Summary
Die Methodik zur Herstellung von synthetischen Stimmlippen Modelle beschrieben. Die Modelle sind lebensgroße und imitieren die mehrschichtige Struktur des menschlichen Stimmlippen. Die Ergebnisse zeigen die Modelle bei einem Druck vergleichbar mit Lungenhochdruck selbst schwingen und zeigen, flussinduzierte Schwingungsreaktionen, die ähnlich denen der menschlichen Stimmlippen sind.
Abstract
Sound für die menschliche Stimme ist über Fluss-induzierte Schwingungen der Stimmlippen produziert. Die Stimmlippen bestehen aus mehreren Schichten von Gewebe, die jeweils mit unterschiedlichen Materialeigenschaften 1. Normale Stimme Produktion setzt auf gesundes Gewebe und Stimmlippen, und tritt als Folge von komplexen Kopplung zwischen Aerodynamik, strukturelle Dynamik und akustische Phänomene. Stimmstörungen sind bis zu 7,5 Millionen jährlich in den Vereinigten Staaten allein 2 und oft in erhebliche finanzielle, soziale und andere Quality-of-life Schwierigkeiten führen. Das Verständnis der Physik der Stimme Produktion hat das Potenzial, deutlich profitieren Stimme Versorgung, einschließlich klinischer Vorbeugung, Diagnose und Behandlung von Stimmstörungen.
Bestehende Methoden zur Untersuchung von Sprach-Produktion sind in vivo Experimenten mit menschlichen und tierischen Probanden in vitro Experimente mit ausgeschnittenen Kehlköpfe und synthetische Modelle und Rechenmodelling. Aufgrund der gefährlichen und schwierigen Instrument zugreifen, sind in vivo Experimente stark in ihrem Umfang begrenzt. Abgeschnittene Kehlkopf Experimente haben den Vorteil der anatomischen und einen physiologischen Realismus, sondern parametrische Studien mit geometrischen und materiellen Eigentum Variablen sind begrenzt. Darüber hinaus sind sie in der Regel nur in der Lage, für relativ kurze Zeiträume (typischerweise in der Größenordnung von Minuten) in Schwingung versetzt werden.
Die Überwindung der einige der Einschränkungen des ausgeschnittenen Kehlkopf Experimente sind synthetische Stimmlippen Modelle als ergänzendes Instrument für die Untersuchung Stimme Produktion entstehen. Synthetische Modelle können mit systematischen Veränderungen der Geometrie und Materialeigenschaften hergestellt werden, so dass für die Untersuchung von gesunden und ungesunden Menschen phonatorische Aerodynamik, Strukturdynamik und Akustik. Zum Beispiel haben sie genutzt, um links-rechts Stimmlippen Studie Asymmetrie 3,4, klinische Entwicklung von Instrumenten 5, Kehlkopf-Aerodynamik 6-9, vocal fold Anpressdruck 10, und subglottisch Akustik 11 (eine ausführliche Liste kann in Kniesburges et al. 12)
Bestehende synthetischen Stimmlippen Modelle haben jedoch entweder homogen (Ein-Schicht-Modelle) oder hergestellt worden sind mit zwei Materialien unterschiedlicher Steifigkeit (Zwei-Schicht-Modelle). Dieser Ansatz nicht zur Darstellung der tatsächlichen Multi-Layer-Struktur des menschlichen Stimmlippen 1, die eine zentrale Rolle bei der Leitung der Stimmlippen flussinduzierte Vibrations-Reaktion spielt ermöglichen. Folglich Ein-und Zwei-Schicht-synthetischen Stimmlippen Modelle ausgestellt haben Nachteile wie höhere 3,6,8 Beginn Druck als das, was typisch für die menschliche Stimmbildung (onset Druck ist die minimale Lungen-Druck benötigt, um Vibrationen zu initiieren), unnatürlich groß inferior- überlegen Bewegung, und das Fehlen einer "Randkantenverschiebung" (eine vertikal Wanderwelle, die charakteristisch für gesunde menschliche Stimmlippen Vibration).
