam těch spojení mezi jednotlivými uzly v jednotce objemu a dokážeme změřit, jaký to má vliv na tzv. modul elastický té sítě, a to jsme také schopni měnit, jakýmsi designem.
Poznatky, které vědci získají během výzkumu, nemusí vést jen k vytvoření hrtanové protézy, ale i k lepšímu pochopení toho, jak lidský hlas vzniká. Tento proces ukrytý uvnitř lidského těla se totiž dá zkoumat jen velmi omezeně. Na experimentálním modelu je naopak možné odhalit a popsat spoustu nejjemnějších detailů.
Tady například vidíte, jak vědci pomocí laserového paprsku zkoumají proudění vzduchu uvnitř vokálního traktu. To může pomoci lidem, kteří trpí poruchami tvorby hlasu v důsledku vrozené vady – například rozštěpu patru. Je možné i navrhnout vhodný chirurgický zákrok, který může hlas vylepšit nebo posoudit, co s hlasem udělá vyjmutí mandlí.
Ing. Jaromír Horáček, DrSc., Ústav termomechaniky AV ČR:My jsme tady na tom schopni modelovat nějaké drobné vady a to, jak se dá ta vada odstranit, třeba zlepšením tvaru těch hlasivek, tam se změní to obtékání té hlasivky natolik, že třeba začne kmitat při nižším tlaku v plicích, což je lepší pro toho pacienta.
Vědci získávají podrobná fyzikální data, která pak porovnávají s daty o skutečných zdravých lidských hlasech. Využívají k tomu měření profesionálních školených zpěváků, nejlépe operních pěvců. Ti se díky speciálnímu tréninku naučili svůj hlas dokonale využívat a jemně ovládat. Americký profesor zpěvu Donald Miller nyní ukazuje, že věda a umění k sobě nemají daleko a že exaktní měření se může stát uměleckým zážitkem. Akustický signál se snímá pomocí mikrofonu a poté se podrobně analyzuje.
Profesor Miller dokonce vytvořil program, který umožňuje v reálném čase souběžně analyzovat zvukový záznam i práci hlasivek. Stačí k tomu obyčejný osobní počítač, mikrofon a elektroglotograf, což je speciální snímač, který se přiloží zvenku na krk v místě, kde se nacházejí hlasivky. Snímač zaznamenává, jak se hlasivky otvírají a zavírají.
RNDr. Jan Švec, Ph.D. et Ph.D., Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého v Olomouci: Nyní se podíváme na dva typy hlasů – chraptivý a zdravý. Tady máme zdravý hlas a takový základní rys je, že hlasivky kmitají naprosto pravidelně, u chraptivého hlasu vidíme, že tady žádná pravidelnost není.
Vraťme se ale k lidem, kteří čelí absolutní ztrátě hlasu. Lepší než jakákoliv léčba nebo operace je samozřejmě prevence. Lékaři vědí, že rakovinu hrtanu ovlivňuje několik zásadních nevhodných návyků – kouření, nadměrná konzumace alkoholu nebo nedostatečná ústní hygiena. Pokud se podaří vznikající nádor zachytit včas, je možné ho odstranit bez vyjmutí celých hlasivek. Čeští lékaři mají navíc v rukách unikátní metodu pro rychlou a včasnou diagnostiku.
Ta je dílem Jana Švece, předního českého odborníka na lidský hlas. Jmenuje se videokymografie a využívají ji v pražském Hlasovém centru. Tato neinvazivní metoda pracuje se speciální videokamerou. Vyšetření nebolí a trvá jen několik desítek vteřin.
MUDr. Jitka Vydrová, Hlasové centrum Praha:Vlastně vyšetřujeme hlasivku v jednotlivých řezech a v tom řezu jsme schopní vidět, jakým způsobem ta hlasivka kmitá a již, když vidíme malou asymetrii v kmitání hlasivek, tak je to takový varovný příznak, že minimálně je hlasivka zajizvená, nebo tam eventuálně dochází k nějakému nádorovému, až už benignímu nebo malignímu bujení a taková situace, pokud je včas zjištěná, tak se dá velmi dobře léčit.
Proto nepodceňujte varovné příznaky. Každý chrapot, který trvá déle než tři týdny, by měl být důvodem k návštěvě odborníka. Může totiž znamenat rostoucí nádor na hlasivkách. Když o ty své přijdete, na kvalitní umělou náhradu si budete muset počkat nejméně několik let.
Autor: Tereza Pultarová