Processo de Fabricação para Modelos de Pregas Vocais Supermacias Não Aderentes

Resumo

Este estudo demonstra a confecção de modelos de pregas vocais não pegajosas e supermoles, introduzindo uma maneira específica de criar as camadas das pregas vocais, fornecendo uma descrição detalhada do procedimento de fabricação e caracterizando as propriedades dos modelos.

Resumo

Este estudo tem como objetivo desenvolver modelos de pregas vocais supermacias e não pegajosas para pesquisa em voz. O processo convencional de fabricação de modelos de pregas vocais à base de silicone resulta em modelos com propriedades indesejáveis, como aderência e problemas de reprodutibilidade. Esses modelos de pregas vocais são propensos ao envelhecimento rápido, levando a uma baixa comparabilidade entre diferentes medidas. Neste estudo, propomos uma modificação no processo de fabricação alterando a ordem de acamamento do material de silicone, o que leva à produção de modelos de pregas vocais não pegajosos e altamente consistentes. Também comparamos um modelo produzido por esse método com um modelo de prega vocal convencionalmente fabricado que é afetado negativamente por sua superfície pegajosa. Detalhamos o processo de fabricação e caracterizamos as propriedades dos modelos para potenciais aplicações. Os resultados do estudo demonstram a eficácia do método de fabricação modificado, destacando as qualidades superiores de nossos modelos de pregas vocais não pegajosos. Os achados contribuem para o desenvolvimento de modelos realistas e confiáveis de pregas vocais para aplicações clínicas e de pesquisa.

Introdução

Modelos de pregas vocais são utilizados para simular e investigar a produção da voz humana em condições normais e^{patológicas1,2}. Um dos maiores desafios na criação de modelos de pregas vocais é alcançar uma suavidade realista e flexibilidade que se aproxime muito das dos seres humanos. Para atingir essas propriedades, são frequentemente utilizados elastômeros de silicone, que são diluídos com altas quantidades de óleo de silicone para atingir os módulos de elasticidade correspondentes ^3,4. Outro fator crucial na criação de modelos realistas de pregas vocais é a camada, pois as pregas vocais consistem em múltiplas camadas de suavidade variável, que determinam o padrão de vibração induzida pelo fluxo e a frequência na qual a vibração é possível.

Neste estudo, criamos um modelo típico de prega vocal. Utilizou-se a geometria comum fornecida por Scherer5, que representa dimensões típicas de pregas vocais masculinas com 17 mm de comprimento segundo Zhang⁶ e consiste em três camadas: uma camada para o músculo vocal (camada corporal), uma para toda a camada mucosa (camada de cobertura) e uma para o epitélio. Essa estrutura pode ser vista no corte coronal na Figura 1.

Figura 1: Corte coronal dos módulos laríngeos. Corte coronal dos módulos laríngeos ilustrando a maior largura das pregas vocais (8,5 mm). Cada prega vocal é composta por uma camada corporal, uma camada de cobertura e uma camada de epitélio. Este número foi modificado de¹³. Reproduzido de Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Efeito das paredes onduladas da traqueia sobre a pressão de início da oscilação das pregas vocais de silicone. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) com a permissão da Acoustical Society of America. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Outras publicações utilizam parcialmente apenas uma camada⁷, duas camadas sem camada^{epitelial 2} ou modelam a mucosa com múltiplas camadas³. Normalmente, as camadas são moldadas de dentro para fora, ou seja, começando com a camada mais profunda. O epitélio, muito fino com 30 μm de espessura, é lançado na extremidade sobre todo o corpo para envolvê-lo com uma pele resistente⁸.