Protocol
Die Herstellung Sequenz (siehe Abb. 1). Besteht aus Formen für Stimmlippen-Modell Schichten nacheinander Abformsilikon Schichten, und die Montage der Modelle zum Testen. Das Modell verfügt über vier verschiedene Ebenen: Körper, Bänder, oberflächlichen Lamina propria und Epithel, zusätzlich zu einer einzigen Faser. Eine Trägerschicht wird hinzugefügt, um die genaue Platzierung der einzelnen Schichten der Stimmlippe Modell erleichtern. Das Modell geometrischen Parameter-Definitionen sind in Abb.. 2, mit dem Parameter-Werte für das aktuelle Modell in Tabelle 1 angegeben. In den folgenden Abschnitten werden verschiedene Silikon-Mischungsverhältnisse für die verschiedenen Schichten angegeben, diese produzieren Materialeigenschaften, die denen für den menschlichen Stimmlippen Gewebe in den kleinen Stammes-Regime 13 gemeldet (siehe Tabelle 2).
1. Mold Herstellung und Zubereitung
- Create Volumenmodelle von drei Stimmlippen Schichten: Superficial Lamina propria, Bänder, und Körper Schichten. Dies wird normalerweise durch die Erstellung von 3D Computer Aided Design (CAD)-Modelle mit den gewünschten Geometrien, den Export der CAD-Modelle, wie Stereolithographie (STL) Dateien und das Senden der STL-Dateien, um eine benutzerdefinierte Werkstatt für Rapid-Prototyping gemacht.
- Erstellen Sie eine kastenförmige Form Form mit dünnen Stücke aus Acryl. Ungefähre Abmessungen (nicht kritisch) sind 2,54 cm hoch × 5,72 cm breit x 6,35 cm tief. Machen Sie den unteren Rand des Formulars durch die Einhaltung es zu einer flachen Acrylplatte. Seal alle Innenkanten mit Vakuum-Fett.
- Legen Sie eine kleine Menge von Vakuum-Fett auf der lateralen Seite des Solid-Modell der gewünschten Geometrie (dh, der Körper, das Band oder die oberflächlichen Lamina propria). Press-Modell in Boden der Form Formhohlraum, Vakuumfett Seite nach unten, so dass das Vakuum Fett das Teil in Position hält. Liberally Mantel Schimmel bilden und solides Modell mit Trennmittel. Mit einem Pinsel, sicherzustellen, Trennmittel bis in alle Eckendie Form Formhohlraum.
- Mix 10 Teile A und einem Teil B der Smooth-Sil 950 Platin Silikon-Kautschuk (Gew.-Teile gemessen) in einen Behälter, der ausreichend Platz für Expansion. Um Luftblasen statt Schimmel bilden mit nicht ausgehärtetem Silikon entfernen in einer Vakuumkammer und verringern den Druck (z. B. um rund 26 mm Hg unter dem Atmosphärendruck) für ca. 3 Minuten (oder mehr oder weniger nach Bedarf). Entfernen entgast Silikon aus der Kammer und gießen in Form Formhohlraum. Platzieren Form mit ausgehärteten Silikon in die Vakuumkammer und Degas erneut. Entfernen Sie aus der Vakuumkammer und Platz auf ebener Fläche. Lassen Sie die 24 Stunden aushärten und entfernen von Schimmel Schimmel bilden.
- Wiederholen Sie die Schritte 1.1 bis 1.4 zu Formen für jede der oberflächlichen Lamina propria, Bänder, und Körper-Schichten zu erstellen.
- Cut Band Schicht Schimmel in den Mittelpunkt der medialen Fläche in der anterior-posteriorer Richtung mit einem Rasiermesser für Faser-Insertion zu ermöglichen.
2. Casting of jede Schicht
- Körper Layer: Eine dünne Schicht Trennmittel Körper Formhohlraum mit Pinsel. Mischen Sie einen Teil B und einem Teil A der Ecoflex 00-30 Supersoft Platinum Silikon (nach Gewicht). Fügen Sie einen Teil Silicone Thinner (nach Gewicht), um die eventuelle geheilt Steifigkeit des Materials zu reduzieren. Mix zusammen für 30 Sekunden und Platz in der Vakuumkammer für eine Minute, um eingeschlossene Luft zu entfernen. Entfernen Mischung von Vakuum und gießt in den Körper Formhohlraum, aber nicht an die Spitze der gesamten Formhohlraum füllen. Legen Sie im Ofen bei 250 ° F für 30 Minuten. Aus dem Ofen nehmen und abkühlen lassen.
