Waiting
Login-Verarbeitung ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

Hemi-laryngeal Setup voor het bestuderen van de vocale Fold trillingen in drie dimensies

Published: November 25, 2017 doi: 10.3791/55303
Automatic Translation
1,2, 1, 2,3, 2, 1
1Voice Research Lab, Department of Biophysics, Faculty of Science, Palacky University Olomouc, 2Laboratory of Bio-Acoustics, Dept. of Cognitive Biology, University of Vienna, 3ENES Lab, NEURO-PSI,CNRS UMR 9197, Université Lyon/Saint-Etienne, France

Summary

Deze paper introduceert een protocol voor de bereiding van hemi-strottenhoofd specimens te vergemakkelijken van een multi-dimensionale weergave van vocale vouw trillingen, om te onderzoeken van verschillende biofysische aspecten van de productie van de stem in de mensen en niet-menselijke zoogdieren.

Abstract

De stem van de mensen en de meeste niet-menselijke zoogdieren is gegenereerd in het strottenhoofd door middel van zichzelf onderhoudende trilling van de vocal folds. Directe visuele documentatie van vocale vouw trillingen is uitdagend, met name in de niet-menselijke zoogdieren. Als alternatief bieden verwijderde strottenhoofd experimenten de mogelijkheid te onderzoeken van vocale vouw trillingen onder gecontroleerde fysiologische en fysieke omstandigheden. Het gebruik van een volledige strottenhoofd biedt echter slechts een bovenaanzicht van de vocal folds, met uitzondering van cruciale delen van de oscillerende structuren van waarneming tijdens hun interactie met aërodynamische krachten. Deze beperking kan worden overwonnen door gebruik te maken van een hemi-strottenhoofd setup waar de helft van het strottenhoofd is medio-sagittally verwijderd, bieden een superieure zowel een laterale weergave van de resterende vocale vouw tijdens zichzelf onderhoudende trilling.

Hier is een stapsgewijze handleiding voor de anatomische voorbereiding van hemi-laryngeal structuren en hun montage op de laboratorium-Bank krijgt. Voorbeeldige articulatie van de hemi-strottenhoofd voorbereiding is gedocumenteerd met high-speed video gegevens die zijn vastgelegd door twee gesynchroniseerde camera's (superior en laterale meningen), weergegeven: driedimensionale vocale vouw beweging en bijbehorende tijd tegenover wisselende contactoppervlak. De documentatie voor de hemi-strottenhoofd setup in deze publicatie vergemakkelijkt toepassing en betrouwbare herhaalbaarheid in experimenteel onderzoek, stem wetenschappers te voorzien van de mogelijkheden om de biomechanica van stem productie beter te begrijpen.

Introduction

Stem is meestal gemaakt door trillende laryngeal weefsel (vooral de vocal folds), dat een constante luchtstroom zet, geleverd door de longen, in een reeks van pulsen van de luchtstroom. De golfvorm van de akoestische druk (dat wil zeggen, de primaire geluid) die uit deze opeenvolging van stroom pulsen akoestisch boeit het spraakkanaal die ze filtert, en het resulterende geluid is uit de mond en (tot op zekere hoogte) straalde uit de neus1 . De spectrale samenstelling van het gegenereerde geluid wordt grotendeels beïnvloed door de kwaliteit van de vocale vouw trillingen, vallende laryngeal biomechanica en interacties met de tracheale luchtstroom2. Zowel in een klinische en de context van een onderzoek is documentatie en evaluatie van vocale vouw trilling dus van vooral belang bij de studie van productie van de stem.

Bij de mens, directe Endoscopische onderzoek van het strottenhoofd tijdens geluidsproductie in vivo is uitdagend, en is het vrijwel onmogelijk in niet-menselijke zoogdieren, huidige technologische middelen gegeven. Daarom, en om garantie zorgvuldig gecontroleerd fysieke en/of fysiologische experimentele randvoorwaarden, het gebruik van verwijderde larynges3,4 is in veel gevallen een adequate vervanging voor onderzoek van in vivo stem productie mechanismen.

Vocale vouw vibratie is een complexe driedimensionale fenomeen5. Terwijl conventionele onderzoeksmethoden zoals geven laryngeal endoscopie (in vivo) of verwijderde strottenhoofd preparaten doorgaans slechts een superieure weergave van de trillende vocal folds6, ze doen niet toestaan voor de volledige drie-dimensionale analyse van vocale vouw beweging. In het bijzonder in de superieure weergave zijn de lagere (caudal) marges van de vocal folds onzichtbaar tijdens een groot deel van de trilling cyclus. Dit is te wijten aan de vertraging van de fase tussen de inferior (caudal) en de superieure (craniale) rand van het vocal folds, een verschijnsel dat meestal tijdens vocale vouw trilling5 gezien wordt. Als directe empirisch bewijs voor back-up bevindingen van wiskundige en fysische modellen is schaars, kennis van de geometrie en de motie van de lagere vocal vouwen rand7, en dus de geometrie van de subglottal kanaal8,9 , 10 is cruciaal voor het beter begrijpen van de interactie tussen laryngeal luchtstroom, vocale vouw weefsel en de resulterende krachten en druk11,12. Een ander aspect van de vocale vouw trillingen die is verborgen in de gebruikelijke superieure weergave is de verticale (caudo-craniale) diepte van het contact tussen de twee vocal folds. De verticale contact diepte is gerelateerd aan de verticale dikte van de vocal folds, die een mogelijke indicator van de vocale register gebruikt in zingen ("borst" vs. "falsetto" register)13,14.

