非粘着性超軟質ボーカルフォールドモデルの製造工程

サマリー

本研究では、声帯層の具体的な作成方法を紹介し、製造手順を詳細に説明し、モデルの特性を特徴付けることにより、非粘着性で超軟質の声帯モデルの製造を実証します。

要約

本研究は、音声研究のための超ソフトでべたつかない声帯モデルの開発を目的としています。シリコーン系声帯模型の従来の製造工程では、粘着性や再現性の問題など、望ましくない特性を持つ模型ができあがっていました。これらの声帯モデルは急速に老化する傾向があり、異なる測定値間の比較可能性が低くなります。本研究では、シリコーン材料の積層順序を変えることで製造工程を改良し、べたつかない一貫性の高い声帯モデルの作製につなげることを提案する。また、この方法で作製したモデルと、粘着面の悪影響を受ける従来製造の声帯モデルとの比較も行っています。製造プロセスを詳細に説明し、潜在的なアプリケーションのためにモデルの特性を特徴付けます。この研究の結果は、改良された作製法の有効性を実証し、粘着性のない声帯モデルの優れた品質を強調しています。この知見は、研究および臨床応用のための現実的で信頼性の高い声帯モデルの開発に貢献します。

概要

声帯モデルは、正常および病理学的条件下での人間の声の生成をシミュレートおよび調査するために使用されます^1,2。声帯モデルを作成する上で最大の課題の1つは、人間に近いリアルな柔らかさと柔軟性を実現することです。これらの特性を達成するために、シリコーンエラストマーがしばしば使用され、それらは大量のシリコーンオイルで希釈されて、対応する弾性率^3,4を達成します。声帯は柔らかさの異なる複数の層で構成されており、流れによって引き起こされる振動のパターンと振動が可能な周波数を決定するため、リアルな声帯モデルを作成する上でもう1つの重要な要素は層状化です。

本研究では、代表的な声帯モデルを作成した。Scherer⁵ が提供する一般的な幾何学は、Zhang⁶ によると長さ 17 mm の男性声帯の典型的な寸法を表し、声帯筋 (体層)、粘膜層全体 (被覆層)、上皮の 3 つの層で構成されています。この構造は、 図1のコロナ断面図で見ることができます。

図1:喉頭モジュールの冠状断面。 声帯の最も広い幅(8.5 mm)を示す喉頭モジュールの冠状断面。各声帯は、体層、被覆層、上皮層で構成されています。この数字は¹³ から変更されています。Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Effect of wavy trachea walls on the oscillation onset pressure of silicone vocal foldsより転載。 J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) 米国音響学会の許可を得て掲載。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

他の出版物は、部分的に1つの層⁷のみを使用し、上皮層² のない2つの層を使用するか、または^{複数の層3}で粘膜をモデル化します。通常、層は内側から外側に、つまり最も深い層からキャストされます。厚さ30μmと非常に薄い上皮は、先端を全身にキャストして、丈夫な皮膚^で包み込みます8。

モデル内の被覆層は最も柔らかい部分で、ヤング率は約 1.1 kPa⁹ です。ボディ層については、 in vitro 測定¹⁰ を用いた横方向の近似ヤング率は2kPaである。 生体内では、甲状披裂筋のヤング率は、縦方向の線維の存在および筋肉の緊張の可能性により、高くなる可能性があります。この極めて低いヤング率を実現するには、シリコーン混合物に大量のシリコーンオイル(約72%)を添加する必要があります。ただし、メーカーは、5%を超えるオイルの割合を使用しないことを強くお勧めします。一般に、エラストマーへのシリコーンオイルの添加は、流動およびドリップ時間を増加させるとともに、硬化したシリコーンポリマーの収縮を減少させることを目的としている。シリコーンがより均一に硬化するのに役立ち、それによって材料の応力が軽減されます。その目的は、硬化した材料の柔らかさを高めることではなく、成形性と特性を最適化することですが、これも結果です。これは、シリコーンオイルが化学的に不活性であり、それ自体を重合することができず、シリコーン^{ポリマー11}のネットワークに組み込まれていないことを意味する。代わりに、ポリマーマトリックス中に液相として残り、より高いレベルでポリマー構造を弱め、硬化した材料から溶解して表面に付着する可能性があります。その結果、硬化障害、不均一な加硫、化学的収縮、脆性などの他の負の特性が発生する可能性があります。シリコーンオイル含有量の高い声帯モデルについて、経年変化や再現性について検討したところ、モデルによって特性のばらつきが大きく、経時的な特性の変化があることがわかった¹¹。

