Синтетические, Multi-Layer, автоколебательных голосовых связок Изготовление моделей

Краткое содержание

Методология для изготовления синтетических голосовых связок модели описывается. Модели в натуральную величину и имитировать многослойную структуру человеческой голосовых складок. Результаты показывают, модели самостоятельно колебаться при давлениях, сравнимых с легкого давления и продемонстрировать, возбуждаемых потоком вибрационные ответы, которые аналогичны человека голосовых складок.

Аннотация

Звук человеческого голоса возникает в результате вибрации голосовых складок, вызванной потоком воздуха. Голосовые складки состоят из нескольких слоев ткани, каждый из которых обладает различными материальными свойствами ¹. Нормальный голосообразовательный процесс зависит от здоровья тканей и голосовых складок и происходит в результате сложного взаимодействия аэродинамических, структурно-динамических и акустических физических явлений. Расстройства голоса ежегодно затрагивают до 7,5 миллионов человек только в Соединенных Штатах ² и часто приводят к значительным финансовым, социальным и иным трудностям, влияющим на качество жизни. Понимание физики голосообразования может принести значительную пользу в области ухода за голосом, включая клиническую профилактику, диагностику и лечение нарушений голоса.

Существующие методы изучения голосообразования включают эксперименты in vivo с участием людей и животных, эксперименты in vitro с использованием изолированных гортаней и синтетических моделей, а также компьютерное моделирование. Из-за сложности и опасности доступа инструментов эксперименты in vivo серьезно ограничены по своему масштабу. Эксперименты с изолированными гортанями обладают преимуществом анатомического и некоторого физиологического реализма, однако возможности параметрических исследований, включающих переменные геометрических и материальных свойств, ограничены. Кроме того, такие образцы обычно могут вибрировать в течение относительно коротких промежутков времени (как правило, в пределах нескольких минут).

Для преодоления некоторых ограничений экспериментов на изолированной гортани в качестве дополнительного инструмента изучения голосообразования начинают применяться синтетические модели голосовых складок. Синтетические модели могут быть изготовлены с систематическим изменением геометрии и свойств материалов, что позволяет изучать аэродинамику, структурную динамику и акустику фонации у здоровых людей и при различных патологиях. Например, они использовались для изучения право-левой асимметрии голосовых складок ^3,4, разработки клинических инструментов ⁵, аэродинамики гортани ^6-9, давления контакта голосовых складок ¹⁰ и подгортанной акустики ¹¹ (более полный список приведен в работе Kniesburges et al. ¹²)

Однако существующие синтетические модели голосовых складок были либо гомогенными (однослойными моделями), либо изготовленными с использованием двух материалов с разной жесткостью (двуслойными моделями). Такой подход не позволяет воспроизвести реальную многослойную структуру голосовых складок человека ¹, которая играет центральную роль в определении вибрационного отклика голосовых складок, индуцированного потоком воздуха. Вследствие этого одно- и двуслойные синтетические модели голосовых складок продемонстрировали такие недостатки ^3,6,8, как более высокое давление начала фонации по сравнению с типичными показателями для человека (давление начала фонации — это минимальное давление в легких, необходимое для инициации вибрации), неестественно большая амплитуда движения в нижне-верхнем направлении и отсутствие «слизистой волны» (вертикально распространяющейся волны, характерной для вибрации здоровых голосовых складок человека).

В данной работе описывается изготовление модели с несколькими слоями, обладающими различными свойствами материалов. Слои модели имитируют многослойную структуру голосовых складок человека, включая эпителий, поверхностный слой собственной пластинки (SLP), промежуточный и глубокий слои собственной пластинки (т. е. связку; для обеспечения жесткости в передне-заднем направлении включено волокно) и мышечный слой (т. е. тело) ¹. Представленные результаты показывают, что данная модель обладает улучшенными вибрационными характеристиками по сравнению с предыдущими одно- и двухслойными синтетическими моделями, включая давление начала колебаний, более близкое к человеческому, уменьшение движения в нижне-верхнем направлении и наличие слизистой волны.