Om te overwinnen van de tekortkomingen van conventionele (volledige) verwijderde strottenhoofd preparaten, een zogenaamde hemi-strottenhoofd setup kan gebruikt worden, waar de helft van het strottenhoofd wordt verwijderd, waardoor de beoordelingvan de vibrerende kenmerken van de resterende vocale vouwen in drie dimensies. Verrassend, sinds de invoering van deze opstelling in de jaren 1960-15 en een eerste validatie van het concept in 199316, niet veel laboratoria opgetreden experimenten met deze veelbelovende experimentele aanpak17,18 ,19,20,21,22,23. Een verklaring hiervoor kan gevonden worden in de moeilijkheden van het creëren van een levensvatbare hemi-strottenhoofd voorbereiding. Terwijl de conventionele verwijderde (volledige) strottenhoofd voorbereiding goed gedocumenteerd4 is, zijn geen dergelijke diepgaande instructies nog beschikbaar voor het maken van een hemi-strottenhoofd setup. Daarom is het doel van deze paper om een tutorial voor het opzetten van een betrouwbaar reproduceerbare hemi-strottenhoofd setup, aangevuld met een experimentele resultaten uit edelhert monsters.

Een hemi-strottenhoofd setup deelt vele kenmerken met een "conventionele" verwijderde strottenhoofd setup, zoals meetapparatuur, high-speed of andere imaging technologie om de trillingen van de laryngeal structuren adequaat document tijdens het geluid genereren, of goede toevoer van verwarmde, bevochtigde lucht. Deze algemene overwegingen zijn in detail beschreven in zowel een boek hoofdstuk4 en een technisch verslag van het nationale centrum van stem en spraak24. Herhaling van deze instructies zou buiten het bestek van dit manuscript. Hier, worden alleen de gespecialiseerde richtlijnen voor het genereren van een hemi-strottenhoofd setup gepresenteerd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

De dierlijke specimens die in dit artikel geanalyseerd werden behandeld overeenkomstig de standaard ethische eisen van de Turin Universiteit in Olomouc, Tsjechië. Zij vloeien voort uit edelhert, wild leven in de bossen, die werden tijdens een reguliere jachtseizoen gejaagd door de Tsjechische leger Forest Service.

1. bereiding van het monster Hemi-strottenhoofd

Opmerking: Alleen goed bereide monsters moeten worden gebruikt, zoals aangegeven in4 . Snelle bevriezing van het strottenhoofd25 onmiddellijk na excisie en opslag bij-80 ° C minimaliseert het potentieel van de aantasting van het weefsel en verandering van biomechanische eigenschappen, en laat de experimenten uitvoeren op elk geschikt moment.

  1. Ontdooiing van het strottenhoofd
    1. De bevroren strottenhoofd invoegen door twee autoclaaf zakken of enige andere plastic zakken met waterdichte afdichting. Zegel van de zakken en leg ze in een waterbad verwarmd tot 30 ° C, totdat het strottenhoofd is volledig ontdooid. De duur vereist varieert van enkele uren tot meer dan een dag, afhankelijk van de grootte van het strottenhoofd en de vriestemperatuur.
  2. Reiniging van het strottenhoofd
    1. Nadat het strottenhoofd is ontdooid, haal het uit het zakje en grondig schoon met een zoutoplossing (0,9% NaCl).
    2. Verwijder voorzichtig de overtollige weefsel als toepassing (d.w.z. externe nekspieren, hyoid bot etc.) zonder beschadiging van de belangrijkste laryngeal structuren, en de luchtpijp tot een lengte voldoende voor de montage van het strottenhoofd op een Luchtslang voor de levering te verkorten (meestal ca. 4-5 cm).
    3. Controleer het laryngeal weefsel voor potentiële weefsel-afwijkingen, zoals wonden, organische vervormingen of scheuren potentieel die zich voordoen uit het vriesproces, ertoe dat het strottenhoofd ongeschikt voor het experiment leiden kan.
  3. Blootstelling van de schildklier en cricoid kraakbeen
    1. Het verwijderen van delen van de externe laryngeal spierweefsel rond het kraakbeen van het schildklier en cricoid met behulp van een scalpel, dus het blootstellen van het kraakbeen in voorbereiding voor de mid-Sagittaal gesneden maken de hemi-strottenhoofd. Deze fase van de bereiding is afgebeeld in figuur 1A en 1B.
  4. Mid-Sagittaal doorsnijden van het kraakbeen van de schildklier
    1. Maak een eerste verticale knippen door het voorste deel van het kraakbeen van de schildklier.
    2. Zorgvuldig plaatst de cut iets meer naar de kant die het punt staat te worden verwijderd, om niet te beschadigen de vocale vouw die moet blijven behouden. Gebruik, indien mogelijk, een scalpel voor het snijden. Als het kraakbeen is verbeend, gebruikt u een kleine zaag.
  5. Snijden van het kraakbeen van de cricoid
    1. Leiden de snede verticaal (ondeugdelijkheid) van tussen de arytenoid kraakbeen en vervolgens door het kraakbeen van de cricoid tot een ongeveer horizontale niveau van de inkeping inferieur schildklier.
  6. Verwijdering van een vocale vouwen, het creëren van een L-vormige insnijding in het strottenhoofd
    1. Maak een horizontale knippen vanaf het lagere eind van de eerder gemaakte verticale snede in het kraakbeen van de cricoid, en leiden de nieuwe cut naar de inferieure schildklier inkeping. Anteriorly Vouw de kant van het strottenhoofd die gaat worden verwijderd.
    2. Het maken van een verticale snijden door het zachte weefsel op de binnenzijde van het kraakbeen van de schildklier - wees voorzichtig bij de cut tussen de voorste bijlage van de vocal folds leidt tot het kraakbeen van de schildklier, dus het vermijden van schade aan de vocale vouw.
  7. Verfijning van het deelstuk uitmaakt door de schildklier kraakbeen
    1. Gebruik een scalpel, een zaag, of een bestand, om te passen een precies recht afgesneden in het kraakbeen van de schildklier, en als dicht mogelijk bij het voorste deel van de eerder geïnspecteerde vocale vouw.
    2. Ook een klein deel van het posterieure schildklier kraakbeen verwijderen, om het maken van ruimte voor het invoegen van de pinnen voor het adducting van de arytenoid kraakbeen en dus de vocal vouw (zie hieronder). Deze fase van de bereiding is afgebeeld in Figuur 1 c en 1 D.
      Opmerking: Afhankelijk van de onderzoeksvraag, volledige uiteenzetting van de gehele vocale vouw kan nodig zijn om de zichtbaarheid van boven. In dat geval moeten de structuren boven de (echte) vocale vouw (dat wil zeggen, de ventriculaire of vestibulaire vouwen, als die van toepassing zijn gelet op de anatomie van het model) worden verwijderd. In sommige exemplaren de innerlijke laryngeal weke boven de vocal folds kan verliezen de verbinding met de schildklier kraakbeen en interfereert met de vocale vouw tijdens trillingen, veroorzaakt mogelijk vals (meestal onregelmatige) oscillerende patronen. In een dergelijk geval is zorgvuldige verwijdering van dat weefsel onvermijdelijk.

