Summary
La metodologia per la realizzazione di modelli di sintesi vocale volte viene descritta. I modelli sono a grandezza naturale e imitare la struttura multi-strato delle pieghe della voce umana. I risultati mostrano i modelli di auto-oscillare a pressioni paragonabili a pressione polmonare e dimostrare risposte vibratorio flusso indotto che sono simili a quelle di umani corde vocali.
Abstract
Suono per la voce umana è prodotta tramite le vibrazioni indotte nel flusso vocale piega. Le corde vocali sono costituiti da diversi strati di tessuto, ognuno con differenti caratteristiche dei materiali 1. Produzione di voce normale si basa su tessuto sano e corde vocali, e si verifica come conseguenza di accoppiamento complesse tra aerodinamica, dinamica strutturale, acustica e fenomeni fisici. Disturbi vocali interessare fino a 7,5 milioni ogni anno negli Stati Uniti da soli 2 e spesso sfociano in finanziaria significativa, sociali e altre qualità della vita di difficoltà. Comprendere la fisica della produzione di voce ha la possibilità di beneficiare in modo significativo la cura voce, compresa la prevenzione clinica, diagnosi e trattamento dei disturbi vocali.
Gli attuali metodi per lo studio di produzione vocale includere nella sperimentazione in vivo utilizzando soggetti umani e animali, nella sperimentazione in vitro utilizzando laringi asportato e modelli sintetici, e il modello computazionaleing. A causa dell'accesso strumento pericoloso e difficile, in esperimenti in vivo sono fortemente limitata. Esperimenti laringe escisse hanno il vantaggio del realismo anatomico e alcuni fisiologici, ma gli studi parametrici che coinvolgono le variabili delle proprietà geometriche e materiali sono limitati. Inoltre, sono in genere solo in grado di vibrare per periodi di tempo relativamente breve (in genere dell'ordine di minuti).
Superare alcune delle limitazioni di esperimenti asportati laringe, sintetici modelli vocali piega stanno emergendo come uno strumento complementare per lo studio di produzione vocale. Modelli sintetici possono essere fabbricati con cambi sistematici geometria e alle proprietà materiali, permettendo per lo studio dell'aerodinamica umani sani e malsani fonatorio, dinamica strutturale, e l'acustica. Ad esempio, essi sono stati utilizzati per studiare sinistra-destra piega vocale asimmetria 3,4, strumento di sviluppo clinico 5, l'aerodinamica della laringe 6-9, vocAl duplice pressione di contatto 10, e l'acustica subglottal 11 (una lista più completa si trova nel Kniesburges et al. 12)
Esistenti sintetico modelli vocali volte, però, sono stati o omogenei (uno strato modelli) o sono stati fabbricati utilizzando due materiali di rigidità diverse (due strati modelli). Questo approccio non permette di rappresentazione del reale struttura multistrato delle corde vocali umane 1 che svolge un ruolo centrale nel governo vocal fold flusso indotta risposta vibratoria. Di conseguenza, uno e due strati di sintesi vocale modelli volte hanno esposto svantaggi 3,6,8 quali pressioni insorgenza superiore a quello che sono tipici di fonazione umana (pressione insorgenza è la pressione del polmone minimo necessario per avviare le vibrazioni), innaturalmente grandi dimensioni inferiori- moto superiore, e la mancanza di un '"onda mucosa" (una verticale che viaggia onda che è caratteristica di sano vibrazione vocale volte).
Protocol
La sequenza di fabbricazione (vedi fig. 1) consiste nella realizzazione di stampi per vocale strati modello pieghevole, in modo sequenziale fusione strati di silicone, e il montaggio dei modelli per il test. Il modello dispone di quattro strati distinti: corpo, legamento, lamina propria superficiale, e l'epitelio, oltre ad una singola fibra. Uno strato di rinforzo è, per facilitarne il posizionamento preciso dei singoli strati del modello vocale piega. Le definizioni dei parametri geometrici del modello sono mostrati in fig. 2, con i valori dei parametri per il modello corrente indicate nella tabella 1. Nelle sezioni che seguono, i rapporti di silicone diversi di miscelazione sono specificati per i diversi strati, questi producono proprietà dei materiali che sono simili a quelli riportati per i tessuti umani vocale piega al regime di piccole deformazioni 13 (vedi tabella 2).
1. Stampo di fabbricazione e preparazione
- Creare modelli solidi di tre strati vocali volte: Supelamina propria rficial, legamenti e strati del corpo. Questo è in genere fatto con la creazione di immagini 3D computer-aided design (CAD) i modelli con le geometrie desiderato, esportando i modelli CAD come stereolitografia (STL) i file e l'invio del file STL ad un negozio di macchine su misura per la prototipazione rapida.
