3 つの次元で声帯振動を勉強のため片側喉頭セットアップ

人間や哺乳類の音声がどのように生成されるかを理解するためには、声帯の振動を調査することが重要です。生体内で研究することは困難であるため、声帯の挙動や特性に関するより詳細な情報を得るために、摘出された喉頭が用いられてきました。このビデオでは、いわゆる半喉頭（hemi-larynx）セットアップの作成方法を実演します。

声帯の振動を上方からだけでなく側面からも視覚化するため、喉頭の半分を摘出します。これにより、喉頭全体を用いた従来のセットアップでは隠れて見えない振動特性を研究することが可能になります。本デモンストレーションでは、アカシカの喉頭を使用します。

使用される喉頭検体は通常、液体窒素で急速凍結され冷凍庫に保管されているため、組織の生体力学的特性を変えないように、選択した検体を適切に解凍させる必要があります。まず、凍結した喉頭を二重のオートクレーブ用バッグまたはその他の防水密封プラスチック袋に入れます。また、喉頭を水面下に保つための重りも一緒に入れます。

バッグを密封し、喉頭が完全に解凍されるまで約 30 °C のウォーターバスに入れます。喉葉が完全に解凍されたら、バッグから取り出し、生理食塩水で十分に洗浄します。外頸筋や舌骨などの不要な組織がある場合は、それらを除去します。

一部の生物音響学的研究課題では、喉頭上部の構造をそのまま維持する場合がありますが、その場合は上方からの声帯の視認性が制限されます。気管を約45 cmの長さに短縮し、後に喉頭を空気供給チューブに取り付けられるようにします。準備を進める前に、喉頭に組織的な異常がないか、また急速凍結の過程で時折発生するひび割れがないか、必ず確認してください。

次のステップでは、甲状軟骨の半分を露出させます。まず、メスを用いて外喉頭筋を除去します。甲状軟骨の前方部分に垂直に切り込みを入れることから切開手順を開始してください。

保存および研究が必要な声帯への損傷を避けるため、切開線は慎重に除去する側の方向へ寄せて進めてください。骨化により軟骨が硬すぎる場合は、小型の鋸（のこぎり）を使用してください。その後、輪状軟骨を正中矢状面で切断します。

披裂軟骨の間から垂直に切開を加え、下甲状切痕の水平レベル付近で停止させます。輪状軟骨にある垂直切開の下端から下甲状切痕に向かって水平に切断し、両方の切開線を接続します。除去する側の喉頭を前方へ折り曲げ、甲状軟骨の内側の軟部組織を垂直に切開します。

ここは全 procedure の中で最も重要な局面です。したがって、声帯の前方付着部から甲状軟骨にかけて切開を行う際は、細心の注意を払ってください。甲状軟骨が適切に切断されていれば、得られた声門には常にわずかな前方隙間が生じます。

声帯を十分に上方から観察するためには、声帯上方の組織もあわせて除去することが有用な場合があります。切除処置後、喉頭内部の軟組織が甲状軟骨との結合を失い、声帯の観察を妨げるケースがあります。そのような場合には、これらの不要な組織の除去が不可欠です。

最後に、披裂軟骨を介した声帯内転を容易にするため、甲状軟骨の後部をわずかに切除します。これにより、喉頭にはセットアップで使用されるL字型のクラスプレート配置に適合するL字型の切り欠きが形成されます。半喉頭の左側からは、甲状軟骨および環状軟骨の切開部位が、残存する声帯および披裂軟骨とともに内側から観察できます。

半喉頭の実験セットアップは、3つの基本パーツで構成されています。まず、加温加湿された空気を喉頭に送り込む空気供給チューブがあります。次に、除去した喉頭部分の代用となる2枚の透明プレートと、研究対象となる声帯の内転および喉頭の固定に用いるプローブがあります。

次に、喉頭を空気供給チューブに取り付けます。チューブに義歯固定用クリームを塗り、気管を用いて喉頭を固定します。義歯固定用クリームが接着剤として機能し、隙間を密封します。

気管をプラスチック製の締め付けストラップまたはその他の適切なクランプで固定します。また、切開端を義歯固定用クリームで覆い、透明プレートを取り付けます。甲状軟骨を固定し、プローブを用いて声帯を内転させます。

これで半喉頭セットアップの準備が完了しました。気流を流し、漏れがないか確認します。もし側面から空気が漏れている場合は、固定用クリームを追加して隙間を塞いでください。

声帯の振動をリアルタイムで観察するために、ストロボ光を照射することができます。この半喉頭セットアップの主な目的は、声帯の振動を上方からだけでなく、側方からも観察することです。この目的のために、同期させた2台の高速ビデオカメラが使用されます。

1つは上面図、もう1つは側面図です。ここでは、6,000 frames per secondで動作する同期した2台のカメラによって記録された、半喉頭の声帯振動を示しています。左側のパネルは上面図を、右側のパネルは側面図を示しています。

声帯は約70サイクル/秒の速度で振動しており、撮影されたビデオをここではスローモーションで示しています。声帯とガラスプレートの間の隙間は声門と呼ばれます。これは、時間の経過に伴う面積の変化を測定することで定量化できます。

ここで、この声門領域はピクセルで表されています。声帯がガラスプレートに接触しているときはゼロになり、声門を通して空気が流れているときはゼロ以外の値になります。半喉頭における声帯振動の過程から得られる音響信号を分析すると、主要な音響励起イベントが振動周期中の2つの時点で発生することがわかります。

声帯がガラスプレートから離れる声門開口の瞬間と、声帯が再びガラスプレートに完全に接触する声門閉鎖の瞬間です。次のアニメーションでは、1回の振動周期における声帯とガラスプレートの経時的な接触面積がオレンジ色で示されています。ここでは、電気声門図（EGG）と呼ばれる手法を検証するために、半喉頭モデル（hemi-larynx setup）が使用されています。

同時に取得されたEGG信号がここに青色で示されています。声帯接触面積とEGG信号の間には、かなり良好な相関関係が認められます。これについては、当グループによる最近の研究でより詳細に報告されています。

このビデオの最後のセクションでは、ケモグラフィック声門運動解析と呼ばれる、声帯振動を三次元的に評価する新しい手法を紹介します。デジタルケモグラムでは、高速ビデオ内の1本のラインに沿った画像情報がビデオフレームごとに評価され、左から右へとプロットされます。得られたケモグラムは、スキャンラインに沿った声帯構造の動きが時間経過とともに展開される様子を示しています。

ケモグラムは、ケモグラフィック・スキャンラインを声帯のちょうど中央に配置し、上面視と側面視の両方で作成します。声帯縁の時間的オフセットを追跡します。水色のグラフは声帯の側方への偏位を示し、赤色と緑色のグラフはそれぞれ声帯の下縁と上縁の垂直方向の偏位を示しています。

得られた情報を組み合わせることで、声門正中線から見た2次元的な声門の動きを示すアニメーションを合成することが可能です。本ビデオでは、半喉頭セットアップの構築に関するチュートリアルを提供しました。また、声帯振動を上方からだけでなく側面からも評価できる潜在的な応用例を提示しており、これにより音声生成の重要な側面をより深く理解するための極めて重要な実証データを追加しています。