Figure 1
Figuur 1 : Hemi-strottenhoofd voorbereiding en montage. (A) en (B) opgeschoond strottenhoofd specimen, mediale en achterste zicht, voordat zij zijn afgehaald van links vocale kudde; (C) en (D) bereid hemi-strottenhoofd met L-vormige insnijding (links vocale vouw verwijderd), mediale en posterieure uitzicht. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

2. Hemi-strottenhoofd Experiment

  1. Hemi-laryngeal setup
    1. Gebruik een luchttoevoer tube die verwarmde en bevochtigde lucht in het strottenhoofd levert.
    2. Transparante platen construct twee loodrecht gerangschikt als een vervanging voor verwijderde laryngeal onderdelen.
    3. Gebruik tanden 4 voor verhoging van de stabiliteit van het strottenhoofd en het creëren van een goede pre-phonatory strottenhoofd configuratie door de adducting van de resterende vocale Vouw op de verticale glasplaat (Zie figuur 2A).
      Opmerking: In theorie de vocal folds kunnen ook worden geadduceerd door hechtingen en gewichten op een katrol-greeps systeem 26 . Echter, een dergelijke aanpak heeft tot de beste kennis van deze auteurs, nog niet geprobeerd voor de voorbereiding van een hemilarynx.

Figure 2

Figuur 2 : Hemi-strottenhoofd setup. (A) ondersteunende structuren: air supply buis, L-vormige glazen plaat regeling, adductie uitsteeksels. (B) gemonteerd hemi-strottenhoofd voorbereiding met adductie uitsteeksels. (C) en (D) Close-ups van hemi-strottenhoofd-voorbereiding, gezien vanaf de kant en vanaf de bovenkant, respectievelijk. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. Montage van de hemi-strottenhoofd
    1. Bedek de luchtslang van de levering met gebit fixeerspray crème en mount het strottenhoofd met behulp van het resterende deel van de luchtpijp. De kleefpoeders crème werkt als een lijm en sluit u eventuele hiaten, waardoor een luchtdichte zegel.
    2. Zet vast de luchtpijp met een aanscherping van de riem of een slangklem kunststof.
    3. Ook betrekking op de randen van het deelstuk uitmaakt door middel van het kraakbeen van de schildklier met de room, terwijl het vermijden van de verspreiding van kleefpoeders crème op de vocale vouw of de innerlijke laryngeal weke fixeerspray.
    4. Bevestig de transparante platen.
  2. Stabilisatie van het kraakbeen van de schildklier, adductie van de vocale vouw met uitsteeksels
    1. Gebruik de uitsteeksels adductie van de vocale vouw aan de plaat en het stabiliseren van het kraakbeen van de schildklier.
    2. Nadat de kleefpoeders crème heeft ingesteld, gelden de luchtstroom teneinde vocale vouw trilling en controleren op mogelijke lekkage tussen de hemi-strottenhoofd en de glasplaten.
    3. Zegel uiteindelijk voorkomende hiaten door meer kleefpoeders room toe te voegen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Illustraties van het preparaat hemi-strottenhoofd en de montage ervan op de luchtslang voor levering, waarnaar wordt verwezen in de vorige sectie, worden gegeven in Figuur 1 en Figuur 2, respectievelijk.

