合成多层自振式声带模型的制备

摘要

本文描述了合成声带模型的制备方法。这些模型为真人尺寸，可模拟人类声带的多层结构。实验结果表明，这些模型能够在与肺部压力相当的压力下自发振荡，并表现出与人类声带相似的流致振动响应。

摘要

人类发声是通过气流诱导的声带振动产生的。声带由多层组织构成，每层组织具有不同的材料特性¹。正常的发声依赖于健康的组织和声带，是空气动力学、结构动力学和声学等物理现象之间复杂耦合作用的结果。仅在美国，每年就有高达750万人受到嗓音障碍的影响²，常导致严重的经济负担、社会交往困难以及其他生活质量问题。深入理解发声的物理机制，有望显著促进嗓音健康事业的发展，包括嗓音障碍的临床预防、诊断和治疗。

研究嗓音产生的现有方法包括 体内 使用人类和动物受试者的实验 体外 利用离体喉部、合成模型和计算建模进行实验。由于器械进入具有危险性和困难性， 体内 实验的范围受到严重限制。离体喉实验虽具有解剖学和部分生理学上的真实性优势，但在涉及几何参数和材料属性变量的参数化研究方面仍受限。此外，这类实验通常只能维持相对较短的振动时间（通常仅为数分钟量级）。

克服离体喉实验的一些局限性，合成声带模型正成为研究发声机制的补充工具。通过系统性地改变几何结构和材料特性，可制备出用于研究健康与非健康人体发声气流动力学、结构动力学及声学特性的合成模型。例如，这些模型已被用于研究声带左右不对称性^3,4、临床器械开发⁵、喉部气流动力学^6-9、声带接触压力¹⁰以及声门下声学特性¹¹（更全面的列表可参见Kniesburges等人¹²）

然而，现有的合成声带模型要么是均质的（单层模型），要么是使用两种不同刚度的材料制成的（双层模型）。这种方法无法体现人类声带实际存在的多层结构¹，而这种多层结构在调控声带由气流诱发的振动响应中起着核心作用。因此，单层和双层合成声带模型表现出一些缺陷^3,6,8，例如起振压力高于人类发声的典型值（起振压力是指启动振动所需的最小肺压）、过大的上下方向运动，以及缺乏“黏膜波”（一种垂直传播的、具有健康人类声带振动特征的波动）。

本文描述了一种具有多层不同材料特性的模型的制备方法。该模型的各层模拟了人类声带的多层结构，包括上皮层、浅层固有层（SLP）、中层和深层固有层（即韧带；包含一条纤维以提供前后方向的刚度）以及肌肉层（即声带体层）¹。研究结果表明，与以往的单层和双层合成模型相比，该模型表现出更优的振动特性，包括起振压力更接近人类声带的起振压力、上下方向的运动减少，以及存在黏膜波的证据。

方案

制作流程（见图1）包括制作声带模型各层的模具，依次浇铸硅胶层，并将模型安装以进行测试。该模型包含四个不同的层次：肌体层、韧带层、浅表固有层和上皮层，此外还有一根单纤维。添加一层背衬层有助于将各层精确地定位到声带模型上。模型几何参数的定义如图2所示，当前模型的参数值见表1。在以下各节中，针对不同层次指定了不同的硅胶混合比例；这些比例可产生与文献报道的人体声带组织在小应变状态下的力学性能相似的材料特性¹³（见表2）。

1. 模具的制备与准备

1. 创建声带三层结构的实体模型：浅层疏松结缔组织层、韧带层和肌体层。通常通过使用三维计算机辅助设计（CAD）软件建立具有目标几何形状的模型，将CAD模型导出为立体光刻（STL）文件，并将STL文件发送至定制机械加工车间进行快速成型来完成。
2. 使用薄片状丙烯酸材料制作一个矩形模具框。近似尺寸（非关键）为高2.54 cm、宽5.72 cm、深6.35 cm。将模具框底部粘附于一块平整的丙烯酸平板上，并用真空润滑脂密封所有内侧接缝。
3. 在所需几何形状的实体模型（即肌体层、韧带层或浅层疏松结缔组织层）的侧面涂抹少量真空润滑脂。将模型带有润滑脂的一侧朝下压入模具框的型腔底部，使真空润滑脂固定模型位置。在模具框和实体模型表面充分喷涂脱模剂。使用画笔确保脱模剂涂覆到模具型腔的所有角落。
4. 在具有足够膨胀空间的容器中，按10份A组分与1份B组分的比例（按重量称量）混合Smooth-Sil 950铂金硅橡胶。为去除气泡，将装有未固化硅橡胶的模具框放入真空室，将压力降低（例如降至大气压以下约26英寸汞柱）并维持约三分钟（可根据实际情况适当延长或缩短）。将脱泡后的硅橡胶从真空室取出，倒入模具框的型腔中。将装有未固化硅橡胶的模具再次放入真空室进行脱泡处理。取出后置于水平表面上，静置固化24小时，然后将模具从模具框中取出。
5. 重复步骤1.1至1.4，分别为浅层疏松结缔组织层、韧带层和肌体层制作模具。
6. 使用直刃剃刀沿韧带层模具内侧表面的中心，在前后方向上进行切割，以便插入纤维。

