Summary
Metodikken for fabrikkere syntetisk vokal fold modeller er beskrevet. Modellene er legemsstørrelse og etterligne multi-lags struktur av den menneskelige stemmebåndene. Resultatene viser modellene til selvbestemmelse svinge ved trykk sammenlignes med lunge press og demonstrere flow-induced vibratory responser som er lik de menneskelige stemmebåndene.
Abstract
Lyd for den menneskelige stemmen er produsert via flow-induced vokal fold vibrasjon. Den stemmebåndene består av flere lag av vev, hver med ulike materialegenskaper 1. Normal stemme produksjonen er avhengig av friskt vev og stemmebåndene, og oppstår som et resultat av komplekse kopling mellom aerodynamisk, strukturelle dynamiske og akustiske fysiske fenomener. Voice lidelser påvirke opp til 7,5 millioner kroner årlig i USA alene 2 og ofte medføre betydelige økonomiske, sosiale og andre kvalitet-of-life problemer. Forstå fysikk i stemmen produksjonen har potensial til betydelig fordel stemme omsorg, herunder klinisk forebygging, diagnose og behandling av stemmen lidelser.
Eksisterende metoder for å studere stemme produksjon inkluderer in vivo eksperimenter med mennesker og dyr fag, in vitro eksperimentering med excised larynges og syntetisk modeller, og datamodelling. På grunn av farlig og vanskelig instrument tilgang, er in vivo eksperimenter sterkt begrenset i omfang. Excised strupehodet eksperimenter har fordelen av anatomiske og noen fysiologiske realisme, men parametriske studier med geometrisk og materiell eiendom variabler er begrenset. Videre er de vanligvis bare kunne være vibrerte for relativt korte perioder (typisk i størrelsesorden minutter).
Overvinne noen av de begrensninger i excised strupehodet eksperimenter, er syntetiske vokal fold modeller fremstår som et supplerende verktøy for å studere stemme produksjon. Syntetisk modeller kan være fabrikkert med systematiske endringer på geometri og materialegenskaper, noe som åpner for studiet av sunn og usunn menneskelig phonatory aerodynamikk, strukturell dynamikk og akustikk. For eksempel har de vært brukt til å studere venstre-høyre vokal fold asymmetri 3,4, klinisk instrument utvikling 5, strupehodet aerodynamikk 6-9, VOCal fold kontakt trykk 10 og subglottal akustikk 11 (en mer omfattende liste finnes i Kniesburges et al. 12)
Eksisterende syntetisk vokal fold modeller, men har enten blitt homogen (ett-lags modeller) eller har blitt fabrikkert ved hjelp av to materialer med ulik stivhet (to-lags modeller). Denne tilnærmingen tillater ikke for representasjon av den faktiske multi-lags struktur av den menneskelige stemmebåndene en som spiller en sentral rolle i styrende vokal fold flow-induced vibratory respons. Følgelig, en-og to-lags syntetisk vokal fold modeller har stilt ulemper 3,6,8 eksempel høyere utbruddet press enn hva som er typisk for menneskelig phonation (utbruddet trykket er det minste lunge press kreves for å initiere vibrasjon), unaturlig store underlegen- overlegen bevegelse, og mangel på en "mucosal wave" (en vertikalt reiser bølge som er karakteristisk for sunn menneskelig vokal fold vibrasjon).
Protocol
Fabrikasjon sekvensen (se fig. 1) består av å lage former for vokal fold modell lag, sekvensielt casting silikon lag, og montering av modeller for testing. Modellen har fire distinkte lag: kropp, ligament, overfladisk lamina propria og epitel, i tillegg til en enkelt fiber. En backing lag er lagt til rette for nøyaktig plassering av enkelte lag til vokal fold modell. Modellen geometriske parameter definisjonene er vist i fig. 2, med parameterverdier for dagens modell gitt i tabell 1. I de følgende avsnittene, er forskjellige silikon blandingsforholdet spesifisert for de forskjellige lagene, disse produserer materialegenskaper som ligner på det som er rapportert for human vokal fold vev i den lille belastningen regimet 13 (se tabell 2).