Documentatie van vocale vouw trillingen vanuit twee hoeken

Luchtstroom-geïnduceerde zelfvoorzienende trilling van de hemi-strottenhoofd vocale vouw was gedocumenteerd vanaf de bovenkant en vanaf de zijkant met twee gesynchroniseerd high-speed video (HSV) camera's, gevoed met 6.000 frame/s, aangevuld met tijd-synchrone opnames van akoestische en electroglottographic (zie hieronder) gegevens bemonsterd op 44,1 kHz. Meer informatie over de data acquisitie setup met inbegrip van een lijst van gebruikte apparatuur kan worden gevonden in eerdere publicaties door deze groep van auteurs 27,28. Beelden uit deze HSV-opnamen wordt weergegeven in de bijbehorende video. Stilstaande beelden, uitgepakt op representatieve momenten binnen de vibrerende cyclus, zijn afgebeeld in Figuur 3. Het bovenaanzicht (bovenste helft van elk paneel) toont vocale vouwen van de medio-laterale beweging, die een open glottis in figuur 3Aaangeeft, waardoor glottale luchtstroom, terwijl het in Figuur 3-B-D de glottis is gesloten (de vocale vouw is volledig contact met de verticale glasplaat), dus het arresteren van de glottale lucht flow. Het zijaanzicht (onderste helft van elk paneel) in cijfers 3B-D suggereert een wisselende mate van vocale vouw contact tegen de glasplaat, evenals een variërende meetkunde en de verticale locatie van die contactpersoon.

Figure 3
Figuur 3 : Hemi-strottenhoofd vocale vouw trillingen. (A-D) Stilstaande beelden van high-speed video-opnamen uit de top (bovenste helft van elk paneel) en de side view camera's (onderste helft van elk paneel), uitgepakt op vertegenwoordiger punten binnen de vibrerende cyclus. Let op het ontbreken van vocale vouw contact in (A), en de verschillende (beide in de ruimte, vorm en positie) vocale vouw contact in (B-D). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Kymographic glottale bewegingsanalyse

Kwantitatieve glottale bewegingsanalyse wordt geïllustreerd in Figuur 4. De glottis is de variabele opening tussen de (trillende) vocal folds29, gemaakt door hun verlegging tijdens zichzelf onderhoudende trilling. State of the art analyse van bovenaanzicht HSV beeldmateriaal kunt traceren van de laterale verlegging van de vocal folds30,31. De hemi-strottenhoofd voorbereiding hier beschreven voegt de mogelijkheid om te beoordelen ook de verticale (caudo-craniale) aspecten van vocale vouw trillingen.

Figure 4
Figuur 4 : Kymographic glottale bewegingsanalyse.
(A) en (B) Video stills tonen boven- en zijkant uitzicht op de hemi-strottenhoofd, ontleend aan high-speed video (HSV)-opnamen op 6.000 frames/s. De gele verticale lijnen geven de kymographic scan lijn positie voor de kymograms weergegeven in de deelvensters C en E voor het bovenaanzicht en panelen D en F voor het zijaanzicht. (C) en (D) digitale kymograms geëxtraheerd uit de HSV-beelden van de bovenkant en het zijaanzicht, respectievelijk. (E) de tijd tegenover wisselende zijdelingse verplaatsing van de vocale vouw gewonnen uit de kymogram en getraceerd met een lijn (korte streepjes). (F) de tijd tegenover wisselende verlegging van de randen van het inferior en superior van de vocale vouwen, beoordeeld vanuit de kymogram en getraceerd met een onderbroken en een stippellijn, respectievelijk. De synoptische voorstelling (G) van de tijd tegenover wisselende glottale structuren: laterale vocale vouw doorbuiging ("top", bleke violet) en verticale Afbuiging van de superior ("kant sup.", donkerrood) en inferior ("kant inf.", donkergroen) vocale randen geëxtraheerd uit te vouwen de kymograms wordt weergegeven in de deelvensters E en F. (H) Motion-snelheden afgeleid van de glottale structuur verplaatsing gegevens weergegeven in het deelvenster G. (ik) en (J) glottale beweging wederopbouw afgeleid uit de gegevens van de verplaatsing van de superior en inferieur vocale vouw marges weergegeven in het deelvenster G. De pijlen geven de richting van de roterende beweging. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Twee digitale kymograms werden gegenereerd vanuit boven- en zijkant HSV gegevens (cijfers 4C en 4 D). In een digitale kymogram (DKG)32,33,34,35, de pixelgegevens van één regel (meestal op het punt van maximale vocale vouw vibrerende amplitude), ontleend aan een aantal opeenvolgende high-speed videoframes, zijn samengevoegd tot een temporele as op de abscis. De verschuiving van de tijd-variërend van de structuren die de DKG scanlijn vallende is zichtbaar op de coördineren. In het voorbeeld in figuur 4C-F, de DKG scan lijn posities van de top en zijaanzicht uitgekozen halverwege langs de antero-posterior (ventro-dorsal) dimensie van de vocale vouwen, gebruik makend van de aanpak beschreven door Hampala et al.., EQ. 127.

De laterale en caudo-Cranio verlegging van de glottis, werden afgebakend door de randen van minderwaardig en superieure vocale vouwen, getraceerd binnen de DKG-gegevens (cijfers 4E en 4F) en uitgedrukt in metrieke eenheden op basis van de video frame rate en kalibratie informatie ingebed in de video's (Figuur 4 g en H). Een reconstructie van de twee-dimensionale (laterale en verticale) glottale beweging in het midden van de vocale vouw (dat wil zeggen, de plaats van de maximale amplitude van de trilling) meer dan drie volledige glottale cycli wordt weergegeven in figuur 4E en F. Tijdens de meerderheid van de glottale cyclus was de vocale Vouw in contact met de glasplaat (namens glottale sluiting), maar met verschillende contact diepte. Tijdens de open fase (dwz., wanneer de vocale vouw niet in contact met de glasplaat), de sporen van de inferior en de superieure vocal Vouw de rand fuse, en zij vertonen een complexe cyclische bewegingen patroon, in gedeeltelijke overeenkomst met resultaten van andere studies 5 , 20 , 36 , 37 (het patroon van de beweging gevonden bij de mens meestal meer elliptische dan die van het edelhert-model onderzocht hier). Interessant is dat bereikt de verticale verplaatsing een vibrerende amplitude van ongeveer 10 mm, dat wil zeggen, bijna een orde van grootte groter is dan wat werd gevonden bij de mens.