- Creare una finestra di forma a stampo con sottili pezzi di materiale acrilico. Dimensioni approssimative (non critici) sono 2,54 centimetri di altezza × 5,72 centimetri di larghezza × 6,35 centimetri di profondità. Rendere il fondo del modulo aderendo ad una piastra in acrilico piatto. Sigillare tutti i bordi interni con grasso per vuoto.
- Mettete una piccola quantità di grasso vuoto sulla parte laterale del modello solido della geometria desiderata (ad es, il corpo, il legamento, o lamina propria superficiale). Stampa modello in fondo della cavità dello stampo forma, grasso lato in depressione verso il basso, in modo che il grasso vuoto detiene la parte in posizione. Liberamente stampo forma cappotto e modello solido con distaccante. Utilizzando un pennello, garantire distaccante tocca tutti gli angoli dila cavità dello stampo forma.
- Miscelare 10 parti A e una parte B del Liscio-Sil 950 platino in gomma siliconica (parti misurate in peso) in un contenitore che ha spazio sufficiente per l'espansione. Per rimuovere le bolle d'aria posto con la forma dello stampo in gomma siliconica non polimerizzato in una camera a vuoto e ridurre la pressione (ad esempio, a circa 26 mm Hg al di sotto della pressione atmosferica) per circa tre minuti (o più o meno, se necessario). Rimuovere silicone degasato da camera e versare nella cavità dello stampo forma. Luogo stampo in silicone non polimerizzato sotto vuoto in camera e degassare di nuovo. Rimuovi dalla camera a vuoto e posto su una superficie piana. Lasciare cura per 24 ore e togliere la muffa dalla forma dello stampo.
- Ripetere i passi da 1,1 a 1.4 per creare stampi per ciascuna della lamina propria superficiale, legamenti e strati del corpo.
- Tagliare strato stampo legamento al centro della faccia mediale della direzione antero-posteriore con un rasoio per consentire l'inserimento di fibre.
2. Casting of ogni strato
- Corpo Layer: Applicare uno strato sottile di distaccante a cavità del corpo dello stampo con pennello. Mescolare una parte B e una parte di un Ecoflex 00-30 Silicone Platinum Supersoft (in peso). Aggiungere una parte più sottile di silicone (in peso) per ridurre la rigidità eventuale curato del materiale. Mescolare per 30 secondi e posto in camera da vuoto per un minuto per rimuovere l'aria intrappolata. Rimuovere miscela dal vuoto e versare nella cavità dello stampo del corpo, ma non per riempire la parte superiore della cavità dello stampo intero. Mettere in forno a 250 ° C per 30 minuti. Togliere dal forno e lasciar raffreddare.
- Supporto: Mescolare una parte B e una parte A di pelle di drago e aggiungere una parte più sottile di silicone (in peso). Mescolate energicamente per 30 secondi, posto nel vuoto per 1 minuto, e versare nella cavità dello stampo corpo fino a completo. Mettere in forno a 250 ° C per 30 minuti. Togliere muffa dal forno e lasciar raffreddare. Rimuovere il modello dallo stampo, lasciare raffreddare a temperatura ambiente, e rimuovere eventuali distaccante sulla superficie dello strato corpo con un tovagliolo di carta.
- Strato legamento: Applicare uno strato sottile di distaccante sulla superficie della cavità dello stampo legamento con pennello. Mettere un filo di 30 cm di stampo spingendolo nel taglio del rasoio. Mescolare un B parte e una parte A del Ecoflex 00-30 e quattro parti di diluente in silicone (in peso). Posto in camera da vuoto per eliminare le bolle d'aria e versare miscela nella cavità dello stampo legamento.
- Legamento Layer (continua): Premere corpo-supporto del modello (da Piazza 2.1.1 e 2.1.2) nella cavità dello stampo legamento. Iniziare l'inserimento da un lato e delicatamente passare agli altri in modo che il modello spinge il silicone in eccesso non polimerizzato e bolle d'aria dalla cavità dello stampo. Se bolle d'aria sono presenti, rimuovere il modello dalla cavità dello stampo, riempire con silicone non indurito, e ripetere premendo modello nello stampo. Stampo mettere in forno per 30 minuti, togliere e raffreddare a temperatura ambiente. Rimuovere modello da muffe. Rimuovere l'eccesso di rilascio agente con un tovagliolo di carta.