従来の^方法で声帯モデルを作製する場合^7,12、上皮層の粘着性は、振動の均一性に影響を与え、上皮の破裂につながる可能性があるため、問題となり得る。上皮を作るのに使われるシリコーンは原液ですが、隣接する粘膜層から漏れ出る油分は、シリコーンを希釈したのと同様の効果があると考えられます。粘膜と上皮層¹²との間の中間層としてタルカムやカーボン粉末などの各種粉末を添加することで、べたつきの問題に対処した。このアプローチが成功したのは、オイルが部分的に粉末に吸収され、その結果、上皮表面のべたつきを減らすことができたからです。

この出版物では、声帯の製造プロセスを少し変更することで、粘着性の問題を回避できることを示しました。重ねる順番を変えて、原液の上皮シリコーン(いわゆるクローズドシリコーン)から始めることで、べたつかない超ソフトな声帯モデルを作ることができます。この変更には、ビデオの形で提示および説明するのが最適な珍しいタイプの金型と方法が含まれます。この論文では、当社の製造プロセスを詳細に説明し、声帯モデルの特性をアプリケーションでどのように特徴付けることができるかを示します。

プロトコル

1. 声帯模型の設計と部品の3Dプリント

1. さまざまな軟質シリコン材料を使用して、シリコン声帯の一般的な M5 形状を多層的に表現します。コンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用して個々の部品を設計します。詳細は 、補助符号化ファイル1、補助符号化ファイル2、補助符号化ファイル3、補助符号化ファイル4、補助符号化ファイル5、補助符号化ファイル6、補助符号化ファイル7、補助符号化ファイル8 を確認してください。ファイルは、モデル内の機能に応じて名前が付けられ、後続の手順の基礎として機能します。
2. 手順 2 の各手順に必要なファイルをコンパイルして整理します。 補足図1の必要な部品とその数量のリストを参照してください。 補足図2の金型アセンブリの概略図を参照してください。
3. STLファイルを3Dプリントプログラムにロードして、3Dプリンターで読み取ることができるGコードファイルを生成します。
4. 3Dプリント用の材料( 材料表を参照)を準備します。
   1. 補助コーディングファイル2と補助コーディングファイル5には、ポリ乳酸(PLA+)やPCなど、層線が目立ちにくい素材を使用してください。
   2. 補足コーディングファイル1では、曲げ応力の影響を受けやすいため、タフPLAやポリエチレンテレフタレートグリコール(PETG)などの硬い材料を使用します。残りの部品には、印刷材料の選択に関するそれ以上の制限は適用されません。
5. 選択した3Dプリンターの3Dプリントソフトウェアの設定を調整します。
   1. 補助コーディングファイル2と補助コーディングファイル5は、最大レイヤー高さを0.1mmに設定します。
   2. 補助コーディングファイル1では、インフィル値を100%に、印刷パターンをジグザグに設定して、安定性を高めます。また、ビルドプレートの接着カテゴリを「ブリム」ではなく「スカート」に設定してください、これはパーツの形状によってブリムの除去がかなり難しくなるためです。
   3. その他のパーツについては、デフォルト設定と積層高さ 0.2 mm を使用します。
6. 上記の部品を3Dプリンターで印刷します。部品を清掃し、つばや印刷エラーなどの余分な材料を取り除きます。サンドペーパー(P1000以上を推奨)で内側の接触面を滑らかにします。