Beoordeling van vocale vouw contact gebied

Electroglottography (ei)38 is een veel gebruikte niet-invasieve methode voor het meten van veranderingen in de relatieve vocale vouw contactoppervlak (VFCA) tijdens de articulatie. Een lage intensiteit, hoogfrequente stroom wordt doorgegeven tussen twee elektroden geplaatst op vocale vouw niveau aan beide zijden van het strottenhoofd. De variaties van de toelating als gevolg van de vocale vouwen (de) te contacteren tijdens laryngeal geluidsproductie grotendeels in verhouding staan tot de tijd tegenover wisselende relatieve vocale vouw contact gebied39. Het ei-signaal wordt uitgegaan worden van een betrouwbare fysiologische correlaat van vocale vouw trillingen, als gevolg van de fundamentele frequentie en het oscillerende regime (onregelmatige of periodieke, met inbegrip van bifurcaties). Ondanks de brede toepassing ervan, is, de mogelijke directe relatie tussen de VFCA en de golfvorm ei tot voor kort alleen getest in een enkele studie17, suggereren een ongeveer lineaire relatie tussen VFCA en de omvang van de signaal ei. Vocale vouw stroom-geïnduceerde trillingen werd echter niet onderzocht in deze studie. Daarom was een strenge empirische evaluatie van ei als een maatregel van relatieve VFCA onder juiste fysiologische omstandigheden daarom nog steeds nodig.

Bij de aanpak van dit probleem, heeft deze groep van auteurs onlangs drie edelhert larynges in de voorbereiding van een verwijderde hemi-strottenhoofd met behulp van een geleidende glas plaat27onderzocht. De tijd variërende contact tussen de vocale vouw en de glasplaat werd bewaakt door high-speed video-opnames gemaakt in het sagittale vlak bij 6000 fps, resultaten gesynchroniseerd met de ei-signaal met een nauwkeurigheid van ± 0.167 ms. vertegenwoordiger van dat onderzoek worden weergegeven in Figuur 5, met vermelding van een gemiddelde tot goede overeenkomst tussen het ei signaal en VFCA – Zie referentie27 voor details).

Figure 5
Figuur 5 : Vergelijking van vocale vouw contactoppervlak (VFCA) en electroglottographic (ei) golfvorm. (A-D) Video stills uit video snelheidsgegevens weergegeven van het zijaanzicht van een edelhert hemi-strottenhoofd op vier instants binnen een glottale cyclus. De handmatig beoordeeld vocale vouw contactpunten (dat wil zeggen, het gebied waar de vocale Vouw in contact met de verticale glasplaat in de hemi-strottenhoofd-setup was) is bovenop in cyaan. (E) vergelijking van genormaliseerde ei en VFCA gegevens voor de vocale vouw contact fase van één glottale cyclus. De gegevens van de VFCA vloeide voort uit de beoordeling van vocal vouw contactoppervlak (geteld in pixels) over de glottale cyclus. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De hemi-strottenhoofd voorbereiding deelt de voordelen van de "conventionele" (volledige) verwijderde strottenhoofd setup: In dergelijke experimentele aanpak, fysieke en fysiologische randvoorwaarden en parameters (zoals subglottal druk en vocale vouw rek) kunnen redelijk goed gecontroleerd. Het gedrag van de hemilarynx is homoloog aan die van een volledige strottenhoofd met een perfecte lateraal symmetrie, met de uitzondering dat magnitude van enkele parameters (bv., lucht debiet, geluidsdruk) met ongeveer 50% worden verminderd, maar nog steeds binnen realistische bereiken16. Het grote nadeel van de volledige verwijderde strottenhoofd aanpak, dwz., het gebrek aan zichtbaarheid van het oppervlak van de vocale vouw langs de superior-inferior (caudo-craniale) dimensie, in de hemi-strottenhoofd setup is weggenomen door een zijaanzicht van de trillende zang Vouw. De hemi-strottenhoofd setup kunt dus beoordeling voor vocale vouw motion in meerdere dimensies, die is van cruciaal belang wanneer het proberen te begrijpen van de fijnere details van het mechanisme van de biofysische geluid generatie in mensen en niet-menselijke zoogdieren.

Hier, zijn verschillende voorbeeldige toepassingen van de hemi-strottenhoofd setup aangetoond. De documentatie van de vocale vouw trillingen vanuit twee hoeken kunt verdere kwalitatieve en kwantitatieve data-analyse. De kymographic glottale bewegingsanalyse in verticale richting, pas ingevoerde in dit document kunt reconstructie van de temporele geometrische variaties van de glottis langs een geselecteerde positie langs de antero-posterior (dorso-ventrale) glottale as. Wanneer deze analyse herhalen voor verschillende punten equidistantly verdeeld langs de glottale as, kon de gehele glottale beweging worden gereconstrueerd. Merk op dat deze benadering vergelijkbare maar niet identieke resultaten biedt in vergelijking met de beoordeling van vocale vouw beweging door markeren en bijhouden van de individuele "fleshpoints" in het weefsel van de vocale vouwen (ook op de punten niet wordt afgesloten met de glottis), bijvoorbeeldmet Micro-hechtingen20 of siliciumcarbide deeltjes5,40. Precieze kennis over de tijd tegenover wisselende glottale geometrie in drie dimensies is cruciaal voor de details van de glottale luchtstroom en de wisselwerking met het trillende laryngeal weefsel verder te onderzoeken. Bijvoorbeeld, rekenmodellen van zelfvoorzienende vocal vouwen trillingen kan worden verbeterd als de meer empirische gegevens in verband met de punt van de luchtstroom jet scheiding 41,42,43,44, 45,46,47,48 beschikbaar komen.

