合成、マルチレイヤ、自己発振声帯モデルの作製

サマリー

合成声帯モデルを製造するための方法論が説明されています。モデルは等身大であり、人間の声帯の多層構造を模倣する。結果は、モデルは肺の圧力に匹敵する圧力で自己発振し、人間の声帯に似ている流動誘起振動応答を示すことを示しています。

要約

人間の声のための音が流れ誘発性声帯振動を介して生成されます。声帯は、組織のいくつかの層、異なる材料特性¹との各々で構成されています。通常の発声は、健康な組織と声帯に依存しており、空気力学、構造的なダイナミック、そして音響物理現象との間の複雑な結合の結果として発生します。音声障害は米国だけで²の年間750万まで影響し、しばしば重要な、経済的、社会的、その他のQOLの難しさにつながる。発声の物理を理解することは臨床予防、診断、および音声障害の治療を含め、大幅にボイスケアに利益をもたらす可能性を秘めています。

発声を研究するための既存の方法は、切り出されたlarynxの複数形と合成モデルを用いた in vitro実験で 、人間と動物の被験者を用いた in vivo実験、および計算モデルに含まれていますING。危険と困難な機器へのアクセスのおかげで、in vivoの実験で深刻なスコープに制限されています。切除した喉頭の実験では、解剖学的および生理的リアリズムの利点がありますが、幾何学的および材料プロパティの変数を含むパラメトリック解析は限られている。さらに、彼らは通常、時間の比較的短い期間（通常は分のオーダー）のために振動することのみ可能です。

切除した喉頭の実験のいくつかの制限を克服し、合成声帯モデルは、音声の制作を研究するための補完的なツールとして浮上している。合成モデルは、健康と不健康な人間の発声空気力学、構造力学、および音響の研究を可能にする、幾何学と材料特性の体系的変化に作製することができます。例えば、彼らは^3,4、医療機器の開発^5、喉頭空気力学^6-9、VOCを非対称左右の声帯を研究するために使用されているら倍の接触圧^10、及びsubglottal音響^11（より包括的なリストがKniesburgesらで見つけることができます^。12）

合成声帯モデル、既存の、しかし、いずれの均質されている（1層モデル）または（二層モデル）剛性の異なる二つの材料を用いて製造されている。このアプローチでは、声帯流動誘起振動応答を支配する中心的な役割を果たしている人間の声帯¹の実際の多層構造の表現のために許可されていません。その結果、1次元および2層の合成声帯モデルは、（発症の圧力が振動を開始するために必要な最小肺の圧力である）人間の発声のための代表的なものよりも高い発症の圧力などの欠点^3,6,8を展示し、不自然に大きな劣る-している優れた運動、そして"粘膜波動"（健康な人間の声帯振動の特徴である縦型進行波）の欠如。 1。結果は、モデルが上の改善振動特性を示すことをその番組を含まれている前に1桁および2層の発症の人間の発症の圧力に近い圧力、減少劣る - 優れたモーション、および粘膜波動の証拠を含む合成モデル、。

プロトコル

製造シーケンス（ 図1参照 ） は 、声帯モデル層のための金型を作る順番にシリコン層をキャスト、およびテストのためのモデルをマウントで構成されています。単繊維に加えて、体、靭帯、表面的な固有層、および上皮：モデルは、4つの層があります。バッキング層は声帯モデルに個々の層の正確な配置を容易にするために追加されます。モデルの幾何学的パラメータの定義を図に示します。 2、表1に示した現在のモデルのパラメータ値を持つ。以下のセクションでは、異なるシリコン混合比率は異なるレイヤに指定され、これらは、（ 表2参照）小さなひずみ領域¹³に、人間の声帯組織のために報告されたものと類似している材料特性を作り出す。