2. 每层的浇铸

1. 主体层：用画笔在主体模具型腔内均匀涂抹一层薄薄的脱模剂。按重量比取一份B组分和一份A组分的Ecoflex 00-30超软铂金硅胶混合，并加入一份硅胶稀释剂（按重量），以降低最终固化材料的刚度。混合30秒后，放入真空箱中抽气1分钟以去除夹带的空气。从真空环境中取出后倒入主体模具型腔中，但不要填满整个模具型腔。将模具置于250 °F的烘箱中加热30分钟，随后取出冷却。
2. 背衬层：按重量比取一份B组分和一份A组分的Dragon Skin混合，并加入一份硅胶稀释剂（按重量）。剧烈搅拌30秒，放入真空环境中1分钟以去除气泡，然后将混合物倒入主体模具型腔直至填满。将模具置于250 °F的烘箱中加热30分钟，取出后冷却。将模型从模具中取出，待其冷却至室温后，用纸巾擦去主体层表面残留的脱模剂。
3. 韧带层：用画笔在韧带模具型腔表面均匀涂抹一层薄薄的脱模剂。将一根30 cm长的线通过剃刀切口压入模具中。按重量比充分混合一份B组分、一份A组分的Ecoflex 00-30以及四份硅胶稀释剂。将混合物放入真空箱中去除气泡，然后倒入韧带模具型腔中。
4. 韧带层（续）：将前一步骤（2.1.1和2.1.2）制得的主体-背衬模型压入韧带模具型腔中。从一侧开始插入，并轻轻向另一侧移动，使模型将多余的未固化硅胶和气泡挤出模具型腔。若存在气泡，应将模型从模具中取出，重新补充未固化的硅胶，再重复压入过程。将模具放入烘箱中加热30分钟，取出后冷却至室温。将模型从模具中取出，并用纸巾去除多余的脱模剂。
5. 浅表固有层：用画笔在浅表固有层（SLP）模具型腔表面均匀涂抹一层薄薄的脱模剂。按重量比混合一份B组分、一份A组分的Ecoflex 00-30和八份硅胶稀释剂。按前述方法进行抽真空处理后，将混合物倒入SLP模具型腔中。采用与步骤2.1.4相同的方法，将韧带-主体-背衬模型压入浅表固有层模具型腔中。将模具置于250 °F的烘箱中加热1小时，随后取出冷却。小心缓慢地将模型从模具中取出，确保浅表固有层保持完整无损。
6. 上皮层：将声带模型背面朝下放置于平整表面上。使用剃刀去除支撑材料。通过将线固定在高于模型的物体上，使其悬于空中。按重量比取一份B组分和一份A组分的Dragon Skin，加入一份硅胶稀释剂，混合均匀后进行抽真空处理，然后将混合物浇注覆盖在模型表面，静置固化1小时。重复该过程以形成更厚的上皮层。使用剃刀去除多余的材料。
7. 可选步骤：若希望各层呈现不同颜色（以便直观区分不同层次），可在混合Ecoflex或Dragon Skin时向B组分中添加染料。
8. 可选步骤：若需采集材料性能数据，可在制作每一模型层的同时，将多余的未固化材料倒入经脱模剂处理的、具有所需材料性能测试样品形状和尺寸的模具中，同步制备拉伸和流变学测试试样。
9. 可选步骤：若需测量各层厚度，可用剃刀切割模型横截面，并通过显微镜进行观察检测。

3. 测试前的最终模型制备

1. 将每个制备完成的声带模型安装到亚克力固定板上：首先在模型的背面（外侧）和侧面（前后方向）表面涂上一层薄薄的硅胶粘合剂。将模型插入固定板的凹槽内，使模型的内侧表面与亚克力板顶部对齐。擦去多余的胶水，并静置一小时使其固化。
2. 在模型表面涂抹滑石粉，以降低表面黏性。
3. 为便于追踪内侧表面运动，使用细尖的Sharpie记号笔在模型表面标记小点。建议在涂抹滑石粉后进行标记，以获得最佳效果。
4. 将长螺栓穿过固定板上的孔，螺纹端朝向待配对的模型方向。将缝合线搭放在螺栓上，并在螺栓上方放置闭孔泡沫，以封堵任何可能的气隙。
5. 将此已准备好的模型与另一个同样按照步骤3.1和3.2安装在亚克力支架上的声带模型进行配对。拧紧螺钉以压缩泡沫，使两个模型的内侧表面逐渐贴合，直至达到所需的振动前间隙。确保两组缝合线均放置在螺栓上方，并从前向后（前后方向）从亚克力板向外延伸。
6. 将成对的声带模型安装到气源管上。
7. 将前端的缝合线绑在一起形成一个环，后端的缝合线同样处理。同时在两个环上悬挂所需配重。
8. 模型现已准备就绪，可进行测试与数据采集。