- Sichern: Mischen Sie einen Teil B und einem Teil A Dragon Skin und fügen Sie einen Teil Silicone Thinner (nach Gewicht). Mix 30 Sekunden lang kräftig, im Vakuum für 1 Minute, und gießen Sie in den Körper Formhohlraum bis voll. Legen Sie im Ofen bei 250 ° F für 30 Minuten. Entfernen Form aus dem Ofen nehmen und abkühlen lassen. Remove-Modell von Schimmel, lassen auf Raumtemperatur abkühlen und entfernen Sie alle Trennmittel auf der Oberfläche desder Körper Schicht mit einem Papiertuch.
- Ligament Layer: Eine dünne Schicht Trennmittel auf Band Formhohlraum Oberfläche mit Pinsel. Legen Sie eine 30 cm Faden in der Form, indem Sie ihn in den Ausschnitt aus dem Rasiermesser. Gründlich mischen Sie einen Teil B und einem Teil A der Ecoflex 00-30 und vier Teile der Silicone Thinner (nach Gewicht). Legen Sie in der Vakuumkammer, um Luftblasen zu entfernen und gießen Mischung in Band Formhohlraum.
- Ligament Layer (Fortsetzung): Press Körper-backing-Modell (von Steps 2.1.1 und 2.1.2) in die Band Formhohlraum. Begin Insertion auf der einen Seite und sanft zu den anderen so zu bewegen, dass das Modell der Überschuß von nicht ausgehärtetem Silikon und Luftblasen aus dem Formhohlraum schiebt. Wenn Luftblasen vorhanden sind, entfernen Sie das Modell aus dem Formhohlraum, füllen ausgehärtetem Silikon, und wiederholen Sie die Taste Modell in die Form. Platzieren Form im Ofen für 30 Minuten, zu entfernen und auf Raumtemperatur abkühlen. Remove-Modell von Schimmel. Entfernen Sie überschüssiges Trennmittel mit einem Papiertuch.
- Oberflächlichen Lamina propria Layer: Eine dünne Schicht Trennmittel auf superifical Lamina propria (SLP) Formhohlraum Oberfläche mit Pinsel. Mischen Sie einen Teil B, ein Teil A der Ecoflex 00-30 und 8 Teile Silicone Thinner nach Gewicht. Vacuum wie zuvor getan und strömen in SLP Formhohlraum. Verwenden Sie den gleichen Prozess in Schritt 2.1.4 beschrieben, um das Band-body-backing-Modell in der oberflächlichen Lamina propria Formhohlraum einfügen. Legen Sie in einem Ofen bei 250 ° F und Heilung für eine Stunde. Aus dem Ofen nehmen und abkühlen lassen. Entfernen Modell langsam und mit äußerster Vorsicht, so dass die oberflächlichen Lamina propria bleibt intakt.
- Epithelschicht: Place Stimmlippen-Modell auf eine ebene Fläche mit dem Rückzieher. Entfernen Trägermaterial mit einem Rasiermesser. Suspend Themen in der Luft, indem sie an ein Objekt mit größerer Höhe als das Modell. Mischen Sie einen Teil B und einem Teil A Dragon Skin mit einem Teil der Silicone Thinner, mischen, Vakuum, dann über das Modell zu gießen und damit für auf Heilunge Stunde. Wiederholen Sie den Vorgang, um eine dickere Schicht zu erzeugen. Entfernen Sie überschüssiges Material mit einem Rasiermesser.
- Optional: Wenn jede Schicht gewünscht ist, eine andere Farbe (für die sichtbare Kontrolle der verschiedenen Schichten), fügen Farbstoff Teil B der entweder die Ecoflex oder Dragon Skin beim Mischvorgang.
- Optional: Wenn Materialeigenschaft Daten werden nicht erhoben, erstellen Zug-und rheologische Proben gleichzeitig mit der Herstellung des jeweiligen Modells Schicht. Tun Sie dies durch Gießen zusätzliche ausgehärtetem Material in Trennmittel behandelten Formen der gewünschte Materialeigenschaft Probe Form und Größe.
- Optional: Wenn Messungen der Schichtdicke gewünscht sind, schneiden Sie einen Querschnitt des Modells mit einem Rasiermesser und untersuchen mit dem Mikroskop.
