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.
Artykuł metodologiczny
Proces produkcji nieprzywierających modeli super-miękkich fałdów głosowych
W tym artykule
Podsumowanie
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.
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.
Protokół
1. Projektowanie modeli fałd głosowych i druk 3D części
- Stwórz wielowarstwową reprezentację typowej geometrii M5 silikonowych fałdów głosowych przy użyciu różnych miękkich materiałów silikonowych. Projektuj poszczególne części za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD). Aby uzyskać szczegółowe informacje, sprawdź Dodatkowy plik kodowania 1, Uzupełniający plik kodowania 2, Uzupełniający plik kodowania 3, Uzupełniający plik kodowania 4, Uzupełniający plik kodowania 5, Uzupełniający plik kodowania 6, Uzupełniający plik kodowania 7, Uzupełniający plik kodowania 8, Aby uzyskać szczegółowe informacje. Pliki są nazwane zgodnie z ich funkcją w modelu i służą jako podstawa dla kolejnych kroków.
- Skompiluj i uporządkuj pliki niezbędne do każdego kroku w kroku 2. Zapoznaj się z wykazem wymaganych części i ich ilości na rysunku uzupełniającym 1. Zobacz schematyczne przedstawienie montażu formy na rysunku uzupełniającym 2.
- Załaduj pliki STL do programu do drukowania 3D, aby wygenerować pliki G-code, które mogą być odczytane przez drukarkę 3D.
- Przygotuj materiały (patrz Tabela materiałów) do druku 3D.
- W przypadku dodatkowego pliku kodowania 2 i dodatkowego pliku kodowania 5 należy użyć materiału, który powoduje mniej widoczne linie warstw, takiego jak kwas polimlekowy (PLA+) lub PC.
- W przypadku dodatkowego pliku kodowania 1 należy użyć twardszego materiału, takiego jak twardy PLA lub glikol z politereftalanu etylenu (PETG) ze względu na jego podatność na naprężenia zginające. Do pozostałych części nie mają zastosowania żadne dalsze ograniczenia co do wyboru materiału do druku.
- Dostosuj ustawienia oprogramowania do drukowania 3D dla odpowiedniej wybranej drukarki 3D.
- W przypadku Dodatkowego pliku kodowania 2 i Dodatkowego pliku kodowania 5 ustaw maksymalną wysokość warstwy na 0,1 mm.
- W przypadku dodatkowego pliku kodowania 1 ustaw wartość wypełnienia na 100%, a wzór wydruku na Zygzak, aby uzyskać lepszą stabilność. Ustaw również kategorię przyczepności platformy roboczej na Spódnica zamiast Rondo, ponieważ geometria części znacznie utrudniłaby usunięcie ronda.
- W przypadku pozostałych elementów należy użyć ustawień domyślnych i wysokości warstw wynoszącej 0,2 mm.
- Wydrukuj wymienione części na drukarce 3D. Oczyść części i usuń nadmiar materiału, taki jak brzeg lub błędy drukowania. Wygładź wewnętrzne powierzchnie styku papierem ściernym (równym lub drobniejszym niż zalecany P1000).
2. Produkcja modeli fałdów głosowych
- Zbierz następujące części i materiały do stworzenia warstwy ciała: fałd głosowy-pozytywny (2x), vocalis_mold-czapka, vocalis_mold-główna-część, vocalis_mold-kadłub, główny silikon, środek antyadhezyjny i rozcieńczalnik (szczegóły w Tabeli materiałów).
- Nałóż trochę środka antyadhezyjnego na wewnętrzne powierzchnie wszystkich części formy.
- Zamontuj główną część i nasadkę formy na pozytywie i umieść opakowanie formy w wyznaczonym garnku. W razie potrzeby skoryguj wyrównanie dwóch części formy. Upewnij się, że otwór w dodatnim biegunie umożliwia wylanie silikonowych powierzchni do góry, a forma ma stabilną podstawę na płaskiej powierzchni.
