Name: 三维声带振动的半喉设置研究 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-11-25T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 13 s
Description: 了解半喉标本制备方法，用于从多角度观察声带振动。该技术有助于研究人类及非人类哺乳动物的发声机制，揭示传统全喉设置中隐藏的振动特征。

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本工作得到了奥地利科学院APART基金（CTH）、捷克共和国技术局项目编号TA04010877（CTH、VH和JGS）以及捷克科学基金会（GACR）项目编号GA16-01246S（授予JGS）的支持。我们感谢W. Tecumseh Fitch提出使用假牙固定霜的建议，以及捷克陆军林业局Ing. P. Liska在获取切除的鹿喉方面的帮助。

本文分析的动物标本均按照捷克共和国奥洛穆茨帕拉茨基大学的标准伦理要求进行处理。这些标本来自在森林中野生生活的马鹿，由捷克军队林业部门在常规狩猎季节期间猎获。
1. 半喉标本的制备
注意：应使用如文献4所述正确制备的标本。喉部组织在切除后应立即快速冷冻25，并在 -80 °C 下保存，以最大限度减少组织降解和生物力学特性改变的风险，并允许在合适的时间进行实验。
<ol>
	<li>解冻喉部
	<ol>
		<li>将冷冻的喉部放入两个高压灭菌袋或其他具有防水密封功能的塑料袋中。密封后，将其置于30 °C的水浴中，直至喉部完全解冻。所需时间从数小时到超过一天不等，具体取决于喉部大小和冷冻温度。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>清洗喉部
	<ol>
		<li>喉部解冻后，将其从袋中取出，并用生理盐水（0.9% NaCl）彻底清洗。</li>
		<li>根据需要小心去除多余组织（如外部颈部肌肉、舌骨等），避免损伤主要喉部结构，并将气管缩短至适合将喉部安装到供气管上的长度（通常约为4–5 cm）。</li>
		<li>检查喉部组织是否存在潜在异常，例如伤口、器质性变形或因冷冻过程可能产生的裂纹，这些因素可能导致喉部不适合用于实验。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>暴露甲状软骨和环状软骨
	<ol>
		<li>使用手术刀去除甲状软骨和环状软骨周围的部分外部喉部肌肉组织，从而暴露软骨，为进行正中矢状切口以制备半喉做准备。该准备阶段如图1A和1B所示。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过甲状软骨进行正中矢状切口
	<ol>
		<li>在甲状软骨前部做一个初始的垂直切口。</li>
		<li>小心地将切口略微偏向即将被移除的一侧，以避免损伤需要保留的声带。如可能，使用手术刀进行切割；若软骨已骨化，则使用小型锯子。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>切割环状软骨
	<ol>
		<li>从杓状软骨之间开始，垂直（向下）切开，并穿过环状软骨，直至达到下甲状切迹的大致水平位置。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>移除一侧声带，在喉部形成L形切口
	<ol>
		<li>从环状软骨上先前所做垂直切口的下端开始，做一个水平切口，并将新切口引向下甲状切迹。将准备移除的一侧喉部向前折叠。</li>
		<li>通过甲状软骨内侧的软组织做垂直切口——在切开声带前部与甲状软骨连接处之间的区域时需格外小心，以避免损伤声带。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>优化甲状软骨切口
	<ol>
		<li>使用手术刀、锯子或锉刀，在甲状软骨上实现一条精确且平直的切口，并尽可能接近先前检查过的声带前部。</li>
		<li>同时去除一小部分后部甲状软骨，以便为插入用于内收杓状软骨（从而内收声带）的叉状装置留出空间（见下文）。该准备阶段如图1C和1D所示。 
		注意：根据研究问题的不同，可能需要完全暴露整个声带，以便从上方清晰观察。在此情况下，应去除声带（真声带）上方的结构（如根据标本解剖情况相应的室带或前庭襞）。在某些标本中，声带上方的内部软组织可能与甲状软骨失去连接，并在振动过程中干扰声带运动，可能导致虚假的（多为不规则的）振荡模式。此时，必须小心去除该部分组织。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="喉部解剖图，显示会厌、甲状软骨、环状软骨、声带、杓状软骨。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55303/55303fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
图1：半喉制备与安装。（A）和（B）清理后的喉标本，内侧和后侧视图，左侧声带尚未切除；（C）和（D）制备完成的半喉，呈L形切口（左侧声带已切除），内侧和后侧视图。<a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/55303/55303fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