A camada de cobertura no modelo é a parte mais macia, com módulo de Young de cerca de 1,1 kPa⁹. Para a camada corporal, o módulo de Young aproximado na direção transversal usando medidas in vitro ¹⁰ é de 2 kPa. In vivo, o módulo de Young do músculo tireoaritenoideo pode estar maior devido à presença de fibras no sentido longitudinal, bem como à possível tensão do músculo. Para conseguir esse módulo de Young extremamente baixo, é necessário adicionar uma alta quantidade de óleo de silicone à mistura de silicone (aproximadamente 72%). No entanto, o fabricante desaconselha fortemente o uso de uma proporção de óleo superior a 5%. Em geral, a adição de óleo de silicone ao elastômero tem como objetivo aumentar o fluxo e o tempo de gotejamento, bem como reduzir o encolhimento do polímero de silicone curado. Ajuda o silicone a curar de forma mais uniforme, reduzindo assim o estresse no material. Seu objetivo é otimizar a moldabilidade e as propriedades do material curado, ao invés de aumentar sua maciez, embora isso também seja uma consequência. Isso ocorre porque o óleo de silicone é quimicamente inerte, ou seja, não pode se polimerizar e não está integrado à rede do polímero de silicone¹¹. Em vez disso, permanece como uma fase líquida na matriz polimérica, enfraquecendo a estrutura do polímero em níveis mais altos e potencialmente fazendo com que ele se dissolva do material curado e adera à superfície. Como resultado, outras propriedades negativas, como distúrbios de cura, vulcanização irregular, encolhimento químico e fragilidade são possíveis. Modelos de pregas vocais com alto teor de óleo de silicone foram investigados em relação ao envelhecimento e reprodutibilidade, e verificou-se que há uma grande variabilidade nas propriedades dos diferentes modelos e uma mudança em suas propriedades ao longo do^tempo11.

Na produção de modelos de pregas vocais de forma ^{convencional7,12}, a aderência da camada epitelial pode ser um problema, pois pode afetar a homogeneidade da vibração e levar à ruptura do epitélio. Embora o silicone usado para fazer o epitélio não seja diluído, pode-se supor que o óleo que vaza da camada mucosa vizinha tenha efeitos semelhantes sobre o silicone como se tivesse sido diluído. O problema da aderência foi resolvido com a adição de vários pós, como talco ou pó de carbono, como camada intermediária entre a mucosa e a camada epitelial¹². Essa abordagem pode ter sido bem-sucedida porque o óleo foi parcialmente absorvido pelo pó e, como resultado, a aderência da superfície epitelial pôde ser reduzida.

Nesta publicação, mostramos que o problema da aderência pode ser contornado por uma pequena modificação no processo de confecção das pregas vocais. Alterando a ordem das camadas e começando com o silicone epitelial não diluído (o chamado silicone fechado), modelos de pregas vocais supermacias não pegajosas podem ser produzidos. Essa mudança envolve tipos incomuns de moldes e métodos que são melhor apresentados e explicados na forma de um vídeo. Neste trabalho, descrevemos detalhadamente nosso processo de fabricação e demonstramos como as propriedades dos modelos de pregas vocais podem ser caracterizadas em uma aplicação.

Protocolo

1. Desenho dos modelos das pregas vocais e impressão 3D das peças

1. Crie uma representação multicamadas da geometria M5 comum das pregas vocais de silicone usando vários materiais de silicone macio. Projete as peças individuais usando um software CAD (computer-aided design). Verifique o Arquivo de Codificação Suplementar 1, o Arquivo de Codificação Suplementar 2, o Arquivo de Codificação Suplementar 3, o Arquivo de Codificação Suplementar 4, o Arquivo de Codificação Suplementar 5, o Arquivo de Codificação Suplementar 6, o Arquivo de Codificação Suplementar 7, o Arquivo de Codificação Suplementar 8 para obter detalhes. Os arquivos são nomeados de acordo com sua função no modelo e servem como base para as etapas subsequentes.
2. Compile e organize os arquivos necessários para cada etapa na etapa 2. Consulte a lista de peças necessárias e suas quantidades na Figura Suplementar 1. Veja uma representação esquemática da montagem do molde na Figura Suplementar 2.
3. Carregue os arquivos STL em um programa de impressão 3D para gerar arquivos de código G que podem ser lidos pela impressora 3D.
4. Prepare os materiais (consulte Tabela de Materiais) para a impressão 3D.
   1. Para o Arquivo de Codificação Suplementar 2 e o Arquivo de Codificação Suplementar 5, use um material que cause linhas de camada menos visíveis, como ácido polilático (PLA+) ou PC.
   2. Para o Arquivo de Codificação Suplementar 1, use um material mais duro, como PLA resistente ou Polietileno tereftalatoglicol (PETG), devido à sua suscetibilidade a tensões de flexão. Não se aplicam restrições adicionais à escolha do material de impressão às restantes peças.
5. Ajuste as configurações do software de impressão 3D para a impressora 3D selecionada correspondente.
   1. Para o Arquivo de Codificação Suplementar 2 e o Arquivo de Codificação Suplementar 5, defina uma altura máxima da camada de 0,1 mm.
   2. Para Arquivo de Codificação Suplementar 1, defina o valor de preenchimento como 100% e o padrão de impressão como ZigZag para obter melhor estabilidade. Além disso, defina a categoria de adesão da placa de construção para Saia em vez de Brim, porque a geometria das peças tornaria consideravelmente mais difícil remover a borda.
   3. Para as outras peças, use as configurações padrão e alturas de camada de 0,2 mm.
6. Imprima as peças mencionadas na impressora 3D. Limpe as peças e remova qualquer excesso de material, como bordas ou erros de impressão. Alisar as superfícies de contato internas com lixa (igual ou mais fina que a P1000 recomendada).