1。金型製作と準備

1. スーパ：3つの声帯の層のソリッドモデルを作成します。rficial固有層、靭帯、およびボディの層。これは通常、光造形（STL）ファイルとしてCADモデルをエクスポートし、ラピッドプロトタイピングのためのカスタムマシンショップにSTLファイルを送信し、目的のジオメトリを持つ3次元コンピュータ支援設計（CAD）モデルを作成することによって行われます。
2. アクリル素材の薄い部分を使って箱形の金型のフォームを作成します。おおよその寸法は（重要ではない）2.54​​センチの高さである× 5.72センチメートル（幅）× 6.35センチメートル深い。平らなアクリルプレートに付着させてフォームの下部を行います。真空グリースですべての内部エッジを封印。
3. 所望の形状のソリッドモデル（すなわち、体、靭帯、または表面的な粘膜固有層）の側面上に真空グリースの少量を置きます。真空グリースは、場所の一部を保持しているように、ダウン、型枠のキャビティの底部に真空グリース側をモデルを押します。離型剤と自由にコートの型枠とソリッドモデル。ペイントブラシを使用して、離型剤は、すべてのコーナーに達する確認型枠の空洞。
4. 10部及び拡大のための十分な部屋を持っているコンテナでスムーズな實950プラチナのシリコーンゴム（重量により測定された部品）の一部のBを混ぜる。真空チャンバ内に未硬化のシリコーンゴムと空気の気泡の位置の型枠を取り外し、約3分（またはそれ以上または以下必要に応じて）のために圧力を（例えば、大気圧下の水銀約26インチまで）削減する。室から脱気したシリコンを取り出して、型枠のキャビティに注ぐ。再び真空槽と脱気に未硬化のシリコーンモールドを置きます。レベルの表面に真空チャンバーと場所から削除します。 24時間の治療法と金型のフォームから金型を削除することができます。
5. 繰り返します表面的な固有層、靭帯、およびボディのレイヤーごとに金型を作成するから1.4 1.1を繰り返します。
6. ファイバの挿入を可能にするストレートカミソリで前後方向の内側面​​の中心に靭帯層の金型をカット。

2。キャスティングOfの各レイヤー

1. ボディ層 ：ペイントブラシでボディの金型キャビティに離型剤の薄層を適用する。一部のBとエコフレックス00から30までスーパーソフトプラチナシリコン（重量）の一部混ぜる。材料の最終的な硬化剛性を減らすために一部のシリコンシンナー（重量）を追加します。捕捉された空気を除去するために1分間の真空チャンバー内で30秒間と場所を一緒に混ぜる。真空から混合物を削除し、ボディの金型キャビティに注ぐが、全体の金型キャビティの上部に記入しないでください。 250 ° Fで30分のオーブンの場所。オーブンと涼しいから取り外します。
2. バッキング ：ドラゴンスキンのミックスつのパートBとの一部と一部のシリコンシンナー（重量）を追加。 30秒、1分間真空中の場所のために積極的に混在させること、および完全なまで身体の金型キャビティに注ぐ。 250 ° Fで30分のオーブンの場所。オーブンと涼しいから金型を削除します。金型からモデルを削除し、室温まで冷却することができます、との表面上の任意の離型剤を取り除くペーパータオルで体の層。
3. 靭帯レイヤ ：ペイントブラシで靭帯の金型キャビティ表面の離型剤の薄層を適用する。西洋かみそりからカットにそれを押すことによって金型で30cmのスレッドを置きます。徹底的に一部のBとエコフレックス00から30とシリコンシンナーの4つの部分（重量）の一部混ぜる。気泡を除去し、靭帯の金型キャビティ内に混合物を注ぐために真空チャンバー内の場所。
4. 靭帯レイヤ（続き）：靭帯の金型のキャビティに圧入体のバッキングモデル（ステップ2.1.1および2.1.2から）。片側に挿入を開始し、ゆっくりとモデルは金型のキャビティの過剰硬化前のシリコーンおよび気泡を押し出すように他に移動する。気泡が存在する場合は、金型のキャビティからモデルを削除し、未硬化のシリコーン充填、および金型に押してモデルを繰り返します。 30分間オーブンで場所のモールドは、取り外し、および室温まで冷却。金型からモデルを削除します。ペーパータオルで余分な離型剤を取り外します。
5. 表面的な粘膜固有層には ：ペイントブラシでsuperifical粘膜固有層（SLP）金型のキャビティ面に離型剤の薄層を適用します。一部のB、重量エコフレックス00から30、および8部のシリコンの薄い一部を混ぜる。真空は、以前に行われ、SLPの金型キャビティに注ぐ。表面的な粘膜固有層の金型キャビティに靭帯 - ボディ - バッキングモデルを挿入するステップ2.1.4で説明したのと同じプロセスを使用してください。 250 ° Fのオーブンで場所と一時間の治療法。オーブンから取り出して、冷まします。表面的な粘膜固有層はそのまま残るようにゆっくりと、細心の注意を払ってモデルを削除します。
6. 上皮層 ：ダウンバッキングで平らな面に置きます声帯モデル。ストレートカミソリでサポート材を取り外します。モデルよりも大きい高さのオブジェクトに添付して空気中のスレッドを中断します。シリコンシンナーの一部、ミックス、真空と一部のBと一部のドラゴンの皮を混ぜて、その後モデルを介して注ぐと上のために治療することができますeの時間。厚い層を作成するプロセスを繰り返します。西洋かみそりと余分な材料を取り外します。
7. オプション ：それぞれの層は異なる色（別の層の目に見える検査するため）であることが必要な場合は、混合プロセス中にエコフレックスまたはドラゴンスキンのどちらかのパートBに染料を追加。
8. オプション ：材料特性のデータを収集する場合は、各モデルの層の製造と同時に引張りおよびレオロジー試験片を作成します。離型剤処理所望の材料特性の試験片の形状と大きさの型に余分な未硬化材料を注ぐことによってこれを行います。
9. オプション ：層の厚さの測定が必要な場合、西洋かみそりとモデルの断面を切り取って、顕微鏡で検査する。

