Wytwarzanie syntetycznego, wielowarstwowego, samowzbudnego modelu fałdów głosowych

Podsumowanie

Opisano metodologię wytwarzania syntetycznych modeli fałdów głosowych. Modele mają rzeczywistą wielkość i naśladują wielowarstwową strukturę ludzkich fałdów głosowych. Wyniki pokazują, że modele wykazują samopodtrzymujące się oscylacje przy ciśnieniach porównywalnych z ciśnieniem płuc oraz wykazują odpowiedzi wibracyjne indukowane przepływem, podobne do tych występujących w ludzkich fałdach głosowych.

Streszczenie

Dźwięk głosu ludzkiego powstaje w wyniku indukowanych przepływem wibracji fałdów głosowych. Fałdy głosowe składają się z kilku warstw tkanki, z których każda posiada odmienne właściwości materiałowe ¹. Prawidłowa produkcja głosu zależy od zdrowej tkanki i fałdów głosowych i zachodzi w wyniku złożonego sprzężenia między zjawiskami fizycznymi o charakterze aerodynamicznym, strukturalno-dynamicznym i akustycznym. Zaburzenia głosu dotykają każdego roku do 7,5 miliona osób w samych Stanach Zjednoczonych ² i często prowadzą do znacznych trudności finansowych, społecznych oraz innych problemów obniżających jakość życia. Zrozumienie fizyki produkcji głosu ma potencjał, aby znacząco usprawnić opiekę nad głosem, w tym kliniczną profilaktykę, diagnostykę i leczenie zaburzeń głosu.

Istniejące metody badania produkcji głosu obejmują eksperymenty in vivo z udziałem ludzi i zwierząt, eksperymenty in vitro z wykorzystaniem wyciętych krtani oraz modeli syntetycznych, a także modelowanie komputerowe. Ze względu na niebezpieczny i utrudniony dostęp instrumentów, zakres eksperymentów in vivo jest w znacznym stopniu ograniczony. Eksperymenty na wyciętych krtaniach charakteryzują się realizmem anatomicznym i w pewnym stopniu fizjologicznym, jednak badania parametryczne obejmujące zmienne geometryczne i właściwości materiałowe są ograniczone. Ponadto, zazwyczaj mogą one być poddawane wibracjom jedynie przez stosunkowo krótkie okresy czasu (zazwyczaj rzędu kilku minut).

Aby przezwyciężyć niektóre ograniczenia eksperymentów na wyciętej krtani, syntetyczne modele fałdów głosowych stają się komplementarnym narzędziem do badania produkcji głosu. Modele syntetyczne mogą być wytwarzane z systematycznymi zmianami w geometrii i właściwościach materiałowych, co umożliwia badanie aerodynamiki fonacyjnej, dynamiki strukturalnej i akustyki zdrowych oraz chorych ludzkich krtani. Przykładowo, były one wykorzystywane do badania asymetrii lewej i prawej fałdy głosowej ^3,4, opracowywania instrumentów klinicznych ⁵, aerodynamiki krtani ^6-9, ciśnienia styku fałdów głosowych ¹⁰ oraz akustyki podgłośniowej ¹¹ (bardziej szczegółową listę można znaleźć w pracy Kniesburges et al. ¹²)

Istniejące syntetyczne modele fałdów głosowych były jednak albo homogeniczne (modele jednowarstwowe), albo wytwarzane z dwóch materiałów o różnej sztywności (modele dwuwarstwowe). Takie podejście nie pozwala na odwzorowanie rzeczywistej wielowarstwowej struktury ludzkich fałdów głosowych ¹, która odgrywa kluczową rolę w sterowaniu indukowaną przepływem odpowiedzią wibracyjną fałdów głosowych. W konsekwencji syntetyczne modele jednowarstwowe i dwuwarstwowe wykazywały takie wady ^3,6,8 jak wyższe ciśnienia progowe niż te typowe dla ludzkiej fonacji (ciśnienie progowe to minimalne ciśnienie w płucach wymagane do zainicjowania wibracji), nienaturalnie duży ruch w kierunku dolno-górnym oraz brak „fali śluzówkowej” (fali przemieszczającej się w pionie, która jest charakterystyczna dla wibracji zdrowych ludzkich fałdów głosowych).