2. 声帯モデルの作製

1. ボディ層を作成するために、声帯陽性(2x)、vocalis_moldキャップ、vocalis_moldメインパーツ、vocalis_moldハル、一次シリコーン、離型剤、シンナーのパーツと材料を集めます(詳細は 材料表 を参照)。
   1. すべての金型部品の内面に離型剤を塗布します。
   2. 金型の主要部品とキャップをポジの上に組み立て、金型パッケージを指定されたポットに入れます。必要に応じて、2 つの金型パーツの位置合わせを修正します。シリコーンを注ぐためのプラスの穴が上を向いており、金型が平らな面に安定した足場を持っていることを確認してください。
   3. 一次シリコーンとシンナーの3つの部分(1:1:3)の混合物を作成し、コンポーネントAとシンナーを組み合わせることから始め、続いてコンポーネントBを追加します。総量6gのシリコーン混合物は、2つの声帯の半分からボディ層をキャストするのに十分です。
   4. 真空チャンバー内でシリコーン混合物を最低-1バールのサブ圧力で真空にして、硬化したシリコーン本体に気泡が形成されるのを防ぎます。
   5. 真空にしたシリコーン混合物を、充填されたように見えるまで金型キャビティに慎重に注ぎます。モールドポットの周囲を埋めて、非常に薄いシリコーン混合物がモールドジョイントを通って沈むのを防ぎます。滴下時間中にシリコンレベルを確認し、必要に応じてさらに追加します。この混合物のドリップ時間は1〜2時間です。
   6. 約1日、少なくとも8時間の硬化時間の後、ポジを含む型を鍋から取り出します。型を開く前に、型と鍋の間のシリコンを取り除きます。
   7. 型を開けるときは、まずプラスの裏側から蓋を慎重に取り外します。次に、金型本体を取り外します。メスまたはサイドカッターを使用して、余分なシリコンを慎重に取り除きます。
2. musosa_moldバック、musosa_moldメインパーツ、musosa_moldハルパーツ、および上皮層を製造するための二次シリコーンと離型剤を準備します。( 材料表を参照)。
   注:ステップ2.1と2.2(体と上皮層)は同時に完了できます。
   1. 2つの金型部品を組み立て、船体に配置します。金型の内側に離型剤を塗布し、それぞれの離型剤の使用説明書に従って内壁がコーティングされていることを確認します。続行する前に、コンポーネントを短時間風乾させてください。
   2. シンナーを使用せずに二次シリコーンのバッチを混合します(1:1:0)。混合中にシリコーン混合物に気泡が導入された場合は、ステップ2.1.4のように混合物を脱気します。
      注:この混合物のドリップ時間は約15分と短いことに注意してください。
   3. 混合物の一部を型に注ぎ、すべての内面がシリコンでコーティングされるまで(型を船体に残して)渦を巻きます。
   4. 型をひっくり返し、余分なシリコンを排出させます。メッシュ、火格子の上、またはさらにシリコンの排水を可能にする角度で、この位置に金型を固定します。
   5. 硬化プロセス中にシリコーンにオーバーハングが形成されるのを防ぐために、特に空気流路が配置される領域で定期的に滑らかにします。
      注意: これらは、後でペンチで慎重に取り外すこともできます。
3. 粘膜中間層の作製に備え、工程2.1のヴォーカリスシリコーン層、工程2.2の上皮層で作製したモールド、シリコーンとシンナーを表に記載のとおりに調製する。
   1. 一次シリコーンと5部のシンナー(1:1:5)の混合物を作成し、まず成分Aとシンナーを混ぜ合わせ、続いて成分Bを加えます。シリコーン混合物の総量は4gで十分です。
   2. ステップ2.1.4のように、真空チャンバー内でシリコーン混合物を真空にします。
   3. シリコーン混合物の一部を、調製した上皮シリコーンで粘膜型に充填する。上皮シリコーンのすべての内面がオイルの薄層で覆われるまで金型を傾けて、ポジの挿入を容易にします。
      注意: オプション:希釈剤の割合が高いため、混合物のドリップ時間は数時間と長く、その間に混合物が蒸発によって収縮する可能性があります。したがって、次の手順に進む前に、約2〜3時間待ってください。
   4. ボーカルボディ付きのポジを慎重に型に挿入します。ポジがシリコン上に浮き上がる場合は、クランプなどでポジを金型に固定します。以前に添加したシリコーンの量によっては、充填ポイントで逃げる場合があります。
   5. ヴォーカリス層の鋳造と同じ要領で型を充填し、材料が沈んだらそれに応じて補充します。
   6. 滴下時間が終了してから、シリコンが完全に硬化するまで24時間待ちます。
   7. 24時間後、本体を型から取り出します。まず、シェルから型を取り除きます。次に、後部から始めて金型を開き、金型の主要部分も取り外します。
   8. 余分なシリコンを慎重に取り除き、表面を洗い、体を乾かします。
4. 2つの声帯の半分を、 補足コーディングファイル8の測定および組み立てモジュールの指定された場所に取り付けます。接続は、2本のM3ネジとM3角ナット(DIN 562)用に設計されていますが、必須ではありません。