3。テストのための最終的なモデルの準備

1. 最初のバック（横方向）および側面（上のシリコーン接着剤の薄層を適用することにより、アクリル取付板にそれぞれ完成した声帯モデルをマウントします。nterior -後）モデル表面。取付板の凹部カットにモデルを挿入します。アクリル板の上でモデル内側面を合わせます。離れて余分な接着剤を拭いてください。接着剤が1時間治療することができます。
2. 表面の粘着性を減らすために、モデルの表面にタルク粉を適用します。
3. 内側表面追跡のためにモデル上の点をマークするために細かい点シャーピーペンを使用してください。マーキングは、タルクの粉を塗布した後に行われている場合最良の結果が発生します。
4. 既存のモデルがペアリングされるため、モデルの方向を向いねじエンドを取り付けプレートの穴に長いボルトを置きます。ボルト以上のスレッドを置く。任意のエアギャップを閉じるためにボルトを介してクローズドセルフォームを置く。
5. 同様にステップ3.1および3.2を使用して、アクリルホルダーにマウントされている別の声帯モデルでは、この準備モデルをペアリング。泡を圧縮し、願望プレ振動ギャップに到達するまで一緒に内側面を持ってネジを締めます。スレッドの両方のセットがOVに配置されていることを確認ERボルトと前後方向にアクリル板から外側に延長する。
6. 空気供給管上にマウント声帯ペア。
7. ループを形成するために一緒に前のスレッドを接続します。後部のスレッドに対して、この手順を繰り返します。同時にループ上に所望の重量をハングアップする。
8. モデルは、テストとデータ収集のための準備が整いました。

4。代表的な結果

この製造プロセスを使用して作成された1つのモデルから振動応答のデータは以下の通りです。これらの結果が典型的である。繊維に適用さ約31 gの張力で、発症の圧力が開始圧（440 Pa）を上記の10％のsubglottal圧力400 Paとした、モデルは210ミリリットル/秒の声門流量で115 Hzで振動これらの値は、人間（ 表3）の方に報告された値とよく一致している。モデルの動きを分析するために、高速videokymographyを使用すると、優れた位相差の証拠を示したND劣るマージン、すなわち、上縁は、振動の周期（ 図3）のオープン段階で下縁を隠した。声帯モデルの内側と劣る面に適用されるドットのステレオ画像から抽出された軌道は、モデルは人間の発声の典型的な交互収束 - 発散プロファイル、粘膜波動のような動き、そしてより低い示すことが明らか劣るが、以前のモデルよりも優れた運動（ 図4）。