W niniejszej pracy opisano wykonanie modelu składającego się z wielu warstw o różnych właściwościach materiałowych. Warstwy modelu symulują wielowarstwową strukturę ludzkich fałdów głosowych, w tym nabłonek, powierzchowną warstwę błony właściwej (SLP), pośrednią i głęboką warstwę błony właściwej (tj. więzadło; dla zapewnienia sztywności w kierunku przednio-tylnym dołączono włókno) oraz warstwę mięśnia (tj. ciało) ¹. Przedstawione wyniki wykazują, że model ten wykazuje lepsze właściwości wibracyjne niż wcześniejsze jednowarstwowe i dwuwarstwowe modele syntetyczne, w tym ciśnienie progowe bliższe ludzkiemu ciśnieniu progowemu, zredukowany ruch w kierunku dolno-górnym oraz dowody na występowanie fali śluzówkowej.

Protokół

Sekwencja wykonania (patrz Rys. 1) składa się z przygotowania form dla warstw modelu fałdu głosowego, sekwencyjnego odlewania warstw silikonowych oraz montażu modeli do testów. Model posiada cztery wyraźne warstwy: ciało, więzadło, powierzchowną warstwę błony właściwej oraz nabłonek, a także pojedyncze włókno. Dodano warstwę podkładową, aby ułatwić precyzyjne rozmieszczenie poszczególnych warstw w modelu fałdu głosowego. Definicje parametrów geometrycznych modelu przedstawiono na Rys. 2, a wartości parametrów dla bieżącego modelu podano w Tabeli 1. W następnych sekcjach określono różne stosunki mieszania silikonu dla poszczególnych warstw; pozwalają one uzyskać właściwości materiałowe zbliżone do tych raportowanych dla ludzkiej tkanki fałdu głosowego w reżimie małych odkształceń ¹³ (patrz Tabela 2).

1. Wytwarzanie i przygotowanie formy

1. Utwórz modele bryłowe trzech warstw fałdów głosowych: powierzchownej warstwy błony właściwej, więzadła oraz warstwy ciała. Zazwyczaj wykonuje się to poprzez stworzenie modeli w systemie komputerowego wspomagania projektowania (CAD) o pożądanej geometrii, eksport modeli CAD do plików stereolitografii (STL) i przesłanie plików STL do specjalistycznego warsztatu w celu szybkiego prototypowania.
2. Stwórz formę odlewniczą w kształcie pudełka, używając cienkich kawałków materiału akrylowego. Przybliżone wymiary (niekrytyczne) to 2,54 cm wysokości × 5,72 cm szerokości × 6,35 cm głębokości. Wykonaj dno formy, przyklejając ją do płaskiej płyty akrylowej. Uszczelnij wszystkie wewnętrzne krawędzie smarem próżniowym.
3. Nanieś niewielką ilość smaru próżniowego na boczną stronę modelu bryłowego o pożądanej geometrii (tj. ciała, więzadła lub powierzchownej warstwy błony właściwej). Wciśnij model w dno wnęki formy odlewniczej stroną ze smarem próżniowym w dół, tak aby smar próżniowy utrzymał element na miejscu. Obficie pokryj formę odlewniczą i model bryłowy środkiem rozdzielającym. Za pomocą pędzla upewnij się, że środek rozdzielający dotarł do wszystkich narożników wnęki formy odlewniczej.
4. Wymieszaj 10 części składnika A i jedną część składnika B platynowej gumy silikonowej Smooth-Sil 950 (części mierzone wagowo) w pojemniku, który zapewnia wystarczającą przestrzeń do ekspansji. Aby usunąć pęcherzyki powietrza, umieść formę odlewniczą z nieutwardzoną gumą silikonową w komorze próżniowej i obniż ciśnienie (np. do około 26 cali Hg poniżej ciśnienia atmosferycznego) przez około trzy minuty (lub więcej bądź mniej, zależnie od potrzeb). Wyjmij odgazowany silikon z komory i wlej go do wnęki formy odlewniczej. Umieść formę z nieutwardzonym silikonem w komorze próżniowej i ponownie odgazuj. Wyjmij z komory próżniowej i postaw na płaskiej powierzchni. Pozostaw do utwardzenia na 24 godziny, a następnie wyjmij odlew z formy odlewniczej.
5. Powtórz kroki od 1.1 do 1.4, aby stworzyć odlewy dla każdej z warstw: powierzchownej warstwy błony właściwej, więzadła oraz ciała.
6. Nacinaj odlew warstwy więzadła w centrum powierzchni przyśrodkowej w kierunku przednio-tylnym za pomocą brzytwy, aby umożliwić wprowadzenie włókien.

2. Odlewanie każdej warstwy

1. Warstwa ciała: Za pomocą pędzla nanieść cienką warstwę środka rozdzielającego do wnęki formy ciała. Wymieszać jedną część komponentu B i jedną część komponentu A silikonu platynowego Ecoflex 00-30 Supersoft (wagowo). Dodać jedną część rozcieńczalnika do silikonu (wagowo), aby zmniejszyć końcową sztywność utwardzonego materiału. Mieszać przez 30 sekund, a następnie umieścić w komorze próżniowej na jedną minutę w celu usunięcia uwięzionego powietrza. Wyjąć mieszaninę z próżni i wlać do wnęki formy ciała, nie wypełniając jej jednak do pełna. Umieścić w piekarniku w temperaturze 250 °F na 30 minut. Wyjąć z piekarnika i wystudzić.
2. Podkład: Wymieszać jedną część komponentu B i jedną część komponentu A silikonu Dragon Skin, a następnie dodać jedną część rozcieńczalnika do silikonu (wagowo). Intensywnie mieszać przez 30 sekund, umieścić w próżni na 1 minutę i wlać do wnęki formy ciała aż do pełna. Umieścić w piekarniku w temperaturze 250 °F na 30 minut. Wyjąć formę z piekarnika i wystudzić. Wyjąć model z formy, pozwolić mu ostygnąć do temperatury pokojowej i usunąć ręcznikiem papierowym resztki środka rozdzielającego z powierzchni warstwy ciała.
3. Warstwa więzadła: Za pomocą pędzla nanieść cienką warstwę środka rozdzielającego na powierzchnię wnęki formy więzadła. Umieścić w formie nić o długości 30 cm, wsuwając ją w nacięcie wykonane brzytwą. Dokładnie wymieszać jedną część komponentu B i jedną część komponentu A silikonu Ecoflex 00-30 oraz cztery części rozcieńczalnika do silikonu (wagowo). Umieścić w komorze próżniowej, aby usunąć pęcherzyki powietrza, a następnie wlać mieszaninę do wnęki formy więzadła.
4. Warstwa więzadła (kontynuacja): Wcisnąć model z podkładem (z kroków 2.1.1 i 2.1.2) do wnęki formy więzadła. Rozpocząć wkładanie od jednej strony i delikatnie przesuwać w stronę drugiej, tak aby model wypchnął nadmiar nieutwardzonego silikonu i pęcherzyki powietrza z wnęki formy. W przypadku wystąpienia pęcherzyków powietrza wyjąć model z wnęki formy, ponownie wypełnić ją nieutwardzonym silikonem i powtórzyć wciskanie modelu do formy. Umieścić formę w piekarniku na 30 minut, wyjąć i wystudzić do temperatury pokojowej. Wyjąć model z formy. Usunąć nadmiar środka rozdzielającego ręcznikiem papierowym.
5. Warstwa powierzchownej blaszki właściwej: Za pomocą pędzla nanieść cienką warstwę środka rozdzielającego na powierzchnię wnęki formy powierzchownej blaszki właściwej (SLP). Wymieszać wagowo jedną część komponentu B, jedną część komponentu A silikonu Ecoflex 00-30 i 8 części rozcieńczalnika do silikonu. Odpowietrzyć w próżni w sposób opisany wcześniej i wlać do wnęki formy SLP. Zastosować proces opisany w kroku 2.1.4, aby włożyć model więzadło-ciało-podkład do wnęki formy powierzchownej blaszki właściwej. Umieścić w piekarniku w temperaturze 250 °F i utwardzać przez jedną godzinę. Wyjąć z piekarnika i pozwolić ostygnąć. Wyjmować model powoli i z najwyższą ostrożnością, aby powierzchowna blaszka właściwa pozostała nienaruszona.
6. Warstwa nabłonka: Umieścić model fałdu głosowego na płaskiej powierzchni podkładem do dołu. Usunąć materiał podporowy za pomocą brzytwy. Zawiesić nici w powietrzu, mocując je do przedmiotu wyższego niż model. Wymieszać jedną część komponentu B i jedną część komponentu A silikonu Dragon Skin z jedną częścią rozcieńczalnika do silikonu, wymieszać, odpowietrzyć w próżni, a następnie wlać na model i pozostawić do utwardzenia na jedną godzinę. Powtórzyć proces, aby utworzyć grubszą warstwę. Usunąć nadmiar materiału brzytwą.
7. Opcjonalnie: Jeśli pożądane jest, aby każda warstwa miała inny kolor (w celu wizualnej inspekcji poszczególnych warstw), dodać barwnik do komponentu B silikonu Ecoflex lub Dragon Skin podczas procesu mieszania.
8. Opcjonalnie: Jeśli planowane jest gromadzenie danych o właściwościach materiałów, przygotować próbki do badań rozciągania i reologicznych jednocześnie z wytwarzaniem każdej warstwy modelu. W tym celu wlać nadmiar nieutwardzonego materiału do form o kształcie i rozmiarze pożądanych próbek właściwości materiałowych, uprzednio potraktowanych środkiem rozdzielającym.
9. Opcjonalnie: Jeśli pożądany jest pomiar grubości warstw, wyciąć przekrój poprzeczny modelu brzytwą i zbadać go pod mikroskopem.

3. Końcowe przygotowanie modelu do testowania

1. Zamocuj każdy gotowy model fałdy głosowej w akrylowej płytce montażowej, nakładając najpierw cienką warstwę kleju silikonowego na tylne (boczne) i boczne (przednio-tylne) powierzchnie modelu. Włóż model w zagłębienie płytki montażowej. Wyrównaj powierzchnię przyśrodkową modelu z górną krawędzią płytki akrylowej. Usuń nadmiar kleju. Pozostaw klej do utwardzenia na jedną godzinę.
2. Nałóż puder talkowy na powierzchnię modelu, aby zmniejszyć jej lepkość.
3. W celu śledzenia powierzchni przyśrodkowej użyj cienkopisu Sharpie, aby zaznaczyć kropki na modelu. Najlepsze rezultaty uzyskuje się, wykonując znakowanie po nałożeniu pudru talkowego.
4. Włóż długie śruby przez otwory w płytce montażowej tak, aby końce z gwintem były skierowane w stronę modelu, z którym obecny model zostanie sparowany. Nałóż nici na śruby. Umieść piankę o zamkniętych komórkach nad śrubami, aby zamknąć wszelkie szczeliny powietrzne.
5. Sparuj ten przygotowany model z innym modelem fałdy głosowej, który został w podobny sposób zamocowany w uchwycie akrylowym zgodnie z krokami 3.1 i 3.2. Dokręć śruby, aby ścisnąć piankę i zbliżyć powierzchnie przyśrodkowe do siebie, aż do uzyskania pożądanej szczeliny przedwibracyjnej. Upewnij się, że oba zestawy nici są nałożone na śruby i wystają z płytek akrylowych w kierunku przednio-tylnym.
6. Zamocuj parę fałd głosowych na rurce doprowadzającej powietrze.
7. Zwiąż przednie nici, tworząc pętlę. Powtórz czynność dla nici tylnych. Jednocześnie zawieś na pętlach odpowiednio dobrany ciężarek.
8. Modele są teraz gotowe do testowania i gromadzenia danych.

4. Reprezentatywne wyniki

Dane dotyczące odpowiedzi wibracyjnej z jednego modelu stworzonego przy użyciu tego procesu wykonania przedstawiają się następująco; wyniki te są typowe. Przy przyłożonym do włókien napięciu wynoszącym około 31 g, ciśnienie progowe wyniosło 400 Pa. Przy ciśnieniu podgłośniowym o 10% wyższym od ciśnienia progowego (440 Pa), model wibrował z częstotliwością 115 Hz przy przepływie głośni wynoszącym 210 ml/s. Wartości te są zgodne z wartościami raportowanymi dla ludzi (Tabela 3). Analiza ruchu modelu za pomocą widekymografii wysokiej rozdzielczości wykazała istnienie różnicy faz między krawędzią górną a dolną, tzn. krawędź górna przesłaniała krawędź dolną w fazie otwarcia okresu wibracji (Rys. 3). Trajektorie wyekstrahowane z obrazów stereoskopowych punktów naniesionych na powierzchnie przyśrodkową i dolną modelu fałdu głosowego wykazały, że model wykazywał naprzemienny profil zbieżny-rozbieżny typowy dla fonacji ludzkiej, ruch przypominający falę śluzówkową oraz mniejszy ruch w kierunku dolno-górnym niż w poprzednich modelach (Rys. 4).

Tabela 1. Wartości parametrów geometrycznych modelu.

Tabela 2. Proporcje mieszanin masowych i wynikający z nich moduł Younga poszczególnych sekcji modelu fałdu głosowego. EF i DS oznaczają odpowiednio silikon wykonany z Ecoflex i Dragon Skin ¹⁴.

Tabela 3. Porównanie odpowiedzi wibracyjnych ludzkich i syntetycznych fałdów głosowych.

Rysunek 1. Proces wytwarzania syntetycznego modelu fałdy głosowej. Modele bryłowe opracowane w systemie CAD (panel lewy) służą do tworzenia form (panel środkowy) dla każdej warstwy. Następnie każda warstwa jest odlewana, zaczynając od warstwy ciała, a kończąc na warstwie nabłonka (panel prawy, z każdą warstwą „odchyloną” dla lepszej widoczności). Po wytworzeniu modele są montowane na płytkach akrylowych w celu przeprowadzenia testów.

Rysunek 2. Przekrój poprzeczny syntetycznego modelu fałdu głosowego. Przedstawiono wyraźne warstwy ciała, powierzchownej warstwy właściwej błony śluzowej, więzadła oraz nabłonka. Parametry określają geometrię modelu fałdu głosowego. Skala tego rysunku została dobrana w celu przejrzystego przedstawienia definicji geometrycznych. Zastosowanie wartości parametrów podanych w Tabeli 1 spowoduje uzyskanie kształtu nieco innego niż przedstawiony tutaj.

Rysunek 3. Kymogram wysokiej rozdzielczości wibracji modelowych. Szacunki położenia krawędzi górnej i dolnej przedstawiono w formie kolorowych linii przerywanych. Widoczne są różnice w fazie między krawędzią dolną a górną.

Rysunek 4. Profil powierzchni przyśrodkowej syntetycznego modelu fałdu głosowego w układzie hemikrtani, zarejestrowany w dwóch różnych momentach czasu podczas wibracji. Markery atramentowe umieszczono na powierzchni przyśrodkowej (jak pokazano na prawym obrazie), a następnie obrazowano za pomocą dwóch zsynchronizowanych kamer wysokiej rozdzielczości i śledzono w cyklu wibracyjnym. Lewy wykres przedstawia głoń zbieżną w fazie otwierania, a prawy wykres przedstawia głoń rozbieżną w fazie zamykania.

Dyskusja

Ta metoda wytwarzania syntetycznych modeli fałdów głosowych pozwala na uzyskanie modeli wykazujących zachowanie wibracyjne podobne do ludzkich fałdów głosowych. Koncepcja wielowarstwowa daje znaczące korzyści w porównaniu do poprzednich konstrukcji modeli jednowarstwowych i dwuwarstwowych ^3,6,8,15, w zakresie obniżonego ciśnienia progowego oraz poprawionego ruchu modelu (profil zbieżno-rozbieżny podczas oscylacji, ruch przypominający falę śluzówkową oraz zredukowane przemieszczenie w kierunku dolno-górnym). Pr...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Smar wysokopróżniowy	Dow Corning	01018817
Pol-Ease 2300	Polytek	Pol-Ease2300-1	Środek rozdzielający
Smooth-Sil 950	Smooth-On	Smooth-Sil 950	Materiał do tworzenia form
Pompa próżniowa	Edwards Lifesciences	E2M2
Komora próżniowa	Kartell	230
Manometr	Marsh Bellofram	11308252A
Brzytwa	Husky	008-045-HKY
Ecoflex 00-30	Smooth-On	Ecoflex 00-30
Rozcieńczalnik do silikonu	Smooth-On	Silicone Thinner
Dragon Skin	Smooth-On	Dragon Skin 10 FAST
Nitka	Omega Engineering, Inc.	OmegaCrys	Stosować wyłącznie włókna przezroczyste
Barwnik do silikonu	Smooth-On	Silc Pig Black
Klej silikonowy	Smooth-On	Sil-Poxy
Talcum (puder z talku)	Western Family