1. Mold fabrikasjon og forberedelse
- Lag solide modeller av tre vokal fold lag: Superficial lamina propria, ligament, og kroppen lag. Dette gjøres vanligvis ved å lage 3D dataassistert konstruksjon (DAK) modeller med ønsket geometrier, eksportere CAD-modeller som Stereolithography (STL) filer, og sende STL-filer til en tilpasset maskin shop for rapid prototyping.
- Lag en boks-formet mugg form ved hjelp av tynne biter av akryl materiale. Dimensjoner (ikke kritisk) er 2,54 cm høy x 5,72 cm bred x 6,35 cm dyp. Lag bunnen av formen ved å følge det til en flat akryl plate. Seal alle innvendige kantene med vakuum fett.
- Plasser en liten mengde av vakuum fett på den laterale siden av solid modell av ønsket geometri (dvs. kroppen, ligament, eller den overfladiske lamina propria). Trykk modell i bunnen av mugg skjema hulrom, vakuum fett side ned, slik at vakuumet fett holder den delen på plass. Rikelig pels mugg form og solid modell med slippmiddel. Bruk en pensel, sikre slippmiddel kommer inn i alle hjørner avmold skjemaet hulrom.
- Mix 10 deler A og en del B av Smooth-Sil 950 platina silikongummi (deler målt etter vekt) i en container som har tilstrekkelig rom for ekspansjon. For å fjerne luftbobler sted mugg form med uherdet silikongummi i et vakuum kammer og redusere trykk (f.eks, til rundt 26 inches Hg under atmosfærisk trykk) i ca tre minutter (eller mer eller mindre som nødvendig). Fjern avgassede silikon fra kammer og hell i mold skjema hulrom. Sett formen med uherdet silikon inn vakuumkammer og Degas igjen. Fjern fra vakuumkammer og plass på jevnt underlag. La det herde i 24 timer og fjerne mugg fra mold form.
- Gjenta trinn 1.1 til 1.4 for å lage former for hver av de overfladiske lamina propria, ligament, og kroppen lag.
- Cut ligament lag mugg i sentrum av den mediale overflaten i anterior-posterior retning med en barberkniv å tillate for fiber innsetting.
2. Casting of hvert lag
- Body lag: Påfør tynt lag slippmiddel til kroppen mold hulrom med pensel. Bland en del B og en del A av Ecoflex 00-30 supermyke Platinum silikon (etter vekt). Legg den ene delen Silicone Tynner (vekt) for å redusere eventuell kurert stivhet av materialet. Bland sammen i 30 sekunder, og plasser i vakuum kammeret i ett minutt for å fjerne fanget luft. Ta blandingen fra vakuum og hell i kroppen mold hulrom, men ikke fyll opp til toppen av hele mold hulrom. Sett i ovnen ved 250 ° C i 30 minutter. Fjern fra ovnen og avkjøl.
- Backing: Bland en del B og en del A av Dragon Skin og legge en del silikon Tynner (etter vekt). Bland kraftig i 30 sekunder, plass i vakuum i 1 minutt, og hell i kroppen mold hulrom før full. Sett i ovnen ved 250 ° C i 30 minutter. Fjerne mugg fra ovnen og avkjøl. Fjern modell fra mold, la avkjøles til romtemperatur, og fjern eventuelle slippmiddel på overflaten avkroppen lag med papirhåndkle.
- Ligament lag: Påfør tynt lag slippmiddel på ligament mold hulrom overflate med pensel. Plasser en 30 cm tråd i formen ved å skyve den inn i kuttet fra barberkniv. Bland en del B og en del A av Ecoflex 00-30 og fire deler av Silicone Tynner (etter vekt). Plasser i vakuum kammeret for å fjerne luftbobler og hell blandingen i ligament mold hulrom.
- Ligament Layer (fortsatt): Trykk body-backing-modellen (fra Steps 2.1.1 og 2.1.2) inn i ligament mold hulrom. Begynn innsetting på den ene siden og forsiktig flytte til den andre slik at modellen presser overflødig uherdet silikon og luft bobler ut av formen hulrom. Dersom luftbobler er til stede, fjern modellen fra formen hulrom, refill med uherdet silikon, og gjenta trykke modell i mold. Sett formen i ovnen i 30 minutter, fjerne og avkjøles til romtemperatur. Fjern modellen fra mold. Fjern overflødig slippmiddel med papirhåndkle.