2. 半喉实验
<ol>
	<li>半喉装置
	<ol>
		<li>使用气源管将加温加湿的空气输送至喉部。</li>
		<li>构建两个相互垂直排列的透明板，以替代被移除的喉部结构。</li>
		<li>使用叉状支架4以增强喉部稳定性，并通过将残留的声带内收至垂直玻璃板来形成适当的发声前喉部构型（见图2A）。 
		注意：理论上，也可通过缝线和滑轮-杠杆系统上的重物实现声带内收26。然而，据作者所知，此类方法尚未在半喉制备中进行尝试。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="玻璃板与内收叉静态平衡实验装置，前视图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55303/55303fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 2">
图2：半喉装置。（A）支撑结构：气源管、L形玻璃板装置、内收叉针。（B）安装好的半喉制备样本及内收叉针。（C）和（D）分别为从侧面和顶部观察的半喉制备样本的特写图。<a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/55303/55303fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<ol start="2">
	<li>安装半喉装置
	<ol>
		<li>用义齿固定霜覆盖气源管，并利用喉部残留的气管部分将其安装到位。固定霜起到粘合剂的作用，可封闭潜在缝隙，从而形成气密性密封。</li>
		<li>使用塑料紧固带或软管夹固定气管。</li>
		<li>同时用固定霜覆盖甲状软骨切割边缘，注意避免将固定霜涂抹到声带或喉内柔软组织上。</li>
		<li>安装透明板。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>稳定甲状软骨，使用叉状装置内收声带
	<ol>
		<li>使用叉状装置将声带内收至板面，并稳定甲状软骨。</li>
		<li>待固定霜固化后，通入气流以引发声带振荡，并检查半喉装置与玻璃板之间是否存在漏气现象。</li>
		<li>如有缝隙漏气，可补充更多固定霜进行密封。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

半喉制备具有以下优点 &#34;常规的&#34; （完整）离体喉装置：在这种实验方法中，声门下压力或声带伸长等物理和生理边界条件与参数可以得到较好的控制。半喉的运动行为与具有完美侧向对称性的完整喉相似，只是某些参数的量值例如．、气流速率、声压）降低约50%，但仍处于合理范围内16完整切除喉部方法的主要缺点是， 即然而，在半喉装置中，通过提供声带振动的侧视视角，克服了沿头尾（尾-头）方向声带表面可见度不足的问题。因此，半喉装置能够从多个维度评估声带运动，这对于深入理解人类及非人类哺乳动物发声过程中生物物理机制的细微特征至关重要。
在此，展示了半喉装置的若干典型应用。从两个摄像角度记录声带振动情况，可进一步进行定性和定量数据分析。本文首次引入的垂直方向喉镜运动的显微测振分析法，能够重建沿声门前后（背-腹）轴线上选定位置处声门时间-几何变化情况。当沿声门轴线等间距选取多个点重复此分析时，可重建整个声门的运动过程。需注意，该方法所得结果与通过标记并追踪声带特定点来评估声带运动的方法具有可比性，但并不完全相同...