Протокол

Изготовление последовательности (см. рис. 1) состоит из изготовления форм для голосовых связок слоев модели, последовательно литья силиконовых слоев, и монтаж моделей для тестирования. Модель имеет четыре различных слоев: тела, связки, поверхностный собственная пластинка, и эпителия, в дополнение к одному волокну. Защитный слой добавлен для облегчения точного размещения отдельных слоев, чтобы голосовых связок модели. Модель определения геометрических параметров представлены на рис. 2, со значениями параметров для текущей модели приведены в таблице 1. В следующих разделах, различные силиконовые пропорции смешивания указаны для разных слоев, эти производят материальные свойства, которые аналогичны тем, которые сообщили на человека голосовых складок ткани в небольшом режима штамм ¹³ (см. таблицу 2).

1. Изготовление пресс-форм и подготовка

1. Создание твердотельных моделей из трех голосовых связок слоев: Супеrficial собственная пластинка, связки, и тело слоев. Обычно это делается путем создания 3D компьютерного проектирования (CAD) моделей с требуемой геометрии, экспорт CAD моделей, как стереолитографии (STL) файлов, а также отправлять файлы STL Custom Shop машина для быстрого прототипирования.
2. Создать коробчатого плесень форму, используя тонкие кусочки акрилового материала. Приблизительные размеры (не критично) являются 2,54 см × 5,72 см × 6,35 см в глубину. Сделать нижней части формы, придерживаясь ее плоской пластине акрила. Закройте все внутренние ребра с вакуумной смазкой.
3. Нанесите небольшое количество смазки вакуумного на боковой стороне твердотельной модели желаемой геометрии (то есть тела, связки, или поверхностный собственная пластинка). Пресс модели в нижней части формы формы полости, вакуумные смазки стороной вниз, так что вакуумная смазка содержит часть на месте. Обильно пальто форма плесени и твердотельной модели с выпуском агента. Использование кисти, обеспечить выпуск агент проникает во все уголкиполости формы формы.
4. Смешать 10 частей и одна часть В Smooth-Sil 950 платиновых силиконовой резины (части измеряется по весу) в контейнере, который имеет достаточно места для расширения. Для удаления пузырьков воздуха место плесень форме с неотвержденного силиконовой резины в вакуумной камере и уменьшить давление (например, около 26 дюймов ртутного столба ниже атмосферного давления) в течение примерно трех минут (или более или менее по мере необходимости). Удалить дегазированной силиконовые от камеры и вылить в форму полости формы. Место формы с силиконовой неотвержденного в вакуумной камере и дегазации снова. Удалить из вакуумной камеры и положите на ровную поверхность. Разрешить вылечить в течение 24 часов и удалить плесень плесени форме.
5. Повторите шаги 1.1 через 1,4 до создания пресс-формы для каждого из поверхностных собственная пластинка, связки, и тело слоев.
6. Вырезать форму связки слой в центре медиальной поверхности в передне-заднем направлении с опасной бритвой, чтобы для волоконно-вставки.