3. Endgültige Modell Vorbereitung für die Prüfung
- Montieren Sie jede vollendete Stimmlippen-Modell in einer Acryl-Montageplatte, indem zuerst eine dünne Schicht aus Silikon Kleber auf der Rückseite (lateral) und Seitenansicht (anterior-posterior) Modell Oberflächen. Insert-Modell in die ausgesparten Schnitt Montageplatte. Richten Sie das Modell mediale Oberfläche mit der Spitze der Acrylplatte. Wischen Sie überschüssigen Leim. Lassen Kleber eine Stunde aushärten.
- Wenden Sie Talkumpuder auf der Oberfläche des Modells zu Oberflächenklebrigkeit zu reduzieren.
- Für medialen Oberfläche Tracking mit einem feinen Punkt Sharpie Stift, um Punkte auf dem Modell zu markieren. Die besten Ergebnisse auftreten, wenn Kennzeichnung nach dem Auftragen von Talkum Puder gemacht wird.
- Legen Sie lange Schrauben durch die Löcher der Montageplatte mit dem Gewinde in Richtung des Modells, auf die das bestehende Modell gekoppelt werden wird. Lay Themen über die Bolzen. Put geschlossenzelliger Schaumstoff über die Schrauben, um die Luft zu schließen.
- Pair vorbereitet Modell mit einem anderen Stimmlippe Modell, das in ähnlicher Weise zu einem Acryl-Halter mit Steps 3.1 und 3.2 montiert. Ziehen Sie die Schrauben, um den Schaum zu komprimieren und bringen die medialen Oberflächen zusammen, bis der Wunsch pre-Vibrations-Lücke erreicht ist. Stellen Sie sicher, beide Arten von Themen ov platzierter die Schrauben und nach außen erstrecken von der Acryl-Platten in der anterior-posteriorer Richtung.
- Berg Stimmlippen Paar auf Luftzufuhrrohr.
- Binden Sie die vorderen Fäden zusammen, um eine Schleife zu bilden. Wiederholen Sie dies für die hinteren Fäden. Hang gewünschte Gewicht auf die Loops gleichzeitig.
- Die Modelle sind nun bereit für die Prüfung und Datenerfassung.
4. Repräsentative Ergebnisse
Vibrations-Response-Daten von einem Modell erstellt mit diesem Fertigungsprozess sind wie folgt; diese Ergebnisse sind typisch. Mit Spannung von ca. 31 g auf die Fasern aufgebracht, das Einsetzen Druck 400 Pa wurde bei einer subglottischen Druck von 10% über Auftreten Druck (440 Pa), das Modell bei 115 Hz mit einem glottal Flussrate von 210 ml / s. vibrierte Diese Werte sind in guter Übereinstimmung mit den Werten für die des Menschen (Tabelle 3) berichtet. Mit High-Speed-videokymography zu modellieren Bewegung zu analysieren zeigte Anzeichen von einer Phasendifferenz zwischen dem Superior And inferior Margen, dh dem oberen Rand verdeckt den unteren Rand während der offenen Phase der Schwingung Periode (Abb. 3). Trajektorien von Stereo-Bilder der Punkte aufgetragen, um den medialen und unteren Flächen der Stimmlippen-Modell extrahiert haben gezeigt, dass das Modell eine alternierende konvergent-divergenten Profil, das typisch für die menschliche Stimmbildung, eine mukosale wellenartige Bewegung, und eine untere ausgestellt inferior- überlegen Bewegung als in den Vorgängermodellen (Abb. 4).
Tabelle 1. Modell geometrische Parameterwerte.
Tabelle 2. Mischungsverhältnisse Gewichts und der daraus resultierenden E-Modul der einzelnen Abschnitte der Stimmlippen-Modell. EF und DS bezeichnen Silikon aus Ecoflex und Dragon Skin, Jeweils 14.
Tabelle 3. Vergleich zwischen menschlichen und synthetischen Stimmlippen Schwingungsreaktionen.