声音通常由喉部组织（主要是声带）振动产生，将肺部提供的稳定气流转换为一系列气流脉冲。声学压力波形（即由这一系列气流脉冲产生的主要声波在声学上激励声道，经其滤波后，声音从口腔辐射而出，并在一定程度上从鼻腔辐射。1产生的声音的频谱构成在很大程度上受到声带振动质量的影响，而声带振动质量由喉部生物力学特性及与气管气流的相互作用所调控。2因此，无论是在临床还是研究背景下，对声带振动的记录与评估在嗓音产生研究中都具有重要意义。
在人类中，通过内窥镜直接观察发声过程中喉部的 in vivo 研究具有挑战性，而在非人类哺乳动物中，鉴于当前的技术手段，几乎无法实现。因此，为了确保对物理和/或生理实验边界条件进行严格控制，使用离体喉部3,4 在许多情况下是研究 in vivo 发声机制的适当替代方法。
声带振动是一种复杂的三维现象5。尽管传统的研究方法（如喉镜检查（in vivo）或离体喉标本实验）通常只能提供声带振动时的上方视图6，但这些方法无法实现对声带运动的完整三维分析。特别是，在上方视图中，声带的下缘（尾侧边缘）在振动周期的大部分时间内均不可见。这主要是由于声带的下缘（尾侧）与上缘（头侧）之间存在相位延迟，这一现象在声带振荡过程中通常可见5。由于支持数学和物理模型结论的直接实验证据较为缺乏，因此了解声带下缘的几何形态与运动特征7，以及由此决定的声门下通道的几何结构8,9,10，对于深入理解喉部气流、声带组织及其所产生的力与压力之间的相互作用至关重要11,12。另一个在常规上方视图中无法观察到的声带振动特征，是两侧声带之间接触的垂直（尾头向）深度。该垂直接触深度与声带的垂直厚度相关，而后者可能是歌唱时所用发声声区（&#34;真声&#34;与&#34;假声&#34;声区）的潜在指标13,14。
为了克服传统（完整）离体喉标本制备方法的局限性，可采用一种所谓的半喉装置，即切除喉部的一侧，从而便于对剩余声带的三维振动特性进行评估。令人意外的是，自20世纪60年代提出该装置15并于1993年初步验证其概念以来16，采用这一具有前景的实验方法开展研究的实验室并不多见17,18,19,20,21,22,23。造成这一现象的原因可能在于制备可有效使用的半喉标本存在技术困难。尽管传统的离体（完整）喉标本制备方法已有详尽记录4，但目前尚无类似的详细操作指南用于构建半喉装置。因此，本文旨在提供一套建立可稳定重复的半喉装置的详细教程，并辅以马鹿标本的实验结果。
半喉装置与&#34;传统&#34;离体喉装置具有许多共同特征，例如测量设备、高速或其他成像技术，用于充分记录发声过程中喉部结构的振动，以及加热加湿空气的适当供应。这些通用装置设置的考虑因素已在一本图书章节4和国家嗓音与言语中心的一份技术报告24中有详细描述。重复阐述这些说明将超出本文的范围。本文仅介绍构建半喉装置的专用操作步骤。

<table><tbody><tr><td>手术刀片</td><td>外科医生</td><td>Jai Surgical Ltd.，印度新德里</td><td></td></tr><tr><td>锯子</td><td>手锯（Lux，150 mm 长度）</td><td>Lux，德国韦尔梅尔斯基兴</td><td></td></tr><tr><td>温度计</td><td>Testo 922</td><td>Testo Ltd.，英国汉普郡</td><td>K型探头，工作温度 -20 至 +50 &amp;deg;C</td></tr><tr><td>高压灭菌袋</td><td>高压灭菌袋</td><td>vwr.com，VWR International s.r.o.，捷克斯特里布纳·斯卡利采</td><td></td></tr><tr><td>导电玻璃板</td><td>定制</td><td>UPOL - 光学联合实验室&lt;br/&gt; Trida 17. listopadu 50A, 772 07 Olomouc, 捷克共和国</td><td></td></tr><tr><td>固定霜</td><td>义齿固定霜</td><td>Blend-a-dent Natural</td><td></td></tr><tr><td>叉状部件及固定系统</td><td>定制 Kanya 铝氧化型材</td><td>经销商：VISIMPEX a.s.，Seifertova 33, 750 02 Prerov, 捷克共和国；</td><td>&amp;nbsp;Kanya RVS 与 PVS 固定系统的组合（http://www.kanya.cz/）+ 定制叉状部件</td></tr><tr><td>安装管</td><td>定制</td><td>UPOL - 光学联合实验室，&lt;br/&gt; Trida 17. listopadu 50A, 772 07 Olomouc, 捷克共和国</td><td></td></tr><tr><td>LED 灯</td><td>Verbatim 52204 LED 灯</td><td>三菱化学控股集团，日本东京</td><td></td></tr><tr><td>相机</td><td>Canon EOS1100D</td><td>佳能公司</td><td>18-55 mm 镜头</td></tr><tr><td>气泵</td><td>Resun LP100</td><td>Resun</td><td></td></tr><tr><td>频闪灯</td><td>ELMED Helio-Strob micro2</td><td>ELMED Dr. Ing. Mense GmbH，德国海利根豪斯</td><td></td></tr><tr><td>加湿器</td><td>定制</td><td>语音研究实验室，生物物理学系，理学院，帕拉茨基大学奥洛穆茨，捷克共和国</td><td></td></tr><tr><td>声门下通道</td><td>可调节定制声门下通道</td><td>语音研究实验室，生物物理学系，理学院，帕拉茨基大学奥洛穆茨，捷克共和国</td><td>Hampala, V., Svec, Jan, Schovanek, P., 和 Mandat, D. 实用新型编号 25585：声门下通道模型。[实用新型编号 25585：声门下通道模型]（捷克语）Soukup, P. 2013-27834(CZ 25505 U1), 1-7. 2013年6月24日。布拉格，工业产权局</td></tr></tbody></table>

