用于研究声带三维振动的半喉实验装置

为了理解人类和哺乳动物发声的机制，研究声带的振动至关重要。由于声带在体内难以直接观察，研究人员常采用离体喉部模型来更详细地获取声带的运动特性与生理特征。在本视频中，我们将演示如何构建一种称为半喉装置的实验系统。

切除喉部的一半，以便不仅从上方而且从侧面观察声带的振动。这种方法有利于研究在使用完整喉部的传统装置中无法观察到的振动特征。在本演示中，将使用马鹿的喉部。

由于所使用的喉部标本通常在液氮中快速冷冻并储存在冰箱中，因此需要适当地解冻所选标本，以避免改变组织的生物力学特性。首先，将冷冻的喉部标本放入双层 autoclave 袋或其他具有防水密封功能的塑料袋中。同时加入一个重物，以帮助使喉部保持在水面以下。

将袋子密封后放入温度约为30摄氏度的水浴中，直至喉部完全解冻。喉部完全解冻后，将其从袋中取出，并用生理盐水彻底清洗。如有存在，需去除多余的结构，如颈部外侧肌肉或舌骨。

对于某些生物声学研究问题，可保留喉部上方结构的完整性，但这会限制从上方观察声带的视野。将气管缩短至约45厘米的长度，以便后续将喉部安装到供气管上。在进行制备之前，务必检查喉部是否存在潜在的组织异常，以及在快速冷冻过程中可能产生的裂纹。

下一步是暴露甲状软骨的一侧。首先，使用手术刀去除喉外肌。从甲状软骨前部开始，进行初步的垂直切口以启动切割操作。

小心地将切口更多地偏向需要切除的一侧，以避免损伤需保留和研究的声带。如果因软骨骨化导致其过于坚硬，可使用小型锯子。随后，沿正中矢状面切开环状软骨。

从杓状软骨之间垂直向下做切口，至下甲状腺切迹水平处停止。从环状软骨上垂直切口的下端起始，横向切开至下甲状腺切迹，将两个切口连接。将拟切除的一侧喉部向前侧翻转，沿甲状软骨内侧的软组织做垂直切开。

这是整个操作过程中最关键的时刻。因此，在从声带前部附着处切开至甲状软骨时，务必格外小心。如果甲状软骨被正确切开，所形成的声门总会存在轻微的前部间隙。

为了暴露声带以获得良好的上方视野，有时需要切除声带上方的结构。在某些情况下，切割操作后，喉部内部的软组织会与甲状软骨失去连接，并干扰声带。此时，必须切除这些多余的组织。

最后，切除部分后方的甲状软骨，以利于通过杓状软骨实现声带内收。此时喉部形成L形卯结构，与实验装置中所用的L形载物台板排列相匹配。半喉的左侧提供内侧观视野，可清晰观察到甲状软骨和环状软骨上的切口，以及残留的声带和杓状软骨。

半喉实验装置由三个基本部分组成：一条将加温加湿的空气输送至喉部的气源管；两个透明板，用于替代被切除的喉部结构；以及用于声带内收和喉部固定的叉状支架。

现在，我们将喉部安装在气源管上。在管子表面涂抹义齿固定霜，并利用喉部的气管将其安装到管上。义齿固定霜起到粘合剂的作用，同时封闭可能存在的缝隙。

用塑料扎带或其他适用的夹具固定气管。用义齿固定膏涂抹切口边缘，并安装透明板。固定甲状软骨，使用叉状器械内收声带。

此时，半喉装置已准备就绪，可开始使用。通入气流并检查是否存在泄漏。若气体从侧面逸出，可通过添加更多固定剂乳膏来密封缝隙。

为了实时观察声带振动，可应用频闪光。半喉装置的主要用途是不仅从上方，而且从侧面观察声带的振动。为此，需使用两台同步的高速视频摄像机。

一个用于顶部视角，另一个用于侧面视角。此处我们看到由两台以每秒6,000帧同步运行的摄像机记录的半喉部声带振动情况。左侧面板显示顶部视角，右侧面板显示侧面视角。

声带以每秒约70个周期的频率振动，此处展示的视频为慢动作回放。声带与玻璃板之间的间隙称为声门，其大小可通过测量随时间变化的声门面积进行量化。

此处，声门区域以像素表示。当声带与玻璃板接触时，该区域值为零；当气流通过声门时，该区域值为非零。对半喉模型中声带振动所产生的声学信号进行分析表明，在一个振动周期内，主要的声学激励事件出现在两个时刻。

在声带开启的瞬间，即声带与玻璃板失去接触时，以及在声带闭合的瞬间，即声带再次与玻璃板完全接触时。在下一个动画中，一个振动周期内声带与玻璃板之间随时间变化的接触面积以橙色显示。此处采用半喉装置来验证一种称为电子声门图（electroglottography，EGG）的方法。

此处以蓝色显示同步采集的EGG信号。声带接触面积与EGG信号之间具有较为良好的相关性。我们课题组最近的一项研究对此进行了更详细的记录。

在本视频的最后一部分，我们介绍了一种评估声带三维振动的新方法，称为声门运动显像分析（chemographic glottal motion analysis）。在数字显像图中，对高速视频中每一帧图像沿某一行的图像信息进行分析，并从左到右依次绘制。所得的显像图展示了声带结构沿扫描线随时间变化的运动过程。

分别对声带顶部和侧面视图生成声图，声图扫描线精确地位于声带的中央。追踪声带边缘的时间偏移。浅蓝色曲线表示声带的侧向偏移，红色和绿色曲线分别表示声带下缘和上缘的垂直偏移。

所获得的信息可整合生成一段动画，以二维形式展示声门中线处声带的运动情况。在本视频中，我们提供了构建半喉装置的教程，并展示了从上方及侧面评估声带振动的一些潜在应用，从而为深入理解发声机制的关键方面提供了重要的实证数据。