- Stwórz mieszaninę silikonu pierwotnego z trzema częściami rozcieńczalnika (1:1:3), zacznij od połączenia składnika A z rozcieńczalnikiem, a następnie dodaj składnik B. Dokładnie wymieszaj składniki. Łączna ilość 6 g mieszanki silikonowej wystarcza do wylania warstwy ciała z dwóch połówek fałdu głosowego.
- Odkurz mieszaninę silikonu w komorze próżniowej pod ciśnieniem co najmniej -1 bara, aby zapobiec tworzeniu się pęcherzyków powietrza w utwardzonym korpusie silikonowym.
- Ostrożnie wlej odkurzoną mieszaninę silikonu do wnęki formy, aż pojawi się jako wypełniona. Wypełnij otaczające obszary garnka formy, aby zapobiec zapadaniu się bardzo cienkiej mieszanki silikonu przez połączenia formy. Sprawdź poziom silikonu w czasie kapania i dodaj więcej, jeśli to konieczne. Czas kapania tej mieszanki wynosi od 1 do 2 godzin.
- Po czasie utwardzania około 1 dnia, ale co najmniej 8 godzin, wyjmij pleśń, w tym pozytyw, z garnka. Usuń silikon między foremką a garnkiem przed otwarciem formy.
- Otwierając formę, najpierw ostrożnie zdejmij pokrywkę, zaczynając od tyłu pozytywu. Następnie usuń główny korpus formy. Ostrożnie usuń nadmiar silikonu za pomocą skalpela lub bocznego noża.
- Przygotuj musosa_mold-back, musosa_mold-główną część i musosa_mold-kadłuba, a także wtórny silikon i środek antyadhezyjny do wytworzenia warstwy nabłonka. (Patrz tabela materiałów).
UWAGA: Kroki 2.1 i 2.2 (warstwa ciała i nabłonka) można wykonać jednocześnie.- Zmontuj dwie części formy i umieść je w kadłubie. Przygotuj wnętrze formy z odrobiną środka antyadhezyjnego, upewniając się, że wewnętrzne ścianki są pokryte zgodnie z instrukcją użycia odpowiedniego środka antyadhezyjnego. Przed kontynuowaniem pozostaw element do krótkiego wyschnięcia na powietrzu.
- Wymieszaj partię silikonu wtórnego bez użycia rozcieńczalnika (1:1:0). Jeżeli podczas mieszania do mieszaniny silikonowej zostały wprowadzone pęcherzyki powietrza, należy odgazować mieszaninę jak w kroku 2.1.4.
UWAGA: Należy pamiętać o krótkim czasie kapania tej mieszanki, który wynosi około 15 minut. - Wlej trochę mieszanki do formy i obracaj nią (pozostawiając formę w kadłubie), aż wszystkie powierzchnie wewnętrzne zostaną pokryte silikonem.
- Odwróć formę i pozwól, aby nadmiar silikonu spłynął. Zabezpiecz formę w tej pozycji nad siatką, rusztem lub pod kątem, który umożliwia dalszy drenaż silikonu.
- Zapobiegaj tworzeniu się nawisów w silikonie podczas procesu utwardzania, regularnie go wygładzając, szczególnie w obszarze, w którym będzie znajdował się kanał powietrzny.
UWAGA: Można je również ostrożnie usunąć później za pomocą szczypiec.
- Przygotuj się do wytworzenia warstwy pośredniej błony śluzowej, przygotowując pozytyw z warstwą silikonu vocalis z kroku 2.1, formę przygotowaną z warstwą nabłonka z kroku 2.2 oraz silikon i rozcieńczalnik zgodnie z tabelą materiałów.
- Stwórz mieszaninę silikonu pierwotnego z pięcioma częściami rozcieńczalnika (1:1:5), zacznij od połączenia składnika A z rozcieńczalnikiem, a następnie dodaj składnik B. Dokładnie wymieszaj składniki. Wystarcza łącznie 4 g mieszanki silikonowej.
- Odkurzyć mieszaninę silikonu w komorze próżniowej, jak w kroku 2.1.4.