2. Confecção dos modelos de pregas vocais

1. Reúna as seguintes partes e materiais para criar a camada do corpo: vocal-fold-positiv (2x), vocalis_mold-cap, vocalis_mold-main-part, vocalis_mold-hull, silicone primário, agente desmoldante e diluente (consulte a Tabela de materiais para obter detalhes).
   1. Aplique algum desmoldante nas superfícies internas de todas as peças do molde.
   2. Monte a parte principal e a tampa do molde sobre o positivo e coloque a embalagem do molde no pote designado. Corrija o alinhamento das duas partes do molde, se necessário. Certifique-se de que o furo no positivo para despejar o silicone fique voltado para cima, e o molde tenha uma base estável em uma superfície plana.
   3. Crie uma mistura do silicone primário com três partes de diluente (1:1:3), comece combinando o componente A com o diluente e, posteriormente, adicionando o componente B. Misture bem os componentes. Uma quantidade total de 6 g de mistura de silicone é suficiente para fundir a camada corporal a partir de duas metades de pregas vocais.
   4. Aspirar a mistura de silicone em uma câmara de vácuo a um mínimo de -1 bar de subpressão para evitar a formação de bolhas de ar no corpo de silicone curado.
   5. Despeje cuidadosamente a mistura de silicone aspirada na cavidade do molde até que ela pareça preenchida. Preencha as áreas circundantes do vaso do molde para evitar que a mistura de silicone muito fina afunde através das juntas do molde. Verifique o nível de silicone durante o tempo de gotejamento e adicione mais se necessário. O tempo de gotejamento para esta mistura é entre 1-2 h.
   6. Após um tempo de cura de cerca de 1 dia, mas pelo menos 8 h, retire o molde, incluindo o positivo, da panela. Retire o silicone entre o molde e a panela antes de abrir o molde.
   7. Ao abrir o molde, primeiro remova cuidadosamente a tampa a partir da parte de trás do positivo. Em seguida, retire o corpo principal do molde. Remova cuidadosamente qualquer excesso de silicone usando um bisturi ou um cortador lateral.
2. Preparar as partes musosa_mold-back, musosa_mold-main-part e musosa_mold-hull, bem como o silicone secundário e o agente desmoldante para a produção da camada de epitélio. (Ver Tabela de Materiais).
   NOTA: As etapas 2.1 e 2.2 (corpo e camada epitelial) podem ser concluídas simultaneamente.
   1. Monte as duas partes do molde e coloque-as no casco. Preparar o interior do molde com algum desmoldante, garantindo que as paredes internas sejam revestidas de acordo com as instruções de uso do respectivo desmoldante. Deixe o componente secar ao ar brevemente antes de prosseguir.
   2. Misture um lote de silicone secundário sem usar diluente (1:1:0). Se tiverem sido introduzidas bolhas de ar na mistura de silicone durante a mistura, desgaseifique a mistura como no passo 2.1.4.
      NOTA: Fique atento ao curto tempo de gotejamento desta mistura, que é de cerca de 15 min.
   3. Despeje um pouco da mistura no molde e gire-o ao redor (deixando o molde no casco) até que todas as superfícies internas sejam revestidas com silicone.
   4. Vire o molde e deixe escorrer o excesso de silicone. Fixe o molde nessa posição sobre uma malha, grelha ou em um ângulo que permita maior drenagem de silicone.
   5. Evite a formação de saliências no silicone durante o processo de cura, alisando-o regularmente, especialmente na área onde o canal de ar estará localizado.
      NOTA: Estes também podem ser cuidadosamente removidos mais tarde com alicates.
3. Preparar-se para a produção da camada intermediária da mucosa, preparando o positivo com a camada de silicone vocal da etapa 2.1, o molde preparado com a camada de epitélio da etapa 2.2 e o silicone e diluente conforme listado na Tabela de Materiais.
   1. Crie uma mistura do silicone primário com cinco partes de diluente (1:1:5), comece combinando o componente A com o diluente e, posteriormente, adicionando o componente B. Misture bem os componentes. Uma quantidade total de 4 g de mistura de silicone é suficiente.
   2. Aspirar a mistura de silicone numa câmara de vácuo como no passo 2.1.4.
   3. Preencha uma porção da mistura de silicone no molde da mucosa com o silicone epitelial preparado. Incline o molde até que todas as superfícies internas do silicone epitelial sejam cobertas com uma fina camada de óleo para facilitar a inserção do positivo.
      NOTA: Opcional: Devido à alta proporção de diluente, a mistura tem um longo tempo de gotejamento de várias horas durante o qual a mistura pode encolher através da evaporação. Portanto, aguarde cerca de 2-3 h antes de prosseguir com os próximos passos.
   4. Insira cuidadosamente o positivo com o corpo vocal no molde. Fixe o positivo no molde, por exemplo, com uma braçadeira, se o positivo flutuar sobre o silicone. Dependendo da quantidade de silicone adicionada anteriormente, ele pode escapar nos pontos de enchimento.
   5. Preencha o molde da mesma forma que para a fundição da camada vocalis e recomplete de acordo se o material afundar.
   6. Aguarde 24 h após o término do tempo de gotejamento para que o silicone cicatrize completamente.
   7. Após 24 h, retire o corpo do molde. Primeiro, retire o molde da casca. Em seguida, começando pela seção traseira, abra o molde e remova a parte principal do molde também.
   8. Retire cuidadosamente qualquer excesso de silicone, lave a superfície e deixe o corpo secar.
4. Monte as duas metades das pregas vocais nos locais designados no módulo de medição e montagem no Arquivo de Codificação Suplementar 8. A conexão foi projetada para dois parafusos M3 e porcas quadradas M3 (DIN 562), mas eles não são obrigatórios.