結果

作製した声帯モデルは、声帯の位置で 補足図3 に示した測定装置に組み込んだ。このセットアップは、以前の出版物¹³で詳細に説明されており、声帯モデルを振動に刺激する多段階の制御可能な気流源と、音圧、特定の位置での静圧、および体積速度などのデータを記録する一連の測定器で構成されています。測定では、声帯モデルが振動し始めるまで、気流が徐々に増加しました。その後、空気圧を発生圧力より200Pa高くし、安定でロバストな振動を実現しました。さらに高速度カメラを追加して声道モデルの上に設置し、最大フレームレート2304フレーム/秒で声帯振動の動きを捉えました。

肺に内蔵されたランプが声門下から光を発し、声門が白く見えます。 図2 は、それぞれが6つのフレームで構成される2つの一連の振動画像を示しており、典型的なクローズ-オープン-クローズサイクルを示しています。上段(図2A)は、提示された方法を用いて作製された声帯の振動を示し、下段(図2B)は、予備作業¹³中に作成された従来の声帯モデルの極端な例を示すが、その粘着性のある表面のために安定した振動を発生させることができない。後者の場合、表面の粘着性により、声門が前端と後端で最初に開き、中央部が後で開きます。モデルの表面は、接着により特定のポイントですでにわずかに損傷しています。

図2:高速度カメラで撮影された個々のフレームのシーケンス。 ハイスピードカメラで撮影された個々のフレームのシーケンスは、声帯の振動のクローズ-オープン-クローズのサイクルを示しています。(A)提示された方法を用いて作製した声帯。(B)表面が粘着性のある従来の声帯モデルの振動。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図3 と 図4 は、提案モデルと従来の(粘着性)モデルの声門領域の時間関数をそれぞれ示しています。面積波形(各図の左部分)は、利用可能な画像シーケンスからGlottalImageExplorerソフトウェア¹⁴ を用いて計算した。図の右側は、周期性の程度を示す時間関数のマグニチュードスペクトルを示しています。基本周波数は、Praatソフトウェア¹⁵を用いて時間関数から抽出した。 図3 から明らかなように、提案された声帯モデルは、選択された持続時間にわたって安定した振動を示し、基本周波数の正確な計算を可能にします。対照的に、 図4 は、非定型で混沌とした声門領域関数を示しており、最小値と最大値は一貫性がなく、さまざまなアーチファクトがあります。このシナリオでは、基本周波数の抽出が困難になるか、実現不可能になります。

図3:提示された方法を使用して作製された声帯モデルの面積波形。 (A)GlottalImageExplorerを用いて高速度カメラ画像データから得られた面積波形と、(B)提示した方法を用いて作製した声帯モデルについて導出された振幅スペクトルの表現。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図4:粘着面を持つ声帯モデルのエリア波形。 (A)GlottalImageExplorerを用いて高速度カメラ画像データから得られた面積波形と、(B)粘着面を有する従来の声帯モデルを用いた振幅スペクトルの表現。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