- Wlej porcję mieszanki silikonu do formy błony śluzowej przygotowanym silikonem nabłonkowym. Przechyl formę, aż wszystkie wewnętrzne powierzchnie silikonu nabłonkowego zostaną pokryte cienką warstwą oleju, aby ułatwić włożenie pozytywu.
UWAGA: Opcjonalnie: Ze względu na dużą zawartość rozcieńczalnika mieszanina ma długi, kilkugodzinny czas kapania, podczas którego mieszanina może się skurczyć w wyniku odparowania. Dlatego odczekaj około 2-3 godzin przed przystąpieniem do kolejnych kroków. - Ostrożnie włóż pozytyw z korpusem wokalnym do formy. Zabezpiecz pozytyw w formie, na przykład za pomocą zacisku, jeśli dodatni unosi się na silikonie. W zależności od ilości wcześniej dodanego silikonu, może on ulatniać się w punktach napełniania.
- Wypełnij formę w taki sam sposób, jak w przypadku odlewu warstwy wokalnej i odpowiednio uzupełnij, jeśli materiał tonie.
- Odczekaj 24 godziny po zakończeniu czasu kapania, aby silikon całkowicie się utwardził.
- Po 24 godzinach wyjmij korpus z formy. Najpierw usuń pleśń ze skorupy. Następnie, zaczynając od tylnej sekcji, otwórz formę i usuń również główną część formy.
- Ostrożnie usuń nadmiar silikonu, umyj powierzchnię i pozostaw ciało do wyschnięcia.
- Zamontuj dwie połówki fałdu głosowego w wyznaczonych miejscach na module pomiarowo-montażowym w Dodatkowym pliku kodowania 8. Połączenie zostało zaprojektowane dla dwóch M3 i nakrętek kwadratowych M3 (DIN 562), ale nie są one obowiązkowe.
Wyniki
Wykonany model fałdów głosowych zintegrowano w układzie pomiarowym przedstawionym na Rysunku uzupełniającym 3 w miejscu fałdów głosowych. Układ ten, szczegółowo opisany w poprzedniej publikacji13, składa się z wielostopniowego sterowalnego źródła przepływu powietrza, które pobudza modele fałdów głosowych do oscylacji, oraz zestawu instrumentów pomiarowych rejestrujących dane, takie jak ciśnienie akustyczne, ciśnienie statyczne w określonych pozycjach oraz prędkość objętościowa. Podczas pomiarów przepływ powietrza stopniowo zwiększano, aż model fałdów głosowych zaczął oscylować. Następnie ciśnienie powietrza podniesiono o 200 Pa powyżej ciśnienia progowego, aby uzyskać stabilne i wyraźne oscylacje. Dodano również szybką kamerę, którą umieszczono nad modelem traktu głosowego, aby rejestrować ruchy oscylacyjne fałdów głosowych z maksymalną częstotliwością klatek wynoszącą 2304 klatek na sekundę.
Lampa zintegrowana z płucami emituje światło przez trakt podgłośniowy, przez co głośnia wydaje się biała. Rycina 2 przedstawia dwie serie obrazów oscylacji, z których każda składa się z sześciu klatek, ilustrujące typowy cykl zamknięcie-otwarcie-zamknięcie. Górny rząd (Rycina 2A) pokazuje oscylację fałdów głosowych wykonanych przy użyciu zaprezentowanej metody, natomiast dolny rząd (Rycina 2B) demonstruje ekstremalny przykład konwencjonalnego modelu fałdów głosowych, stworzonego podczas wstępnych prac13, który nie jest w stanie generować stabilnych oscylacji ze względu na lepkość swojej powierzchni. W przypadku tego drugiego, lepkość powierzchni sprawia, że głośnia otwiera się najpierw na końcach przednim i tylnym, a część centralna otwiera się później. Powierzchnia modelu jest już lekko uszkodzona w konkretnym punkcie w wyniku adhezji.