4. 代表性结果

采用此制备工艺所构建的一个模型获得的振动响应数据如下；这些结果具有代表性。当施加于纤维的张力约为31 g时，起振压力为400 Pa。在声门下压力比起振压力高10%（即440 Pa）的条件下，模型以115 Hz的频率振动，声门气流速率为210 ml/s。这些数值与文献报道的人体相关数值吻合良好（表3）。利用高速视频测振技术分析模型运动，发现其上缘与下缘之间存在相位差，即在振动周期的开放相期间，上缘覆盖了下缘（图3）。从施加于声带模型内侧和下表面标记点的立体图像中提取的运动轨迹显示，该模型呈现出典型的类人发声特征，包括交替的收敛-发散构型、类似黏膜波的运动，以及较以往模型更小的下-上方向运动幅度（图4）。

表1 模型几何参数值。

表2。声带模型各部分的按重量计的混合比例及相应的杨氏模量。EF和DS分别指由Ecoflex和Dragon Skin制成的硅胶¹⁴。

表3 人类与合成声带振动响应的比较。

图1. 合成声带模型的制备流程。使用由计算机辅助设计（CAD）生成的实体模型（左图）来制作每一层的模具（中图）。随后依次浇铸各层，从底层开始，到上皮层结束（右图，各层已“逐层剥离”以增强可视性）。制备完成后，将模型安装至丙烯酸板上进行测试。

图2. 合成声带模型的横截面。图中显示了明显的声带体、浅层固有层、韧带和上皮层。参数定义了声带模型的几何结构。本图经过缩放以清晰展示几何定义。应用表1中给出的参数值将得到与此处所示略有不同的形状。

图3. 模型振动的高速扫描图像。上缘和下缘位置的估计值以彩色虚线表示。下缘与上缘之间的相位差明显可见。

图4. 在半喉结构中，人工声带模型在振动过程中两个不同时间点的内侧表面轮廓。如右图所示，在内侧表面放置了墨水标记点，使用两台同步高速摄像机进行成像，并在整个振动周期中进行追踪。左侧图像显示声门开启阶段的会聚型声门，右侧图像显示声门关闭阶段的发散型声门。

讨论

这种合成声带模型的制备方法所得到的模型，其振动行为与人类声带相似。与以往的一层或两层模型设计相比，多层结构在降低起振压力、改善模型运动（如振荡期间的收敛-发散轮廓、类似黏膜波的运动以及减少的上下位移）方面具有显著优势^3,6,8,15。本文所展示的方法基于一种几何结构上相对理想化的模型，但该方法可适用于不同几何形状的模型。例如，可利用此方法制备基于人体成像几何数据（如MRI¹⁷、CT）的模型。此外，该制备工艺的理念还可应用于其他以流致振动和/或软材料多层结构为核心要素的研究领域，例如血管内血流研究、睡眠呼吸暂停以及动物运动（特别是游泳与飞行）等。

本文所述模型存在一些局限性，可能成为未来研究与开发的方向。该模型所用材料具有线性的应力-应变响应特性，未来预期的改进方向之一是引入非线性应力-应变材料。在制备过程中，也可使用生物材料替代合成材料。由于声韧带层具有极高的柔韧性，该模型在振动条件下的稳定性较之前的一层和两层模型有所降低。然而，只要将声门下压力控制在约 1 kPa 以下，并偶尔使用滑石粉以减少表面黏附，该模型通常可连续使用数天而其行为特...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
高真空润滑脂	道康宁	01018817
Pol-Ease 2300	Polytek	Pol-Ease2300-1	脱模剂
Smooth-Sil 950	Smooth-On	Smooth-Sil 950	模具制作材料
真空泵	爱德华生命科学	E2M2
真空室	卡特尔	230
压力表	Marsh Bellofram	11308252A
直剃刀	哈士奇	008-045-HKY
Ecoflex 00-30	Smooth-On	Ecoflex 00-30
硅油稀释剂	Smooth-On	硅油稀释剂
龙皮	Smooth-On	Dragon Skin 10 FAST
线程	Omega Engineering, Inc.	OmegaCrys	仅使用透明的光纤
硅胶染料	Smooth-On	Silc 猪黑素
硅胶黏合剂	Smooth-On	Sil-Poxy
滑石粉	西方家庭