用于研究声带三维振动的半喉实验装置

Hemi-laryngeal Setup for Studying Vocal Fold Vibration in Three Dimensions

人类和大多数非人类哺乳动物的声音是在喉部通过声带的自持振荡产生的。直接记录声带振动的可视化资料具有挑战性，尤其是在非人类哺乳动物中。作为一种替代方法，离体喉实验能够在受控的生理和物理条件下研究声带振动。然而，使用完整的喉部仅能提供声带的顶部视图，导致在声带与空气动力相互作用过程中，其振荡结构的关键部分无法被观察到。这一局限性可通过采用半喉装置来克服，即通过矢状面中线切除喉部的一侧，从而在声带自持振荡期间同时获得剩余声带的上方和侧方视图。
本文提供了喉半切结构的解剖制备及其在实验台上的安装步骤的逐步指导。通过两台同步高速摄像机（上方和侧方视角）采集的高速视频数据，记录了喉半切标本发声的示例，展示了声带的三维运动及其相应的随时间变化的接触面积。本出版物中对喉半切实验装置的详细记录将有助于在实验研究中实现该技术的应用与可靠的可重复性，使嗓音科学研究人员能够更深入地理解发声过程中的生物力学机制。

如前一节所述，半喉标本制备及其在气源管上安装的示意图分别如图1和图2所示。
从两个摄像角度记录声带振动
从上方和侧面使用两台同步的高速视频（HSV）摄像机记录半喉声带在气流诱导下的自持振荡，摄像机采集速率为每秒6,000帧，同时以44.1 kHz采样率同步记录声学信号和电声门图（详见下文）数据。有关数据采集系统的更多细节，包括所用设备清单，可参见该作者团队此前发表的文献。 27,28。这些HSV记录的影像片段见于随附的视频中。在振动周期的代表性时刻提取的静态图像如图...

本文介绍了一种制备半喉标本的方案，可实现声带振动的多维度观察，从而研究人类及非人类哺乳动物发声过程中多种生物物理特性。

人类和大多数非人类哺乳动物的声音是在喉部通过声带的自激振荡产生的。直接视觉……

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。

hemi-laryngeal-setup-for-studying-vocal-fold-vibration-three

Research

科研

JoVE Journal

Biology

生物学

三维声带振动的半喉设置研究

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。...

合成多层自振式声带模型的制备

本文介绍了一种用于多种流体流动的定量三维（3D）成像技术。基于光场成像领域的原理，我们从图像阵列中重建三维体积。我们的三维结果涵盖广泛，包括速度场和多相气泡尺寸分布。...

通过多相机光场成像确定三维流场

声带息肉可能干扰声带的动态功能，从而对患者的沟通能力造成严重影响。本研究采用粒子图像测速技术、壁面摩擦线可视化方法以及壁面压力测量，考察了壁面固定模型息肉引起的三维流动分离及其对壁面压力载荷的影响。...

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