本研究通过引入一种特定的声带层制作方法，展示了非粘性且超软声带模型的制造过程，详细描述了制造步骤，并对模型的性能进行了表征。
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本文内容
摘要
摘要
本研究旨在开发超软且无黏性的声带模型，用于语音研究。传统的硅胶基声带模型制造工艺所得到的模型存在不良特性，例如表面黏性以及可重复性差等问题。这些声带模型容易快速老化，导致不同测量之间的可比性较差。在本研究中，我们提出对制造工艺进行改进，通过改变硅胶材料的层叠顺序，从而制备出无黏性且高度一致的声带模型。我们还将使用该方法制备的模型与因表面黏性而性能受影响的传统制造声带模型进行了比较。本文详细描述了制造过程，并对模型的特性进行了表征，以探讨其潜在应用价值。研究结果证明了改进后的制备方法的有效性，凸显了我们所制无黏性声带模型的优越性能。 该研究成果有助于推动更真实、更可靠的声带模型在科研与临床应用中的发展。
引言
声带模型用于在正常和病理条件下模拟和研究人类发声机制1,2。构建声带模型面临的主要挑战之一是实现与人类组织相近的真实柔软度和柔韧性。为达到这些特性，通常使用硅橡胶材料，并通过添加大量硅油稀释，以获得相应的弹性模量3,4。构建逼真声带模型的另一个关键因素是分层结构，因为声带由多个柔软度不同的层次组成，这些层次决定了流致振动的模式以及可实现振动的频率。
在本研究中，我们构建了一个典型的声带模型。该模型采用了Scherer5 提供的常用几何结构，根据Zhang6 的描述，该结构代表了男性声带的典型尺寸，长度为17 mm，包含三层结构：一层为声带肌（即主体层），一层为整个黏膜层（即覆盖层），以及一层上皮层。这种结构可在图1的冠状截面图中看到。
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方案
1. 声带模型的设计与部件的3D打印
- 使用多种软质硅胶材料，创建具有常见M5几何结构的硅胶声带的多层结构模型。利用计算机辅助设计（CAD）软件设计各个部件。具体细节请参见补充代码文件1、补充代码文件2、补充代码文件3、补充代码文件4、补充代码文件5、补充代码文件6、补充代码文件7、补充代码文件8。这些文件根据其在模型中的功能命名，是后续步骤的基础。
- 整理并归类第2步中每个步骤所需的文件。参见补充图1中列出的所需部件及其数量。补充图2展示了模具组装的示意图。
- 将STL文件导入3D打印程序，生成3D打印机可读的G代码文件。
- 准备3D打印所需材料（见材料表）。
- 对于补充代码文件2和补充代码文件5，应选用层纹较不明显的材料，例如聚乳酸（PLA+）或聚碳酸酯（PC）。
- 对于补充代码文件1，由于其易受弯曲应力影响，应使用较硬的材料，如坚韧型聚乳酸（Tough PLA）或乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）。其余部件对打印材料的选择无其他限制。
- 根据所选的3D打印机，调整3D打印软件的参数设置。 ....
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结果
制造的声带模型被集成到补充图3所示的声带位置测量装置中。该装置在先前的出版物中已有详尽描述13，包含一个多级可调控的气流源，用于激励声带模型产生振荡，以及一组测量仪器，用于记录声压、特定位置的静压和体积流速等数据。在测量过程中，气流逐渐增加，直至声带模型开始振荡。随后，将气压在起振压力基础上再提高200 Pa，以实现稳定而强烈的振荡。此外，增加了一台高速摄像机并置于声道模型上方，以最高每秒2304帧的帧率捕捉声带振荡的运动过程。
集成在肺部内部的光源通过声门下通道发出光线，使声门呈现白色。图2展示了两组振荡图像序列，每组包含六个帧，用于说明典型的闭合-开放-闭合周期。上排图像（图2A）显示了采用本文所述方法制造的声带的振荡过程，而下排图像（图2B）则展示了一个传统声带模型的极端示例，该模型在前期工作中制备
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讨论
本文所述的制造工艺包含若干关键步骤，这些步骤对其成功具有重大影响。首先需要指出的是，该制造工艺并未解决声带材料中的油饱和问题，而是规避了某些负面副作用。排气现象及其相关的收缩和表面波纹仍然存在，尽管程度有所减轻。解决这些问题的方法可能包括使用超软硅胶或其他替代材料，这些材料需兼具真实声带的弹性模量与稳定耐用的聚合物结构。然而，此类材料的缺失凸显了在全面解决这些问题方面仍存在的持续局限性。
与由两个半部分组成的声带模型的传统制造方法相比，该制造工艺略为复杂，因为它涉及更多组件，且通常采用的由内而外的组装方式在此不适用。其固有优势包括集成的溢流保护功能，有助于使用高度稀释的硅胶进行操作，以及能够在固化过程中更好地观察和控制填充液位及潜在气泡的形成。当希望在使用相同硅胶混合物生产的小批量模型中尽量减少因制造过程引起的性能差异时，这一点尤为有益。此外，该设计还能降低废品率。
与传统的声带建模方法相比，本研究所提出的技术具有明显优势。通过在声带振动过程中对声门区域进行录像，结果表明，声带表面的黏滞性可被有效降低。因此，能够产生稳定的气流.......
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披露
作者声明，他们不存在任何已知的相互竞争的财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本文所报告的工作。
致谢
本项目得到了德国研究基金会（DFG）的资助，资助编号为 BI 1639/9-1。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D 打印机 | ULTIMAKER | S5型 | |
| 3D打印软件 | ULTIMAKER CURA | 版本 5.2.2 | |
| CAD软件 | Autodesk Inventor | 版本 2023 | |
| 高速相机 | XIMEA GmbH | MQ013CG-ON | |
| PLA+ 3D 打印材料 | eSun | 无 | 白色 |
| 初级硅胶 | KauPo Plankenhorn | 09301-005-000041 | EcoFlex 00-30 |
| 释放剂 | KauPo Plankenhorn | 09291-006-000001 | UTS 通用型 |
| 继发性硅胶 | KauPo Plankenhorn | 09301-005-000181 | DragonSkin NV10 |
| 硅油稀释剂 | KauPo Plankenhorn | 09301-010-000002 | |
| 高强度 PLA 3D 打印材料 | BASF | 黑色 |
参考文献
- Drechsel, J. S., Thomson, S. L. Influence of supraglottal structures on the glottal jet exiting a two-layer synthetic, self-oscillating vocal fold model. J Acoust Soc Am. 123 (6), 4434-4445 (2008).
- Stevens, K. A., Shimamura, R., Imagawa, H., Sakakibara, K. I., Tokuda, I. T.
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重印与许可