- Overfladisk Lamina Propria lag: Påfør tynt lag slippmiddel på superifical lamina propria (SLP) mold hulrom overflate med pensel. Bland en del B, en del A i 00-30 Ecoflex, og 8 deler Silicone Tynner etter vekt. Vakuum som gjort tidligere og hell i SLP mold hulrom. Bruk den samme prosessen som er beskrevet i Trinn 2.1.4 å sette inn ligament-body-backing modellen i den overfladiske lamina propria mold hulrom. Sett i ovnen ved 250 ° C og kur i én time. Fjern fra ovnen og avkjøl. Fjern modell langsomt og med ekstrem forsiktighet, slik at de overfladiske lamina propria forblir intakt.
- Epitel lag: Plasser vokal fold-modellen på et flatt underlag med backing ned. Fjern støtte materiale med en barberkniv. Suspend tråder i luften ved å feste dem til et objekt av større høyde enn modellen. Bland en del B og en del A av Dragon Skin med en del av silikon Tynnere, mix, vakuum, deretter hell over modellen og la til å kurere for påe time. Gjenta prosessen for å skape et tykkere lag. Fjern overflødig materiale med en barberkniv.
- Valgfritt: Hvis hvert lag er ønsket å være en annen farge (for synlig inspeksjon av forskjellige lag), legge fargestoff til del B av enten Ecoflex eller drage Skin under miksing prosessen.
- Valgfritt: Hvis materialet eiendom data vil bli samlet inn, skape strekk og reologiske prøver samtidig med fabrikasjon av hver modell lag. Gjør dette ved å helle ekstra uherdet materiale i slippmiddel behandlet former av ønsket materiale eiendom prøven form og størrelse.
- Valgfritt: Hvis målinger av lagtykkelse er ønskelig, kuttet et tverrsnitt av modellen med en rett barberhøvel og inspisere med mikroskop.
3. Endelige modellen forberedelse for testing
- Mount hver fullført vokal fold modellen i en akryl monteringsplaten ved først å bruke et tynt lag med silikon lim på baksiden (lateral) og side (ennterior-posterior) modell overflater. Sett modell inn innfelt kuttet av monteringsplaten. Juster modellen mediale overflaten med toppen av akryl plate. Tørk bort overflødig lim. La limet herde i en time.
- Bruk talkum pulver til modellen overflaten for å redusere overflaten klebrig.
- For medial overflaten sporing bruke en fin-punkt Sharpie penn for å markere prikker på modellen. Best resultater oppstå hvis merkingen er gjort etter påføring av talkum pulver.
- Plasser lange bolter gjennom hullene i monteringsplaten med gjenger peker mot den modellen som den eksisterende modellen vil bli koblet sammen. Legg trådene over boltene. Sett lukket celle skum over boltene for å lukke eventuelle luft hull.
- Pair denne forberedt modellen med en annen vokal fold modell som har blitt tilsvarende montert til en akryl holder med trinn 3.1 og 3.2. Stram skruer for å komprimere skum og bringe den mediale overflatene sammen til ønsket om pre-vibratory gapet er nådd. Sikre både sett av trådene er plassert over det bolter og forlenge utover fra akryl platene i anterior-posterior retning.
- Mount vokal fold par på lufttilførsel tube.
- Tie den fremre trådene sammen til en løkke. Gjenta for bakre trådene. Hang ønsket vekt på looper samtidig.
- Modeller er nå klar for testing og datainnsamling.
Fire. Representant Resultater
Vibratory respons data fra en modell laget med dette fabrikasjon prosessen er som følger; disse resultatene er typiske. Med spenning på ca 31 g brukes fibrene, utbruddet trykket var 400 Pa Ved en subglottal trykk på 10% over utbruddet trykk (440 Pa), modellen vibrerte på 115 Hz med en glottal strømningshastighet på 210 ml / s. Disse verdiene er i god avtale med verdier rapportert for de av mennesker (tabell 3). Ved hjelp av høyhastighets videokymography å analysere modell bevegelse viste tegn til en fase forskjell mellom overlegen ennd dårligere marginer, dvs. den overlegne margin skjulte dårligere margin under den åpne fasen av vibrasjon perioden (Fig. 3). Baner hentet fra stereo bilder av prikkene brukes til mediale og mindreverdig flater av vokal fold modellen viste at modellen utstilt en vekslende konvergerende-divergerende profil som er typisk for menneskelig phonation, en mucosal bølge-lignende bevegelse, og en lavere mindreverdig- overlegen bevegelse enn i tidligere modeller (fig 4).