Resultados

O modelo confeccionado das pregas vocais foi integrado ao arranjo de medidas apresentado na Figura 3 Suplementar na posição das pregas vocais. A configuração, amplamente detalhada em publicação^anterior13, compreende uma fonte de fluxo de ar controlável em múltiplos estágios que estimula os modelos de pregas vocais em oscilação, juntamente com uma série de instrumentos de medição que registram dados como pressão sonora, pressão estática em posições específicas e velocidade de volume. Para as medidas, o fluxo aéreo aumentou gradativamente até que o modelo de prega vocal começasse a oscilar. Posteriormente, a pressão do ar foi elevada em 200 Pa acima da pressão de início para alcançar uma oscilação estável e robusta. Uma câmera de alta velocidade adicional foi adicionada e colocada acima do modelo do trato vocal, capturando os movimentos de oscilação das pregas vocais a uma taxa máxima de quadros de 2304 quadros por segundo.

Uma lâmpada integrada ao pulmão emite luz através do trato subglótico, fazendo com que a glote pareça branca. A Figura 2 mostra duas séries de imagens de oscilação, cada uma consistindo de seis quadros, ilustrando um típico ciclo fechar-abrir-fechar. A fileira superior (Figura 2A) apresenta a oscilação das pregas vocais confeccionadas pelo método apresentado, enquanto a fileira inferior (Figura 2B) demonstra um exemplo extremo de um modelo de prega vocal convencional, criado durante o trabalho^preliminar13, incapaz de gerar oscilação estável devido à sua superfície pegajosa. Para esta última, a aderência superficial faz com que a glote se abra primeiro nas extremidades anterior e posterior e a parte central se abra posteriormente. A superfície do modelo já está levemente danificada em um ponto específico devido à aderência.