Abbildung 1. Synthetic Stimmlippen-Modell Fertigungsprozess. CAD-Volumenmodellen abgeleitet (links) werden verwendet, um Schimmel (Mitte) für jede Schicht zu erzeugen. Jede Schicht wird dann gegossen, beginnend mit dem Körper Schicht und endet mit der Epithelschicht (rechtes Bild, wobei jede Schicht für bessere Sichtbarkeit "back geschält"). Nach der Herstellung werden die Modelle auf Acrylplatten für die Prüfung montiert.
Abbildung 2. Synthetic Stimmlippen-Modell Querschnitt. Klare Körper, oberflächlichen Lamina propria, ligament und Epithel-Schichten dargestellt. Parameter definieren Stimmlippen Modellgeometrie. Diese Zahl ist für die übersichtliche Darstellung von geometrischen Definitionen skaliert. Die Anwendung der Parameterwerte in Tabelle 1 angegeben werden in eine etwas andere Form als das, was hier gezeigt Ergebnis.
Abbildung 3. High-Speed-Kymogramm des Modells Vibrationen. Die Schätzungen für die Lage der oberen und unteren Ränder sind in farbigen gestrichelten Linien dargestellt. Phase Unterschiede zwischen den unteren und oberen Ränder sind evident.
Abbildung 4. Medial Oberflächenprofil von synthetischen Stimmlippen-Modell in einem Hemilarynx Anordnung, an zwei verschiedenen Instanzen der Zeit erfasst, während vibrieren. Ink-Marker wurden auf der medialen Oberfläche gelegt (wie sheigenen im Bild rechts), aufgenommen mit zwei synchronisierten High-Speed-Kameras, und verfolgt über die Vibrations-Zyklus. Die linke Grafik zeigt eine konvergente Stimmritze während der Eröffnungsphase und die rechte Grafik zeigt eine abweichende Stimmritze während der Abschlussphase.
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Discussion
Dieses Verfahren zur Herstellung von synthetischen Stimmlippen Modelle liefert Modelle, Schwingungsverhalten ähnlich der menschlichen Stimmlippen aufweisen. Die Multi-Layer-Konzept ergeben sich wesentliche Vorteile gegenüber den bisherigen Ein-und Zwei-Schichten-Modell entwirft 3,6,8,15, in Form von geringeren Auftreten Druck und verbessertes Modell Bewegung (konvergent-divergenten Profil in Schwingung, Randkantenverschiebung-like motion und reduziert inferior überlegen Verschiebung). Die hier vorgestellte Methode basiert auf einem etwas idealisierten Modell in Bezug auf Geometrie gezeigt, aber es kann zu Modellen mit unterschiedlichen Geometrien angewendet werden. Zum Beispiel könnte ein Modell für die menschliche Bildgebung geometrischen Daten (z. B. MRI 17, CT) hergestellt mit dieser Methode. Darüber hinaus kann dieses Herstellungsverfahren Konzept finden Anwendung in anderen Forschungsbereichen, in denen Strom-induzierte Schwingungen und / oder mehrere Schichten aus weichen Materialien sind zentrale Elemente, z. B. Untersuchungen der Strömung durch Blutgefäße, schlafen apnea, Tier-und Fortbewegung (vor allem Schwimmen und Fliegen).
Das hier beschriebene Modell hat einige Einschränkungen, Themen für zukünftige Forschung und Entwicklung sein könnte. Die Materialien haben eine lineare Spannungs-Dehnungs-Ansprechverhalten und einen erwarteten künftigen Steigerung inkludiert die Einbeziehung der nichtlinearen Spannungs-Dehnungs-Materialien. Nutzung der biologischen statt synthetischen Materialien in dieser Herstellungsprozess ist ebenfalls möglich. Aufgrund der extremen Flexibilität der Lamina propria Schicht, ist das Modell weniger robust unter Vibration als die bisherigen Ein-und Zwei-Schicht-Modelle. Allerdings sollte halten den subglottischen Druck unter ca. 1 kPa und gelegentlich anwenden Talkumpuder zu Oberflächenhaftung minimieren für das Modell für die Dauer in der Größenordnung von Tagen mit minimalen Änderungen im Modell-Verhalten, in der Regel weit über die mögliche Verwendung herausgeschnitten Kehlköpfe verwendet zu ermöglichen.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Die Autoren danken Grants R03DC8200, R01DC9616 und R01DC5788 vom National Institute on Taubheit und andere Kommunikations Störungen für die Unterstützung von synthetischen Modellentwicklung.
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
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