Rysunek 2: Sekwencja pojedynczych klatek zarejestrowanych przez kamerę wysokiej rozdzielczości czasowej. Sekwencja pojedynczych klatek zarejestrowanych przez kamerę wysokiej rozdzielczości czasowej, przedstawiająca cykl zwierania i otwierania podczas wibracji fałdów głosowych. (A) Fałdy głosowe wykonane przy użyciu zaprezentowanej metody. (B) Wibracja konwencjonalnego modelu fałdu głosowego z lepką powierzchnią. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina 3 oraz Rycina 4 przedstawiają odpowiednio funkcje czasowe pola głośni w proponowanym modelu oraz w modelu konwencjonalnym (lepkim). Kształt fali pola (lewa część każdej z rycin) został obliczony z dostępnych sekwencji obrazów przy użyciu oprogramowania GlottalImageExplorer14. Prawe części rycin przedstawiają widma amplitudy funkcji czasowych, wskazując stopień ich okresowości. Częstotliwość podstawowa została wyekstrahowana z funkcji czasowych przy użyciu oprogramowania Praat15. Z Ryciny 3 wynika wyraźnie, że proponowany model fałdów głosowych wykazuje stabilne oscylacje w wybranym przedziale czasowym, co umożliwia dokładne obliczenie częstotliwości podstawowej. W przeciwieństwie do tego, Rycina 4 przedstawia nietypową i chaotyczną funkcję pola głośni z niespójnymi minimami i maksimami oraz różnymi artefaktami. W takim scenariuszu wyekstrahowanie częstotliwości podstawowej staje się utrudnione lub wręcz niewykonalne.
Rycina 3: Przebieg powierzchni dla modelu fałdów głosowych wykonanego za pomocą przedstawionej metody. Reprezentacja przebiegu powierzchni uzyskana z danych obrazu z kamery wysokich prędkości przy użyciu (A) programu GlottalImageExplorer, a także (B) pochodne widmo amplitudy dla modelu fałdów głosowych wykonanego za pomocą przedstawionej metody. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 4: Przebieg powierzchni dla modelu fałdów głosowych z lepką powierzchnią. Przedstawienie przebiegu powierzchni uzyskanego z danych obrazu z kamery wysokiej prędkości za pomocą (A>) GlottalImageExplorer, a także (B>) widma amplitudy przy zastosowaniu konwencjonalnego modelu fałdów głosowych z lepką powierzchnią. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina uzupełniająca 1: Lista niezbędnych komponentów do wykonania połowy fałdu głosowego. Lista niezbędnych komponentów do wykonania połowy fałdu głosowego. 1 – struktury wsporcze dla jednej połowy fałdu głosowego, 2a-c – elementy formy do wykonania warstwy ciała, 3a-c – elementy formy do wykonania warstwy pokrywy, 4 – struktury wsporcze do mocowania. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Rycina uzupełniająca 2: Schematyczny rysunek montażu formy. Schematyczny rysunek montażu formy. Po lewej – forma do tworzenia warstwy korpusu, po prawej – forma do tworzenia warstwy pokrywy. Etykiety odpowiadają liście części w uzupełniającej Rycini 1. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający 3: Pełny schemat układu pomiarowego. Pełny schemat układu pomiarowego. Rysunek został zmodyfikowany na podstawie 13. Powielono 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 pobrać ten plik.