Figura 2: Sequência de quadros individuais capturados pela câmera de alta velocidade. Sequência de quadros individuais capturados pela câmera de alta velocidade, mostrando um ciclo de vibração das pregas vocais próximo-aberto-fechado. (A) Pregas vocais confeccionadas pelo método apresentado. (B) Vibração de um modelo de prega vocal convencional com superfície pegajosa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A Figura 3 e a Figura 4 mostram as funções de tempo da área glótica do modelo proposto e do modelo convencional (pegajoso), respectivamente. A forma de onda de área (parte esquerda em cada uma das figuras) foi calculada usando o software GlottalImageExplorer¹⁴ a partir das sequências de imagens disponíveis. As partes direitas das figuras mostram os espectros de magnitude das funções de tempo para indicar seu grau de periodicidade. A frequência fundamental foi extraída das funções de tempo utilizando o software Praat¹⁵. Evidencia-se na Figura 3 que o modelo de prega vocal proposto apresenta uma oscilação estável ao longo da duração selecionada, possibilitando o cálculo preciso da frequência fundamental. Em contraste, a Figura 4 mostra uma função de área glótica atípica e caótica com mínimos e máximos inconsistentes, juntamente com vários artefatos. A extração da frequência fundamental torna-se desafiadora ou mesmo inviável nesse cenário.

Figura 3: Forma de onda de área para um modelo de prega vocal confeccionado utilizando o método apresentado. Representação da forma de onda de área obtida a partir dos dados de imagem de câmeras de alta velocidade usando (A) o GlottalImageExplorer, bem como (B) o espectro de magnitude derivado para um modelo de prega vocal fabricado usando o método apresentado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Área de forma de onda para um modelo de prega vocal com superfície pegajosa. Representação da forma de onda de área obtida a partir dos dados de imagem de câmera de alta velocidade usando (A) GlottalImageExplorer, bem como (B) o espectro de magnitude usando um modelo de prega vocal convencional com superfície pegajosa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura Suplementar 1: Lista de componentes essenciais para a confecção de uma metade de prega vocal. Lista de componentes essenciais para a fabricação de uma metade de prega vocal. 1 - Estruturas de apoio para uma metade de prega vocal, 2a-c - Componentes do molde para confecção da camada do corpo, 3a-c - Componentes do molde para confecção da camada de cobertura, 4 - Estruturas de suporte para fixação. Clique aqui para baixar este arquivo.

Figura Suplementar 2: Representação esquemática da montagem do molde. Representação esquemática da montagem do molde. Esquerda - Molde para criar a camada do corpo, Direita - Molde para criar a camada de cobertura. As etiquetas correspondem à lista de peças na Figura Suplementar 1. Clique aqui para baixar este arquivo.

Figura Suplementar 3: Configuração completa do sistema de medição. Configuração completa do sistema de medição. Este número foi modificado de¹³. Reproduzido de Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Efeito das paredes onduladas da traqueia sobre a pressão de início da oscilação das pregas vocais de silicone. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) com a permissão da Acoustical Society of America. Clique aqui para baixar este arquivo.

Arquivo de Codificação Suplementar 1: Estruturas de suporte para uma metade da prega vocal. Este é o arquivo para produzir vocal-fold-positiv. Clique aqui para baixar este arquivo.

Arquivo de codificação suplementar 2: Componente do molde 1 para a criação da camada do corpo. Este é o arquivo para produzir vocalis_mold-main-part. Clique aqui para baixar este arquivo.

Arquivo de codificação suplementar 3: Componente do molde 2 para a criação da camada do corpo. Este é o arquivo para produzir vocalis_mold-cap. Clique aqui para baixar este arquivo.

Arquivo de codificação suplementar 4: Casco do molde para confecção da camada do corpo para evitar vazamento de silicone. Este é o arquivo para produzir vocalis_mold-casco. Clique aqui para baixar este arquivo.