Tabell 1. Model geometriske parameterverdier.
Tabell 2. Blanding forholdstall etter vekt og resulterer Youngs modulus av de enkelte delene av vokal fold modell. EF og DS utpeke silikon laget av Ecoflex og Dragon SkinHenholdsvis 14.
Tabell 3. Sammenligning mellom menneske og syntetisk vokal fold vibratory svar.
Figur 1. Syntetisk vokal fold modell fabrikasjon prosessen. CAD-avledet solide modeller (venstre panel) brukes til å lage molds (midtseksjon) for hvert lag. Hvert lag er deretter støpt, som begynner med kroppen laget og slutter med epitelet lag (høyre panel, med hvert lag "skrelles back" for synlighet). Etter fabrikasjon, er modeller montert til akryl plater for testing.
Figur 2. Syntetisk vokal fold modell tverrsnitt. Tydelig kroppen, overfladisk lamina propria, LIGAment, og Epitel lag er vist. Parametere definere vokal fold modell geometri. Dette tallet er skalert for tydelig representasjon av geometriske definisjoner. Anvendelse av parameterverdiene er gitt i tabell 1 vil resultere i en litt annen form enn det som vises her.
Figur 3. High-speed kymogram av modell vibrasjon. Estimater for plasseringen av den overlegne og underlegne marginene er vist i farget stiplede linjer. Fase forskjeller mellom underlegne og overlegne marginer er åpenbare.
Figur 4. Medial overflate profil på syntetisk vokal fold modellen i en hemilarynx arrangement, fanget på to forskjellige tilfeller av tid mens vibrerende. Ink markører var plassert på mediale overflaten (som shselv i biletet til høgre), fotografert med to synkroniserte high-speed kameraer, og sporet over vibratory syklus. Den venstre plottet viser en konvergent glottis under åpningsfasen og rett plottet viser en avvikende glottis under den avsluttende fasen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne metoden for å fabrikere syntetisk vokal fold modeller gir modeller som viser vibratory oppførsel som minner om menneskelig stemmebåndene. Den multi-layer konsept resulterer i betydelige fordeler fremfor forrige en-og to-lags modell design 3,6,8,15, i form av redusert utbruddet trykk og forbedret modell bevegelse (konvergerende-divergerende profil under svinging, mucosal bølge-lignende bevegelse , og redusert underlegen overlegen forskyvning). Metoden som presenteres her er demonstrert på en noe idealisert modell i form av geometri, men den kan brukes til modeller med ulike geometrier. For eksempel kan en modell basert på human avbildning geometriske data (f.eks, 17 MR, CT) være fabrikert ved hjelp av denne metoden. I tillegg kan denne fabrikasjon prosessen konseptet finne anvendelse i andre forskningsområder hvor flow-induserte vibrasjoner og / eller flere lag av myke materialer er sentrale elementer, for eksempel undersøkelser av strømme gjennom blodårene, søvn apNea, og dyr bevegelse (spesielt svømming og flyr).