Uzupełniający plik z kodem 1: Struktury wsporcze dla połowy jednej fałdy głosowej. Jest to plik do wytworzenia pozytywu fałdy głosowej. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Uzupełniający plik kodu 2: Komponent formy 1 do tworzenia warstwy ciała.Jest to plik do produkcji vocalis_mold-main-part. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Uzupełniający plik kodu 3: Element formy 2 do wykonania warstwy ciała. Jest to plik służący do wyprodukowania vocalis_mold-cap. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Uzupełniający plik kodowania 4: Forma obudowy do wykonania warstwy ciała w celu uniknięcia wycieku silikonu.Jest to plik do wyprodukowania vocalis_mold-hull. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Uzupełniający plik kodowy 5: Komponent formy 1 do wykonania warstwy pokrywy. Jest to plik służący do wytworzenia mucosa_mold-main-part. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Uzupełniający plik kodu 6: Komponent formy 2 do wykonania warstwy pokrywy. Jest to plik służący do wytworzenia mucosa_mold-back. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Uzupełniający plik kodowy 7: Forma obrysu do wykonania warstwy pokrywy w celu uniknięcia wycieku silikonu.Jest to plik służący do wyprodukowania mucosa_mold-hull. Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Uzupełniający plik kodowania 8: Struktury wspierające do mocowania połówek fałdów głosowych. Jest to plik służący do wytworzenia adaptera otworu pomiarowego ciśnienia. Struktury wspierające do mocowania połówek fałdów głosowych, zawierające otwór do pomiaru ciśnienia. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Dyskusja
Przedstawiony tutaj proces produkcyjny obejmuje kluczowe etapy, które znacząco wpływają na jego sukces. Po pierwsze, należy zauważyć, że przedstawiony proces produkcyjny nie rozwiązuje problemu nasycenia olejem w materiale ciała fałdu głosowego, ale raczej omija pewne negatywne skutki uboczne. Odgazowanie i związane z nim kurczenie się oraz falistość powierzchni nadal się utrzymują, choć w mniejszym stopniu. Rozwiązaniem tych problemów byłoby zastosowanie ultramiękkiego silikonu lub alternatywnego materiału, który łączy moduł sprężystości prawdziwych fałdów głosowych ze stabilną i trwałą strukturą polimerową. Brak takiego materiału uwypukla jednak utrzymujące się ograniczenia w osiągnięciu kompleksowego rozwiązania tych kwestii.
Proces produkcyjny jest nieco bardziej złożony niż konwencjonalne metody produkcji modeli fałd głosowych składających się z dwóch połówek, ponieważ obejmuje więcej komponentów, a zwykłe podejście do montażu na lewą stronę nie ma tutaj zastosowania. Nieodłącznymi zaletami są zintegrowane zabezpieczenie przed przepełnieniem, które ułatwia pracę z silnie rozcieńczonym silikonem, a także możliwość lepszej obserwacji i reagowania na poziom napełnienia i potencjalne powstawanie pęcherzyków podczas procesu utwardzania. Jest to pomocne, gdy dąży się do zminimalizowania wywołanych produkcją różnic we właściwościach modeli w małej serii wyprodukowanych z tych samych mieszanek silikonowych. Ponadto zmniejsza wskaźnik odrzutów.
W porównaniu z konwencjonalnym modelowaniem fałdów głosowych, prezentowana technika oferuje wyraźne zalety. Dzięki nagraniom wideo obszaru krtaniowego podczas oscylacji wykazano, że lepkość powierzchni fałdu głosowego może zostać zmniejszona. W rezultacie można było generować stabilne oscylacje wywołane przepływem, a czyste, wolne od artefaktów dane dotyczące przebiegów można było uzyskać z obrazów bez potrzeby stosowania środków pomocniczych, takich jak talk w proszku lub pranie przed pomiarem. Podczas gdy prezentowany model konwencjonalny (jako odniesienie) jest skrajnym przykładem, lepkość jest jednak problemem dla pomiarów i ryzykiem dla delikatnej, cienkiej warstwy nabłonka. Przedstawione rozwiązanie inżynieryjne może obejść ten problem i przyczynić się do uzyskania bardziej wiarygodnych i powtarzalnych wyników.
Patrząc w przyszłość, zmodyfikowany proces produkcyjny jest obiecujący dla różnych zastosowań. Przydatność tej techniki do produkcji humanoidalnych robotów lub aparatów mowy z ludzkimi traktami głosowymi16 otwiera możliwości postępu w dziedzinie sztucznej inteligencji i robotyki. Co więcej, jego zastosowanie w podstawowych badaniach nad generowaniem mowy i produkcją głosu 6,17 oznacza jego potencjalny wkład w szersze środowisko naukowe.
Oświadczenia
Autorzy oświadczają, że nie są im znane żadne konkurencyjne interesy finansowe ani powiązania osobiste, które mogłyby mieć wpływ na pracę opisaną w tym artykule.