Zoals geïllustreerd in Figuur 5, kan de hemi-strottenhoofd voorbereiding evaluatie van de contactpunten van de vocale vouwen (VFCA) bij zichzelf onderhoudende vocale vouw trillingen. Want een, kennis van de tijd tegenover wisselende relatieve grootte van VFCA nuttig is voor het valideren van de resultaten van de metingen van de electroglottographic27, als ei is een veel gebruikte methode voor niet-invasieve beoordelingvan vocal vouwen trillingen in vivo. Bovendien, meting van de exacte geometrie van de VFCA en de variatie in de tijd kan blijken te zijn cruciaal voor het beter begrijpen van de notie van vocale vouw contact diepte 49 en de mogelijke relatie met de snelheid van de zogenaamde mucosal Golf50 , 51 , 52 , 53. er, een luchtstroom gestuurde reizende Golf treedt op binnen de oppervlakte cover-laag van het weefsel van de vocale vouwen. Deze golf beweegt zich aanvankelijk samen met de trans-glottale luchtstroom uit de inferior naar de superior vocale Vouw de rand, en vervolgens doorgeven het lateraal over het oppervlak van de bovenste vocale vouw eenmaal elke oscillerende cyclus54.

Alles wel beschouwd, is de hemi-strottenhoofd aanpak een krachtige, maar niet gebruikte bestanddeel van het beschikbare arsenaal van empirische methodes voor fundamentele voice wetenschap. Hier een tutorial voor het maken van een hemi-strottenhoofd preparaat wordt gepresenteerd, en sommige potentiële toekomstige toepassingen worden besproken. De gegeven instructies kunnen helpen verbeteren van de herhaalbaarheid van experimenten in verschillende laboratoria, waardoor stem wetenschappers met het potentieel om de biomechanica van stem productie beter te begrijpen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd gesteund door de toekenning van een APART van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen (CTH), het Bureau van de technologie van de Tsjechische Republiek project neen. TA04010877 (CTH, VH en JGS), en de Tsjechische Science Foundation (GACR) project geen GA16-01246S (tot JGS). Wij danken W. Tecumseh Fitch voor zijn suggestie om gebruik gebit kleefpoeders crème, en Ing. P. Liska uit de Tsjechische leger Forest Service voor zijn hulp bij het verwerven van de verwijderde herten larynges.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Surgical blades Surgeon Jai Surgical Ltd., New Delhi, India
Saw Hand saw (Lux, 150 mm length) Lux, Wermelskirchen, Germany
Thermometer Testo 922 Testo Ltd., Hampshire, UK K-type Probe, Operating temperature -20 to +50 °C
Autoclave bags Autoclave bags vwr.com, VWR International s.r.o., Stribrna Skalice, Czech republic
Conductive glass plates Custom made UPOL - Joint laboratory of Optics
Trida 17. listopadu 50A, 772 07 Olomouc, the Czech Rep.
Fixative cream Denture fixative cream Blend-a-dent Natural
Prongs and fastening system Customized Kanya Al eloxed profiles Distributor: VISIMPEX a.s.. Seifertova 33, 750 02 Prerov, the Czech Rep.;  Combination of Kanya RVS and PVS fastening systems (http://www.kanya.cz/) + custom made prongs
Mounting tube Custom made UPOL - Joint laboratory of Optics,
Trida 17. listopadu 50A, 772 07 Olomouc, the Czech Rep.
LED Light Verbatim 52204 LED Lamp Mitsubishi Chemical Holdings Corporation, Tokyo, Japan
Camera Canon EOS1100D Canon Inc. 18-55 mm lens
Airpump Resun LP100 Resun
Strobe light ELMED Helio-Strob micro2 ELMED Dr. Ing. Mense GmbH, Heiligenhaus, Germany
Humidifier Custom made Voice Research Lab, Dept. Biophysics, Faculty of Sciences, Palacky University Olomouc, Czech republic
Subglottic tract Custom made adjustable subglottic tract Voice Research Lab, Dept. Biophysics, Faculty of Sciences, Palacky University Olomouc, Czech republic Hampala, V., Svec, Jan, Schovanek, P., and Mandat, D. Uzitny vzor c. 25585: Model subglotickeho traktu. [Utility model no. 25585: Model of subglottal tract] (In Czech) Soukup, P. 2013-27834(CZ 25505 U1), 1-7. 24-6-2013. Praha, Urad prumysloveho vlastnictvi