Modellen er beskrevet her har noen begrensninger som kan være fag for framtidig forskning og utvikling. Materialene har lineære stress-belastning respons egenskaper, og en forventet fremtidig forbedring inkluderer inkorporering av ikkelineære stress-belastning materialer. Bruk av biologisk snarere enn syntetiske materialer i denne fabrikasjon prosessen er også mulig. På grunn av den ekstreme fleksibiliteten i lamina propria laget, er modellen mindre robust i henhold vibrasjoner enn tidligere en-og to-lags modeller. Imidlertid bør holde subglottal trykk under ca 1 kPa og tidvis bruke talkum pulver for å minimere overflaten vedheft tillate for modellen som skal brukes for varighet på rekkefølgen på dager med minimale endringer i modell atferd, vanligvis langt overstiger det som er mulig å bruke excised larynges.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noe å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne ønsker å takke Grants R03DC8200, R01DC9616, og R01DC5788 fra National Institute on døvhet og Other Communication Disorders for støtte av syntetisk modell utvikling.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| High Vacuum Grease | Dow Corning | 01018817 | |
| Pol-Ease 2300 | Polytek | Pol-Ease2300-1 | Release agent |
| Smooth-Sil 950 | Smooth-On | Smooth-Sil 950 | Mold making material |
| Vacuum Pump | Edwards Lifesciences | E2M2 | |
| Vacuum Chamber | Kartell | 230 | |
| Pressure Gage | Marsh Bellofram | 11308252A | |
| Straight Razor | Husky | 008-045-HKY | |
| Ecoflex 00-30 | Smooth-On | Ecoflex 00-30 | |
| Silicone Thinner | Smooth-On | Silicone Thinner | |
| Dragon Skin | Smooth-On | Dragon Skin 10 FAST | |
| Thread | Omega Engineering, Inc. | OmegaCrys | Use only clear fibers |
| Silicone Dye | Smooth-On | Silc Pig Black | |
| Silicone Glue | Smooth-On | Sil-Poxy | |
| Talc Powder | Western Family |
References
- Hirano, M., Kakita, Y. Cover-body theory of vocal fold vibration. Speech Science: Recent Advances. , 1-46 (1985).
- Voice, Speech, and Language Quick Statistics [Internet]. , National Institute on Deafness and Other Communication Disorders. Bethesda (MD). Available from: http://www.nidcd.nih.gov/health/statistics/vsl/Pages/stats.aspx (2010).
- Pickup, B. A., Thomson, S. L. Influence of asymmetric stiffness on the structural and aerodynamic response of synthetic vocal fold models. Journal of Biomechanics. 42 (14), 2219-2225 (2009).
- Zhang, Z. Vibration in a self-oscillating vocal fold model with left-right asymmetry in body-layer stiffness. Journal of the Acoustical Society of America. 128 (5), EL279-EL285 (2010).
- Popolo, P. S., Titze, I. R. Qualification of a Quantitative Laryngeal Imaging System Using Videostroboscopy and Videokymography. Annals of Otology, Rhinology & Laryngology. 117 (6), 4014-4412 (2008).
- Thomson, S. L., Mongeau, L., Frankel, S. H. Aerodynamic transfer of energy to the vocal folds. Journal of the Acoustical Society of America. 118 (3), 1689-1700 (2005).
- Neubauer, J., Zhang, Z., Miraghaio, R., Berry, D. A. Coherent structures of the near field flow in a self-oscillating physical model of the vocal folds. Journal of the Acoustical Society of America. 121 (2), 1102-1118 (2007).
- Drechsel, J. S., Thomson, S. L. Influence of supraglottal structures on the glottal jet exiting a two-layer synthetic, self-oscillating vocal fold model. Journal of the Acoustical Society of America. 123 (6), 4434-4445 (2008).
- Becker, S., et al. Flow-structure-acoustic interaction in a human voice model. Journal of the Acoustical Society of America. 125 (3), 1351-1361 (2009).
- Spencer, M., Siegmund, T., Mongeau, L. Experimental study of the self-oscillation of a model larynx by digital image correlation. Journal of the Acoustical Society of America. 123 (2), 1089-1103 (2007).
- Zhang, Z., Neubauer, J., Berry, D. The influence of subglottal acoustics on laboratory models of phonation. Journal of the Acoustical Society of America. 120 (3), 1558-1569 (2006).
- Kniesburges, S., et al. In vitro experimental investigation of voice production. Current Bioinformatics. , (2011).
- Titze, I. R. The Myoelastic Aerodynamic Theory of Phonation. , National Center for Voice and Speech. 82-101 (2006).
- Murray, P. R. Flow-Induced Responses of Normal, Bowed, and Augmented Synthetic Vocal Fold Models. , Brigham Young University. (2011).
- Baken, R. J., Orlikoff, R. F. Clinical Measurement of Speech and Voice. , 2nd, Singular Publishing. (2000).
- Titze, I. R. Principles of Voice Production. , National Center for Voice and Speech. (2000).
- Pickup, B. A., Thomson, S. L. Flow-induced vibratory response of idealized vs. magnetic resonance imaging-based synthetic vocal fold models. Journal of the Acoustical Society of America. 128 (3), EL124-EL129 (2010).