Podziękowania
Ten projekt został wsparty przez Niemiecką Fundację Badawczą (DFG), grant nr. BI 1639/9-1.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Drukarka 3D | ULTIMAKER | Typ S5 | |
| Oprogramowanie do druku 3D | ULTIMAKER CURA | Wersja 5.2.2 | |
| Oprogramowanie CAD | Autodesk Inventor | Wersja 2023 | |
| Szybka kamera | XIMEA GmbH | MQ013CG-ON | |
| PLA+ Drukarka 3D Materiał | eSun | brak | biały |
| Silikon pierwotny | KauPo Plankenhorn | 09301-005-000041 | EcoFlex 00-30 |
| Środek antyadhezyjny | KauPo Plankenhorn | 09291-006-000001 | UTS Uniwersalny |
| silikon wtórny | KauPo Plankenhorn | 09301-005-000181 | DragonSkin NV10 |
| Rozcieńczalnik silikonowy | KauPo Plankenhorn | 09301-010-000002 | |
| Materiał drukarki 3D Tougth PLA | BASF |
Bibliografia
- Drechsel, J. S., Thomson, S. L. Influence of supraglottal structures on the glottal jet exiting a two-layer synthetic, self-oscillating vocal fold model. J Acoust Soc Am. 123 (6), 4434-4445 (2008).
- Stevens, K. A., Shimamura, R., Imagawa, H., Sakakibara, K. I., Tokuda, I. T. Validating Stereo-endoscopy with a synthetic vocal fold model. Acta Acustica United with Acustica. 102 (4), 745-751 (2016).
- Murray, P. R., Thomson, S. L. Synthetic, multi-layer, self-oscillating vocal fold model fabrication. J Vis Exp. (58), e3498(2011).
- Spencer, M., Siegmund, T., Mongeau, L. Determination of superior surface strains and stresses, and vocal fold contact pressure in a synthetic larynx model using digital image correlation. J Acoust Soc Am. 123 (2), 1089-1103 (2008).
- Scherer, R. C., et al. Intraglottal pressure profiles for a symmetric and oblique glottis with a divergence angle of 10 degrees. J Acoust Soc Am. 109 (4), 1616-1630 (2001).
- Zhang, Z. Mechanics of human voice production and control. J Acoust Soc Am. 140 (4), 2614-2635 (2016).
- Birkholz, P., Wang, L. Studientexte zur Sprachkommunikation: Elektronische Sprachsignalverarbeitung. , TUD Press. Dresden, Germany. 58-66 (2017).
- Murray, P. R. Flow-induced responses of normal, bowed, and augmented synthetic vocal fold models. , Brigham Young University. (2011).
- Alipour, F., Vigmostad, S. Measurement of vocal folds elastic properties for continuum modeling. J Voice. 26 (6), e21-29 (2012).
- Chhetri, D. K., Zhang, Z., Neubauer, J. Measurement of young's modulus of vocal folds by indentation. J Voice. 25 (1), 1-7 (2011).
- Häsner, P., Birkholz, P. Reproducibility and aging of different silicone vocal folds models. J Voice. , (2023).
- Gabriel, F., Häsner, P., Dohmen, E., Borin, D., Birkholz, P. Studientexte zur Sprachkommunikation: Elektronische Sprachsignalverarbeitung. , TUD Press. Dresden, Germnay. 221-230 (2019).
- 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).
- Birkholz, P. Studientexte zur Sprachkommunikation: Elektronische Sprachsignalverarbeitung. , TUD Press. Dresden, Germany. (2016).
- Boersma, P., Weenink, D. Praat, a system for doing phonetics by computer. Glot. Int. 5, 341-345 (2001).
- Fukui, K., Shintaku, E., Honda, M., Takanishi, A. Mechanical vocal cord model for anthropomorphic talking robot based on human biomechanical structure. Trans Japan Soc Mech Eng Ser C. 73 (734), 2750-2756 (2007).
- Syndergaard, K. L., Dushku, S., Thomson, S. L. Electrically conductive synthetic vocal fold replicas for voice production research. J Acoust Soc Am. 142 (1), 63(2017).
Przedruki i uprawnienia