Arquivo de codificação suplementar 5: Componente do molde 1 para a confecção da camada de cobertura. Este é o arquivo para produzir mucosa_mold-main-part. Clique aqui para baixar este arquivo.

Arquivo de codificação suplementar 6: Componente do molde 2 para a confecção da camada de cobertura. Este é o arquivo para produzir mucosa_mold-back. Clique aqui para baixar este arquivo.

Arquivo de codificação suplementar 7: Casco do molde para confecção da camada de cobertura para evitar vazamento de silicone. Este é o arquivo para produzir mucosa_mold-hull. Clique aqui para baixar este arquivo.

Arquivo de Codificação Suplementar 8: Estruturas de suporte para fixação das metades das pregas vocais. Este é o arquivo para produzir measurement-pressure-tap-adapter. Estruturas de apoio para fixação das metades das pregas vocais, incluindo punção de medição de pressão. Clique aqui para baixar este arquivo.

Discussão

O processo de fabricação aqui apresentado envolve etapas críticas que impactam significativamente o seu sucesso. Primeiramente, deve-se ressaltar que o processo de fabricação apresentado não resolve o problema da saturação de óleo no material corporal das pregas vocais, mas contorna certos efeitos colaterais negativos. A desgaseificação e o encolhimento e a ondulação de superfície associados ainda persistem, embora em menor grau. Uma solução para esses problemas envolveria o uso de um silicone ultramacio ou material alternativo que combine o módulo de elasticidade de pregas vocais reais com uma estrutura polimérica estável e durável. No entanto, a ausência de tal material ressalta as limitações contínuas em alcançar uma resolução abrangente para essas questões.

O processo de fabricação é um pouco mais complexo do que os métodos de fabricação convencionais para modelos de pregas vocais consistindo de duas metades, pois envolve mais componentes, e a abordagem usual de montagem de dentro para fora não é aplicável aqui. As vantagens inerentes incluem a proteção integrada contra transbordamento, que facilita o trabalho com silicone altamente diluído, e a capacidade de observar e reagir melhor ao nível de enchimento e potencial formação de bolhas durante o processo de cura. Isso é útil quando se pretende minimizar as variações induzidas pela fabricação nas propriedades de modelos em uma pequena série produzidos com as mesmas misturas de silicone. Além disso, reduz a taxa de rejeição.

Em comparação com a modelagem convencional de pregas vocais, a técnica apresentada apresenta vantagens distintas. Com o registro em vídeo da área glótica durante a oscilação, demonstrou-se que a aderência da superfície da prega vocal poderia ser reduzida. Como resultado, oscilações estáveis induzidas por fluxo poderiam ser geradas, e dados de forma de onda limpos e livres de artefatos poderiam ser obtidos das imagens sem a necessidade de auxílios como pó de talco ou lavagens antes da medição. Embora o modelo convencional apresentado (como referência) seja um exemplo extremo, a aderência é, no entanto, um problema para as medições e um risco para a frágil camada fina do epitélio. A solução de engenharia apresentada pode contornar este problema e contribuir para resultados mais confiáveis e reprodutíveis.

Olhando para o futuro, o processo de fabricação modificado é promissor para diversas aplicações. A adequação da técnica para produzir robôs humanoides ou aparelhos de fala com tratos vocais semelhantes aos humanos¹⁶ abre caminhos para avanços em inteligência artificial e robótica. Além disso, sua aplicação na pesquisa fundamental sobre geração e produção da voz ^6,17 significa sua potencial contribuição para a comunidade científica mais ampla.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Impressora 3D	ULTIMAKER		Type S5
Software de impressão 3D	ULTIMAKER CURA		Versão 5.2.2
Software CAD	Autodesk Inventor		Câmera de Alta Velocidade Versão 2023
	XIMEA GmbH		MQ013CG-ON
PLA+ Material da Impressora 3D	eSun	nenhum	branco
Silicone primário	KauPo Plankenhorn	09301-005-000041	EcoFlex 00-30
Agente desmoldante	KauPo Plankenhorn	09291-006-000001	UTS
Silicone secundário	KauPo Plankenhorn	09301-005-000181	DragonSkin NV10
Silicone Thinner	KauPo Plankenhorn	09301-010-000002
Material da Impressora 3D Tougth PLA	BASF		preto