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Story, B. H. An overview of the physiology, physics and modeling of the sound source for vowels. Acoust Sci Technol. 23 (4), 195-206 (2002).
  2. Titze, I. R. Principles of voice production (second printing). , National Center for Voice and Speech. Iowa City, IA. (2000).
  3. Cooper, D. S. Ch. 95. Otolaryngology - head and neck surgery. Cummings, C. W., Fredrickson, J. M., Harker, L. A., Schuller, D. E., Krause, C. J. 3, C. V. Mosby. St. Louis and Toronto. 1728-1737 (1986).
  4. Titze, I. R. The myoelastic aerodynamic theory of phonation. Titze, I. R. , National Center for Voice and Speech. Denver CO and Iowa City IA. 1-62 (2006).
  5. Baer, T. Investigation of phonation using excised larynxes (Doctoral dissertation). , Massachusetts Institute of Technology. Cambridge, Mass. (1975).
  6. Bless, D. M., Patel, R. R., Connor, N. Ch. 11. The Larynx. Fried, M. P., Ferlito, A. I, Third Edition, Plural Publishing. San Diego, CA. 181-210 (2009).
  7. Berke, G. S., et al. Laryngeal modeling: theoretical, in vitro, in vivo. Laryngoscope. 97, 871-881 (1987).
  8. Scherer, R. C., Titze, I. R., Curtis, J. F. Pressure-flow relationships in two models of the larynx having rectangular glottal shapes. J Acoust Soc Am. 73 (2), 668-676 (1983).
  9. Sidlof, P., et al. Geometry of human vocal folds and glottal channel for mathematical and biomechanical modeling of voice production. J Biomech. 41 (5), 985-995 (2008).
  10. Scherer, R. C., Torkaman, S., Kuehn, D. P., Afjeh, A. A. Intraglottal pressures in a three-dimensional model with a non-rectangular glottal shape. J Acoust Soc Am. 128 (2), 828-838 (2010).
  11. Titze, I. R. The physics of small-amplitude oscillation of the vocal folds. J Acoust Soc Am. 83 (4), 1536-1552 (1988).
  12. Horacek, J., Svec, J. G. Ch. 2. Paidoussis, M. P. Proceedings of the 5th International Symposium on Fluid Structure Interaction, Aeroelasticity, Flow Induced Vibration and Noise (IMECE2002), Vol.3 ASME Int. Mechanical Engineering Congress, 17-22 November 2002, New Orleans, Louisiana, USA (CD-ROM)., New Orleans, Louisiana, USA, , 1043-1054 (2002).
  13. Vilkman, E., Alku, P., Laukkanen, A. M. Vocal-fold collision mass as a differentiator between registers in the low-pitch range. J Voice. 9 (1), 66-73 (1995).
  14. Herbst, C. T., Svec, J. G. Adjustment of glottal configurations in singing. J Singing. 70 (3), 301-308 (2014).
  15. Hiroto, I. Vibration of vocal cords: an ultra high-speed cinematographic study(Film). , Department of otolaryngology, Kurume University. Kurume, Japan. (1968).
  16. Jiang, J. J., Titze, I. R. A methodological study of hemilaryngeal phonation. Laryngoscope. 103 (8), 872-882 (1993).
  17. Scherer, R. C., Druker, D. G., Titze, I. R. Vocal physiology: voice production, mechanisms and functions. Fujimura, O. , Raven Press. New York. 279-291 (1988).
  18. Jiang, J. J., Titze, I. R. Measurement of vocal fold intraglottal pressure and impact stress. J Voice. 8 (2), 132-144 (1994).
  19. Alipour, F., Scherer, R. C. Dynamic glottal pressures in an excised hemilarynx model. J Voice. 14 (4), 443-454 (2000).
  20. Berry, D. A., Montequin, D. W., Tayama, N. High-speed digital imaging of the medial surface of the vocal folds. J Acoust Soc Am. 110 (5 Pt 1), 2539-2547 (2001).
  21. Döllinger, M., Tayama, N., Berry, D. A. Empirical eigenfunctions and medial surface dynamics of a human vocal fold. Methods Inf Med. 44 (3), 384-391 (2005).
  22. Döllinger, M., Berry, D. A., Berke, G. S. Medial surface dynamics of an in vivo canine vocal fold during phonation. J Acoust Soc Am. 117 (5), 3174-3183 (2005).
  23. Döllinger, M., Berry, D. A., Kniesburges, S. Dynamic vocal fold parameters with changing adduction in ex-vivo hemilarynx experiments. J Acoust Soc Am. 139 (5), 2372-2385 (2016).
  24. Durham, P. L., Scherer, R. C., Druker, D. G., Titze, I. R. Development of excised larynx procedures for studying mechanisms of phonation. Technical report. , Voice Acoustics and Biomechanics Laboratory, Department of Speech Pathology and Audiology, The University of Iowa. (1987).
  25. Chan, R. W., Titze, I. R. Effect of postmortem changes and freezing on the viscoelastic properties of vocal fold tissues. Ann Biomed Eng. 31 (4), 482-491 (2003).
  26. Berg van den, J. W., Tan, T. S. Results of experiments with human larynxes. Practica Oto-Rhino-Laryngologica. 21, 425-450 (1959).
  27. Hampala, V., Garcia, M., Svec, J. G., Scherer, R. C., Herbst, C. T. Relationship between the electroglottographic signal and vocal fold contact area. J Voice. 30 (2), 161-171 (2016).
  28. Herbst, C. T., et al. Glottal opening and closing events investigated by electroglottography and super-high-speed video recordings. J Exp Biol. 217 (6), 955-963 (2014).
  29. Zemlin, W. R. Speech and hearing science: Anatomy & physiology. , 3, Prentice Hall. New Jersey. (1988).
  30. Lohscheller, J., Toy, H., Rosanowski, F., Eysholdt, U., Döllinger, M. Clinically evaluated procedure for the reconstruction of vocal fold vibrations from endoscopic digital high-speed videos. Med. Image Anal. 11 (4), 400-413 (2007).