表1。モデル幾何学的なパラメータ値。

表2。重さと声帯のモデルの個々のセクションのヤング率を結果として得られることにより混合比。エコフレックスとドラゴンスキンから作られたEFとDS指名されたシリコーン、それぞれ^14。

表3。人間と人工声帯振動応答の比較。

図1。合成声帯モデルの製造プロセス。 CAD由来ソリッドモデル（左パネル）がそれぞれの層のための金型を（中央パネル）の作成に使用されます。各レイヤーは、ボディ層をはじめと上皮層（右のパネル、視認性のために"戻って皮をむいた"各レイヤーを持つ）で終わる、キャストされます。製造後は、モデルをテストするためのアクリル板に取り付けられている。

図2。合成声帯モデルの断面。明確なボディ、表面的な固有層、のらくら過ごす知的障害者、および上皮層が表示されます。パラメータは、声帯モデルのジオメトリを定義します。この図は、幾何学的な定義の明確な表現のためにスケーリングされます。 表1に与えられたパラメータ値のアプリケーションがここに示されているものとは若干異なる形になります。

図3。モデルの振動の高速kymogram。優れたと劣るマージンの位置の推定値は、色付きの点線で示されています。劣ると優れたマージンの間の位相差は明白です。

振動しながら図4。hemilarynxの配置で合成声帯モデルの内側表面形状は、時間の異なる2つのインスタンスで捕獲した。インクマーカーで、shとして（内側表面上に配置された）右の画像で自分の、2つの同期した高速カメラを用いて画像化し、振動サイクルにわたって追跡。左のプロットは、オープニングの段階で収束声門を示し、右のプロットは、クロージングフェーズ中に発散声門を示しています。

ディスカッション

合成声帯モデルを作製するのは、このメソッドは、人間の声帯に似た振動挙動を示すモデルが得られます。削減発症圧と改良されたモデルの動きの点で以前の1〜2層モデルのデザイン^3,6,8,15上の重要な利点、（発振、粘膜波状運動の中に収束-発散プロファイルのマルチレイヤの概念の結果、と）劣る優れた変位を減少させた。ここで紹介する手法は、幾何学の面でやや理想化されたモデルで実証されていますが、異なるジオメトリをモデルに適用することができます。例えば、ヒトのイメージング幾何学的なデータ（例えば、MRI ^17、CT）に基づくモデルは、この方法を用いて製造することができます。さらに、この製造プロセスの概念は、ソフトマテリアルの流動誘起振動および/または複数の層が中心的な要素、例えば、血管を通って流れの調査、睡眠APされている他の研究分野でのアプリケーションを見つけることができますNEA、及び動物の歩行運動（特に水泳と飛んで）。

ここで説明するモデルは、今後の研究開発のための課題かもしれないいくつかの制限があります。材料は線形の応力 - ひずみ応答特性を持っ...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
高真空グリース	ダウコーニング	01018817
ポル - 使いやすさ2300	Polytek	ポル- Ease2300 - 1	離型剤
スムーズ實950	スムーズオン	スムーズ實950	金型作りの材料
真空ポンプ	エドワーズ	E2M2
真空チャンバー	カルテル	230
圧力ゲージ	マーシュBellofram	11308252A
ストレートカミソリ	ハスキー	008から045 - HKY
エコフレックス00から30	スムーズオン	エコフレックス00から30
シリコーンシンナー	スムーズオン	シリコーンシンナー
ドラゴンスキン	スムーズオン
スレッド	オメガ	OmegaCrys	唯一の明確な繊維を使用してください
シリコーンダイ	スムーズオン	SILC豚ブラック
シリコーン接着剤	スムーズオン	SIL -梅毒に感染した
タルクパウダー	欧米のファミリー