2. Кастинг ое каждый слой

1. Тело слоя: нанесите тонкий слой разделительного состава в полости тела формы с кистью. Смешайте одну часть В и одну часть из Ecoflex 00-30 Supersoft платиновый силикон (по весу). Добавить одну часть Силиконовые Разбавитель (по весу), чтобы уменьшить возможные вылечить жесткость материала. Смешать в течение 30 секунд и место в вакуумной камере в течение одной минуты для удаления вовлеченного воздуха. Удалить смесь из вакуума и залить в полость формы тела, но не заполняют в начало всю полость пресс-формы. Место в духовке при температуре 250 ° F в течение 30 минут. Выньте из духовки и остудить.
2. Резервное: Смешайте одну часть В и одну часть из кожи дракона и добавить одну часть Силиконовые Thinner (по весу). Mix энергично в течение 30 секунд, место в вакууме в течение 1 минуты, и залить в полость формы тела до полного. Место в духовке при температуре 250 ° F в течение 30 минут. Удалить плесень из духовки и остудить. Удалить модель из формы, дать остыть до комнатной температуры, и удалите все релизе агента на поверхноститело слой с бумажным полотенцем.
3. Связок Слой: Нанесите тонкий слой разделительного состава на связки полость формы поверхности кисти. Место 30 см нить в форме, нажав на нее в разрез с бритвой. Тщательно перемешайте одна часть В и одну часть из Ecoflex 00-30 и четырех частей Силиконовые Thinner (по весу). Место в вакуумную камеру, чтобы удалить пузырьки воздуха и вылейте смесь в связке полости пресс-формы.
4. Связок Layer (продолжение): Пресс тела поддержкой модели (от шагов, 2.1.1 и 2.1.2) в полость формы связки. Начало вставки с одной стороны и мягко перейти к другой так, чтобы модель толкает Излишки силикона и пузырьки воздуха из полости формы. Если пузырьки воздуха, удалите модели из полости формы, залейте неотвержденного силикон, и повторить нажатия модель в форму. Место форму в духовку на 30 минут, удалить, и охладить до комнатной температуры. Удалить модель из плесени. Удалите излишки агентом выпуска с бумажным полотенцем.
5. Поверхностный слой собственной пластинки: Нанесите тонкий слой разделительного состава на superifical собственную пластинку (SLP) полость формы поверхности кисти. Смешайте одну часть В, одна часть из Ecoflex 00-30, и 8 частей Силиконовые Разбавитель по весу. Вакуумные как это было сделано ранее, и налейте в SLP полости пресс-формы. Используйте тот же процесс, описанный в шаге 2.1.4 для вставки связки-тело-поддержкой модели в поверхностные полости собственная форма пластинки. Место в духовке при температуре 250 ° F и сушите в течение одного часа. Удалите из духовки и дать остыть. Удалить модель медленно и крайне осторожно, чтобы поверхностные собственная пластинка остается неизменным.
6. Эпителий слой: Место голосовых связок модели на плоской поверхности с отступать. Удалить материальную поддержку с бритвой. Приостановить потоков в воздухе, прилагая их к объекту большую высоту, чем модель. Смешайте одну часть В и одну часть из Dragon Skin с одной частью Силиконовые растворитель, перемешать, вакуум, затем залить модели и позволяют лечения наэлектронная час. Повторите процесс, чтобы создать более толстый слой. Удалите излишки материала с бритвой.
7. Необязательно: Если каждый слой желательно быть разного цвета (для видимого инспекции разных слоев), добавить краситель в части В любом Ecoflex или Dragon Skin в процессе смешивания.
8. Дополнительно: Если данные свойство материала будет собрано, создать разрыв и реологические образцов одновременно с изготовлением каждой модели слоя. Сделайте это путем заливки дополнительных неотвержденного материала в релизе агента обработанных пресс-форм нужную форму свойств материала образца и размера.
9. Дополнительно: Если измерения толщины слоя желательны, вырезать сечение модели с бритвой и осматривать с микроскопом.

3. Завершающая подготовка моделей для тестирования

1. Горы каждый завершенный голосовых связок модели в акриловых монтажной пластине, сначала применяя тонкий слой силиконового клея на задней (боковой) и боковые (nterior-задней) поверхности модели. Вставьте встраиваемые модели в разрезе монтажной пластине. Выравнивание модели медиальной поверхности верхней части акриловой пластиной. Вытрите излишки клея. Разрешить клей для лечения в течение одного часа.
2. Применение талька порошок поверхности модели снизить липкость поверхности.
3. Для отслеживания медиальной поверхности использовании тонкой точке Sharpie перо, чтобы отметить точки на модели. Лучшие результаты достигаются, если маркировка выполняется после нанесения порошка талька.
4. Место длинных болтов через отверстия монтажной пластины с резьбой, указывающей на модель, к которой существующая модель будет работать в паре. Положите темы более болтов. Положите закрытой ячейки пены над болты, чтобы закрыть все воздушные зазоры.
5. Пара эта модель подготовлена ​​с другим голосовых связок модель, которая была так же крепится к держателю использованием акриловых Шаги 3.1 и 3.2. Затянуть винты для сжатия пены и принести медиальной поверхности вместе, пока желание предварительно вибрационный разрыв будет достигнута. Убедитесь, что оба набора потоков размещаются овэ болты и расширять наружу от акриловых пластин в передне-заднем направлении.
6. Горы голосовых связок пара на трубе подачи воздуха.
7. Свяжите передние темы вместе, чтобы сформировать петлю. Повторите эти действия для задних нитей. Повесьте желаемого веса на петлях одновременно.
8. Модели теперь готовы для тестирования и сбора данных.

4. Представитель Результаты

Вибрационные данных отклика от одной модели, созданной с помощью этого производственного процесса являются следующие: эти результаты являются типичными. При напряжении около 31 г применяться к слоям, начало давление 400 Па На находящийся ниже складок голосовой щели давление на 10% выше начала давлением (440 Па), модель вибрировал при 115 Гц с гортанной расходе 210 мл / с Эти значения находятся в хорошем согласии со значениями сообщил для тех людей (табл. 3). Использование высокоскоростных videokymography для анализа движения модели показали, свидетельство разность фаз между начальникомой уступает поля, то есть превосходный запас скрытых нижнего края во время открытой фазы период колебаний (рис. 3). Траектории, извлеченные из стерео изображения точками применяется к медиальной и нижней поверхности голосовых связок модели показали, что модель выставлена ​​переменного сходящиеся-расходящиеся профиль, который является типичным человека фонации, слизистой оболочки, волнообразно, а нижняя нижне- превосходное движение, чем в предыдущих моделях (рис. 4).

Таблица 1. Модель геометрических параметров.

Таблица 2. Смесь соотношения по весу и в результате модуля Юнга отдельных участков голосовых связок модели. EF и DS назначить силиконовые из Ecoflex и Dragon Skin, Соответственно ^14.

Таблица 3. Сравнение между человеком и синтетических голосовых связок вибрационные ответы.

Рисунок 1. Синтетический голосовых связок процесс изготовления модели. CAD-производные твердотельных моделей (левая панель) используются для создания форм (в центре панели) для каждого слоя. Каждый слой затем бросил, начиная с телом слой и заканчивая эпителия слой (правой панели, при этом каждый слой "очищенные назад" для наглядности). После изготовления, моделей крепятся к акриловых пластин для тестирования.

Рисунок 2. Синтетический голосовых связок сечение модели. Отдельное тело, поверхностный собственная пластинка, маякидиот, и эпителия слои показываются. Параметры определяют голосовых связок геометрии модели. Эта цифра масштабируется для ясное представление о геометрических определений. Применение значениях параметров, приведенных в таблице 1 приведет к несколько иной форме, чем то, что показано здесь.

Рисунок 3. Высокоскоростные кимограмма модели вибрации. Оценки для расположения верхнего и нижнего поля показаны на цветных пунктирными линиями. Разности фаз между низшие и высшие поля очевидны.

Рисунок 4. Медиальной поверхности профиля синтетических голосовых связок модели в hemilarynx договоренности, захваченных в двух различных случаях времени, пока вибрирует. Чернила маркеров были размещены на медиальной поверхности (как шсамостоятельно в правое изображение), отображаемого с помощью двух синхронизированных высокоскоростных камер, и проследить во вибрационного цикла. Левый график показывает сходящийся голосовую щель в фазе открывания и право график показывает различные голосовой щели во время заключительного этапа.

Обсуждение

Этот метод изготовления синтетических голосовых связок моделей дает моделей, которые имеют вибрационное поведение похож на человека голосовых складок. Многослойная концепция приводит к значительному преимуществ по сравнению с предыдущим одно-и двухслойные модели конструкций ^3,6,8,15, с точки зрения снижения давления начала и улучшенные модели движения (сходящегося-расходящегося профиля во время колебаний, слизистой оболочки, волнообразно , а также снижение уступает превосходной смещения). Метод, представленны...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Высокая Смазка вакуумная	Dow Corning	01018817
Pol-Простота 2300	Polytek	Pol-Ease2300-1	Выпуск агент
Smooth-Sil 950	Smooth-On	Smooth-Sil 950	Пресс-форм материал
Вакуумный насос	Эдвардс	E2M2
Вакуумной камерой	Kartell	230
Манометр	Марш Bellofram	11308252A
Бритвой	Husky	008-045-HKY
Ecoflex 00-30	Smooth-On	Ecoflex 00-30
Силиконовые Разбавитель	Smooth-On	Силиконовые Разбавитель
Dragon Skin	Smooth-On	Dragon Skin 10 БЫСТРЫЙ
Тема	Omega	OmegaCrys	Используйте только прозрачные волокна
Силиконовая краска	Smooth-On	SILC Свинья Черный
Силиконовый клей	Smooth-On	Sil-POXY
Тальк Порошковая	Западная семьи