  31. Wittenberg, T., Moser, M., Tigges, M., Eysholdt, U. Recording, processing, and analysis of digital high-speed sequences in glottography. Mach Vis Appl. 8 (6), 399-404 (1995).
  32. Larsson, H., Hertegard, S., Lindestad, P. A., Hammarberg, B. Vocal fold vibrations: high-speed imaging, kymography, and acoustic analysis: a preliminary report. Laryngoscope. 110 (12), 2117-2122 (2000).
  33. Wittenberg, T., Tigges, M., Mergell, P., Eysholdt, U. Functional imaging of vocal fold vibration: digital multislice high-speed kymography. J Voice. 14 (3), 422-442 (2000).
  34. Deliyski, D., Petrushev, P. AQL 2003 Hamburg: Proceeding Papers for the Conference Advances in Quantitative Laryngology, Voice and Speech Research. (CD ROM). Schade, G., Müller, F., Wittenberg, T., Hess, M. , IRB Verlag. Stuttgart, Germany. 1-16 (2003).
  35. Svec, J. G., Schutte, H. K. Kymographic imaging of laryngeal vibrations. Curr Opin Otolaryngol Head Neck Surg. 20 (6), 458-465 (2012).
  36. Doellinger, M., Berry, D. A. Visualization and quantification of the medial surface dynamics of an excised human vocal fold during phonation. J Voice. 20 (3), 401-413 (2006).
  37. Kusuyama, T., Fukuda, H., Shiotani, A., Nakagawa, H., Kanzaki, J. Analysis of vocal fold vibration by x-ray stroboscopy with multiple markers. Otolaryngol Head Neck Surg. 124 (3), 317-322 (2001).
  38. Fabre, P. Un procédé électrique percuntané d'inscription de l'accolement glottique au cours de la phonation: glottographie de haute fréquence; premiers résultats [A non-invasive electric method for measuring glottal closure during phonation: High frequency glottography: first results]. Bull. Acad. Nat. Med. 141, 66-69 (1957).
  39. Baken, R. J. Electroglottography. J Voice. 6 (2), 98-110 (1992).
  40. Baer, T. Vocal Fold Physiology. Stevens, K. N., Hirano, M. , University of Tokyo Press. Tokyo. 119-133 (1981).
  41. Pelorson, X., Hirschberg, A., van Hassel, R. R., Wijnands, A. P. J., Auregan, Y. Theoretical and experimental study of quasisteady-flow separation within the glottis during phonation. Application to a modified two-mass model. J Acoust Soc Am. 96 (6), 3416-3431 (1994).
  42. Alipour, F., Scherer, R. C. Flow separation in a computational oscillating vocal fold model. J Acoust Soc Am. 116 (3), 1710-1719 (2004).
  43. Zhang, Z. Influence of flow separation location on phonation onset. J Acoust Soc Am. 124 (3), 1689-1694 (2008).
  44. Kaburagi, T., Tanabe, Y. Low-dimensional models of the glottal flow incorporating viscous-inviscid interaction. J Acoust Soc Am. 125 (1), 391-404 (2009).
  45. Sidlof, P., Doaré, O., Cadot, O., Chaigne, A. Measurement of flow separation in a human vocal folds model. Exp Fluids. 51 (1), 123-136 (2011).
  46. Smith, S. L., Thomson, S. L. Effect of inferior surface angle on the self-oscillation of a computational vocal fold model. J Acoust Soc Am. 131 (5), 4062-4075 (2012).
  47. Khosla, S., Oren, L., Ying, J., Gutmark, E. Direct simultaneous measurement of intraglottal geometry and velocity fields in excised larynges. Laryngoscope. 124, S1-S13 (2014).
  48. Brücker, C., Kirmse, C., Triep, M. Feedback of the glottal jet flow with supraglottal wall oscillations. Acta Acustica United With Acustica. 102 (2), 240-243 (2016).
  49. Herbst, C. T., Fitch, W. T., Lohscheller, J., Svec, J. G. AQL 2013, Proceedings of the 10th International Conference on Advances in Quantitative Laryngology, Voice and Speech Research. Deliyski, D. D. , AQL Press. Cincinnati, Ohio, USA. 75-76 (2013).
  50. Berke, G. S., Gerratt, B. R. Laryngeal biomechanics: an overview of mucosal wave mechanics. J Voice. 7 (2), 123-128 (1993).
  51. Boessenecker, A., Berry, D. A., Lohscheller, J., Eysholdt, U., Doellinger, M. Mucosal wave properties of a human vocal fold. Acta Acustica United With Acustica. 93 (5), 815-823 (2007).
  52. Hirano, M. Clinical examination of voice. 5, Springer-Verlag. Wien, Austria. (1981).
  53. Jing, B., Tang, S., Wu, L., Wang, S., Wan, M. Visualizing the Vibration of Laryngeal Tissue during Phonation Using Ultrafast Plane Wave Ultrasonography. Ultrasound in Med BIol. 42 (12), 2812-2825 (2016).
  54. Herbst, C. T. Ch. 6. Vertebrate Sound Production and Acoustic Communication. Suthers, R. A., Fitch, W. T., Fay, R. R., Popper, A. N. , Springer International Publishing. Switzerland. 159-189 (2016).

Tags

Fysiologie kwestie 129 stem productie hemi-strottenhoofd verwijderde strottenhoofd vocal folds kymographic glottale bewegingsanalyse vocale vouw contact VFCA electroglottography
Hemi-laryngeal Setup voor het bestuderen van de vocale Fold trillingen in drie dimensies
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Herbst, C. T., Hampala, V., Garcia,… More

Herbst, C. T., Hampala, V., Garcia, M., Hofer, R., Svec, J. G. Hemi-laryngeal Setup for Studying Vocal Fold Vibration in Three Dimensions. J. Vis. Exp. (129), e55303, doi:10.3791/55303 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter