Proces produkcji nieprzywierających modeli super-miękkich fałdów głosowych

Patrick Häsner; Peter Birkholz

doi:10.3791/66222

Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Proces produkcji nieprzywierających modeli super-miękkich fałdów głosowych

1.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/66222

⸱

5 stycznia 2024

Patrick Häsner¹ , Peter Birkholz¹

¹Institute of Acoustics and Speech Communication, Technische Universität Dresden

W tym artykule

Podsumowanie

To badanie demonstruje produkcję modeli nielepiących się i super miękkich fałdów głosowych poprzez wprowadzenie specyficznego sposobu tworzenia warstw fałdów głosowych, dostarczając szczegółowego opisu procedury produkcyjnej i charakteryzując właściwości modeli.

Streszczenie

To badanie ma na celu opracowanie super miękkich, nieklejących się modeli fałdów głosowych do badań nad głosem. Konwencjonalny proces produkcji modeli fałdów głosowych na bazie silikonu skutkuje powstawaniem modeli o niepożądanych właściwościach, takich jak lepkość i problemy z odtwarzalnością. Te modele fałdów głosowych są podatne na szybkie starzenie się, co prowadzi do słabej porównywalności między różnymi pomiarami. W tym badaniu proponujemy modyfikację procesu produkcyjnego poprzez zmianę kolejności nakładania warstw materiału silikonowego, co prowadzi do produkcji nieklejących się i wysoce spójnych modeli fałdów głosowych. Porównujemy również model wykonany tą metodą z konwencjonalnie wytwarzanym modelem fałdów głosowych, na który niekorzystnie wpływa jego lepka powierzchnia. Szczegółowo opisujemy proces produkcyjny i charakteryzujemy właściwości modeli pod kątem potencjalnych zastosowań. Wyniki badania pokazują skuteczność zmodyfikowanej metody wytwarzania, podkreślając doskonałe właściwości naszych nieklejących się modeli fałdów głosowych. Odkrycia przyczyniają się do opracowania realistycznych i wiarygodnych modeli fałdów głosowych do zastosowań badawczych i klinicznych.

Wprowadzenie

Modele fałdów głosowych są wykorzystywane do symulacji i badania produkcji głosu u ludzi w warunkach prawidłowych i patologicznych¹^,². Jednym z największych wyzwań w tworzeniu modeli fałdów głosowych jest uzyskanie realistycznej miękkości i elastyczności, które ściśle odpowiadają tym występującym u ludzi. Aby uzyskać takie właściwości, często stosuje się elastomery silikonowe, które rozcieńcza się dużymi ilościami oleju silikonowego w celu osiągnięcia odpowiednich modułów sprężystości³^,⁴. Innym kluczowym czynnikiem w tworzeniu realistycznych modeli fałdów głosowych jest warstwowanie, ponieważ fałdy głosowe składają się z wielu warstw o różnym stopniu miękkości, co determinuje wzorzec wibracji indukowanych przepływem oraz częstotliwość, przy której wibracje są możliwe.

W niniejszym badaniu stworzono typowy model fałdów głosowych. Wykorzystano powszechną geometrię zaproponowaną przez Scherera⁵, która reprezentuje typowe wymiary męskich fałdów głosowych o długości 17 mm zgodnie z Zhangiem⁶ i składa się z trzech warstw: warstwy mięśnia głosowego (warstwa ciała), warstwy całej błony śluzowej (warstwa przykrywy) oraz warstwy nabłonka. Strukturę tę można zobaczyć w przekroju czołowym na Rysunku 1.

schemat struktury warstwowej; oznaczone warstwy ciała, pokrywy i nabłonka; pokazane wymiary i kąty
Rysunek 1: Przekrój czołowy modułów krtani. Przekrój czołowy modułów krtani ilustrujący maksymalną szerokość fałdów głosowych (8,5 mm). Każdy fałd głosowy składa się z warstwy ciała, warstwy pokrywy oraz warstwy nabłonka. Rysunek został zmodyfikowany na podstawie opracowania¹³. Reprodukowano z: Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Effect of wavy trachea walls on the oscillation onset pressure of silicone vocal folds. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) za zgodą Acoustical Society of America. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Inne publikacje wykorzystują częściowo tylko jedną warstwę⁷, dwie warstwy bez warstwy nabłonka² lub modelują śluzówkę za pomocą wielu warstw³. Zazwyczaj warstwy są odlewane od wewnątrz na zewnątrz, tzn. zaczynając od warstwy najgłębszej. Nabłonek, który jest bardzo cienki i ma grubość 30 µm, jest odlewany na końcu na całym ciele, aby otoczyć je wytrzymałą skórą⁸.

Warstwa pokrywy w modelu jest najmiększą częścią, z modułem Younga wynoszącym około 1.1 kPa⁹. Dla warstwy ciała przybliżony moduł Younga w kierunku poprzecznym, wyznaczony na podstawie pomiarów in vitro¹⁰, wynosi 2 kPa. In vivo moduł Younga mięśnia tarczowo-nalewkowego może być wyższy ze względu na obecność włókien w kierunku podłużnym, a także możliwy napięcie mięśnia. Aby uzyskać tak ekstremalnie niski moduł Younga, konieczne jest dodanie dużej ilości oleju silikonowego do mieszanki silikonowej (około 72%). Jednak producent stanowczo odradza stosowanie proporcji oleju przekraczającej 5%. Ogólnie dodatek oleju silikonowego do elastomeru ma na celu zwiększenie płynności i czasu ściekania, a także zmniejszenie skurczu utwardzonego polimeru silikonowego. Pomaga to w bardziej jednorodnym utwardzaniu silikonu, redukując tym samym naprężenia w materiale. Jego celem jest optymalizacja formowalności i właściwości utwardzonego materiału, a nie zwiększenie jego miękkości, choć jest to również następstwem tego procesu. Dzieje się tak dlatego, że olej silikonowy jest chemicznie obojętny, co oznacza, że nie może ulegać polimeryzacji i nie zostaje włączony w sieć polimeru silikonowego¹¹. Zamiast tego pozostaje jako faza ciekła w matrycy polimerowej, osłabiając strukturę polimeru przy wyższych stężeniach i potencjalnie powodując jego wymywanie z utwardzonego materiału oraz osadzanie się na powierzchni. W rezultaniu możliwe są inne negatywne zjawiska, takie jak zaburzenia procesu utwardzania, nierównomierna wulkanizacja, skurcz chemiczny i kruchość. Modele fałdów głosowych o wysokiej zawartości oleju silikonowego zostały przebadane pod kątem starzenia i powtarzalności, co wykazało wysoką zmienność właściwości różnych modeli oraz zmianę ich właściwości w czasie¹¹.

Podczas produkcji modeli fałdów głosowych w sposób konwencjonalny⁷^,¹², problemem może być lepkość warstwy nabłonka, ponieważ może ona wpływać na jednorodność drgań i prowadzić do przerwania ciągłości nabłonka. Chociaż silikon użyty do wykonania nabłonka nie jest rozcieńczony, można przyjąć, że olej wyciekający z sąsiedniej warstwy błony śluzowej wywiera wpływ na silikon podobny do efektu rozcieńczenia. Problem lepkości rozwiązano poprzez dodanie różnych proszków, takich jak talk lub proszek węglowy, jako warstwy pośredniej między błoną śluzową a warstwą nabłonka¹². Podejście to mogło okazać się skuteczne, ponieważ olej został częściowo wchłonięty przez proszek, w wyniku czego możliwe było zmniejszenie lepkości powierzchni nabłonka.

W niniejszej publikacji wykazujemy, że problem lepkości można rozwiązać poprzez niewielką modyfikację procesu produkcji fałdów głosowych. Dzięki zmianie kolejności warstwowania i rozpoczęciu od nierozcieńczonego silikonu nabłonkowego (tzw. silikonu zamkniętego) możliwe jest wytworzenie nielepkich, supermiękkich modeli fałdów głosowych. Zmiana ta wiąże się z zastosowaniem nietypowych rodzajów form i metod, które najlepiej zaprezentować i wyjaśnić w formie wideo. W niniejszym artykule szczegółowo opisujemy nasz proces produkcji i demonstrujemy, w jaki sposób można scharakteryzować właściwości modeli fałdów głosowych w konkretnym zastosowaniu.