補足図1:声帯ハーフを製造するための必須成分のリスト。 声帯ハーフを製造するために不可欠なコンポーネントのリスト。1 - 1つの声帯の半分の支持構造、2a-c - ボディ層を作成するための金型部品、3a-c - カバー層を作成するための金型部品、4 - 取り付け用の支持構造。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足図2:金型アセンブリの概略図。金型アセンブリの概略図。左 - ボディレイヤーを作成するための金型、右 - カバーレイヤーを作成するための金型。ラベルは、補足図1の部品リストに対応しています。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足図3:測定システムのセットアップ完了 測定システムのセットアップを完了します。この数字は¹³ から変更されています。Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Effect of wavy trachea walls on the oscillation onset pressure of silicone vocal foldsより転載。 J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) 米国音響学会の許可を得て掲載。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足コーディングファイル1:1つの声帯の半分の支持構造。 vocal-fold-positivを生成するためのファイルです。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足コーディングファイル2:ボディレイヤーを作成するための金型コンポーネント1。 メインパーツvocalis_moldを生成するファイルです。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足コーディングファイル3:ボディレイヤーを作成するための金型コンポーネント2。 これは、vocalis_mold-capを生成するファイルです。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足コーディングファイル4:シリコンの漏れを防ぐためにボディ層を作成するための金型外皮。 vocalis_moldハルを生成するためのファイルです。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足コーディングファイル5:カバー層を作成するための金型コンポーネント1。これは、mucosa_mold-main-partを生成するためのファイルです。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足コーディングファイル6:カバー層を作成するための金型コンポーネント2。 mucosa_moldバックを生成するファイルです。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足コーディングファイル7:シリコンの漏れを防ぐためにカバー層を作成するための金型外皮。 mucosa_moldハルを生成するためのファイルです。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足コーディングファイル8:声帯の半分を取り付けるための支持構造。 これは、measurement-pressure-tap-adapterを生成するためのファイルです。声帯の半分を取り付けるための支持構造は、圧力測定タップを含む。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

ここで紹介する製造プロセスには、その成功に大きな影響を与える重要なステップが含まれます。第一に、提示された製造プロセスは、声帯本体材料中の油飽和の問題を解決するものではなく、むしろ特定の負の副作用を回避することに留意すべきである。ガス放出とそれに伴う収縮と表面のうねりは、程度は低いものの、依然として持続しています。これらの問題の解決策には、実際の声帯の弾性率と安定した耐久性のあるポリマー構造を組み合わせた超軟質シリコーンまたは代替材料の使用が含まれます。しかし、そのような資料がないことは、これらの問題の包括的な解決を達成する上での継続的な限界を浮き彫りにしています。

2つの半分からなる声帯モデルの製造工程は、部品点数が多いため、従来の製造方法よりもやや複雑であり、通常の裏返しの組み立て方法はここでは適用できません。固有の利点には、高度に希釈されたシリコーンでの作業を容易にする統合されたオーバーフロー保護と、硬化プロセス中の充填レベルと潜在的な気泡形成をよりよく観察して反応する能力が含まれます。これは、同じシリコーン混合物で製造された少量生産のモデルの特性における製造による変動を最小限に抑えることを目指す場合に役立ちます。さらに、不良率も低下します。

従来の声帯モデリングと比較して、提示された手法には明確な利点があります。振動中の声門領域をビデオ録画することで、声帯表面の粘着性を低減できることが実証されました。その結果、安定した流れ誘起振動を発生させることができ、測定前にタルカムパウダーや洗浄などの補助具を必要とせずに、画像からクリーンでアーチファクトのない波形データを得ることができました。提示された従来モデル(参考)は極端な例ですが、それでも粘着性は測定の問題であり、壊れやすい薄い上皮層へのリスクです。提示されたエンジニアリングソリューションは、この問題を回避し、より信頼性と再現性の高い結果に貢献します。

将来を見据えると、変更された製造プロセスは、さまざまな用途に期待が持てます。この技術は、人間のような声道を持つヒューマノイドロボットや音声装置の製造に適している¹⁶ため、人工知能やロボット工学の進歩への道が開かれます。さらに、音声生成と^{音声生成に関する}基礎研究^6,17への応用は、より広範な科学コミュニティへの潜在的な貢献を意味します。

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
3Dプリンター	ULTIMAKER		Type S5
3Dプリントソフト	ULTIMAKER CURA		Version 5.2.2
CADソフト	Autodesk Inventor		バージョン 2023
高速カメラ	XIMEA GmbH		MQ013CG-ON
PLA+ 3D プリンター材料	eSun	なし	ホワイト
プライマリシリコン	KauPoプランケンホーン	09301-005-000041	EcoFlex 00-30
リリースエージェント	KauPoプランケンホーン	09291-006-000001	UTSユニバーサル
セカンダリシリコン	KauPoプランケンホーン	09301-005-000181	DragonSkin NV10
シリコーンシン	ナーKauPoプランケンホーン	09301-010-000002
Tougth PLA 3Dプリンター材料	BASF		ブラック