- Strato superficiale lamina propria: Applicare uno strato sottile di agente distaccante a superifical lamina propria (SLP) superficie della cavità dello stampo con il pennello. Mescolare una parte B, una parte A di Ecoflex 00-30, e 8 parti di silicone più sottile in peso. Vuoto come fatto in precedenza e versare nella cavità dello stampo SLP. Utilizzare lo stesso processo descritto al punto 2.1.4 per inserire il legamento-corpo-appoggio modello nella cavità dello stampo superficiale della lamina propria. Mettere in forno a 250 ° F e cura per un'ora. Togliere dal forno e lasciare raffreddare. Rimuovere modello lentamente e con estrema cura in modo che la lamina propria superficiale rimane intatto.
- Strato epitelio: Luogo modello vocale piega su una superficie piana con la marcia indietro. Rimuovere il materiale di supporto con un rasoio. Sospendere le discussioni in aria allegando ad un oggetto di maggiore altezza rispetto al modello. Mescolare una parte B e una parte A di pelle di drago con una parte di silicone più sottile, mescolare, vuoto, poi versatevi sopra il modello e lasciare cura per ile ora. Ripetere la procedura per creare uno strato più spesso. Rimuovere il materiale in eccesso con un rasoio.
- Facoltativo: se ogni strato è voluto essere un colore diverso (per l'ispezione visibile di diversi strati), aggiungere colorante a parte B o la Ecoflex o pelle di drago durante il processo di miscelazione.
- Opzionale: Se i dati sulle proprietà dei materiali saranno raccolti, creare esemplari di trazione e reologiche in contemporanea con la fabbricazione di ogni strato del modello. Per farlo, versando in più materiale non polimerizzato in distaccante trattati con stampi di forma desiderato campione beni materiali e dimensioni.
- Opzionale: Se le misurazioni dello spessore degli strati sono desiderati, tagliare una sezione trasversale del modello con un rasoio e controllare con il microscopio.
3. Preparazione del modello finale per i test
- Montare ognuno completato modello vocale piega in una piastra in acrilico di montaggio in primo luogo applicando un sottile strato di colla al silicone sul retro (laterale) e orizzontale (anterior-posteriore) le superfici del modello. Inserire il modello in taglio incasso della piastra di montaggio. Allineare la superficie mediale del modello con la parte superiore della piastra in acrilico. Togliere la colla in eccesso. Lasciare la colla cura per un'ora.
- Applicare polvere di talco sulla superficie del modello per ridurre appiccicosità superficie.
- Per il monitoraggio della superficie mediale usare una bella penna a pennarello per segnare i punti del modello. I migliori risultati si verifica se la marcatura è fatta dopo l'applicazione di polvere di talco.
- Luogo bulloni lungo attraverso i fori della piastra di montaggio con le estremità filettate che puntano verso il modello a cui il modello esistente verrà abbinato. Posare le discussioni sui bulloni. Mettere in schiuma a cellule chiuse sopra i bulloni per colmare le eventuali lacune aria.
- Coppia questo modello preparato con un altro modello vocale volte che è stato montato in modo simile a un titolare di acrilico con punti 3.1 e 3.2. Serrare le viti per comprimere la schiuma e portare le superfici mediale insieme fino alla pre-vibratorio divario desiderio è raggiunto. Garantire entrambe le serie di discussioni sono posti over i bulloni e le estendono verso l'esterno dalle piastre in acrilico nella direzione antero-posteriore.
- Monte coppia vocale piega sul tubo di alimentazione dell'aria.
- Legare i fili anteriore insieme per formare un anello. Ripetere l'operazione per i fili posteriore. Appendere peso desiderato sugli anelli contemporaneamente.
- I modelli sono ora pronti per il collaudo e raccolta dei dati.
4. Rappresentante Risultati
Dati sulla risposta vibratoria da un modello creato con questo processo di fabbricazione sono i seguenti: questi risultati sono tipici. Con tensione di circa 31 g applicata alle fibre, la pressione insorgenza era di 400 Pa. Con una pressione subglottal del 10% l'insorgenza di sopra della pressione (440 Pa), il modello vibrato a 115 Hz con una portata glottide di 210 ml / s. Questi valori sono in buon accordo con i valori riportati per quelle degli esseri umani (Tabella 3). Utilizzando ad alta velocità videokymography per analizzare il movimento modello ha mostrato evidenza di una differenza di fase tra il superioremargini ° inferiore, cioè, il margine superiore nascosto il margine inferiore durante la fase di apertura del periodo di vibrazione (Fig. 3). Traiettorie estratti da immagini stereo dei punti applicati alle superfici mediale e inferiore del modello vocale volte ha dimostrato che il modello esposto uno alternato convergente-divergente profilo che è tipico della fonazione umana, una mucosa movimento ondulatorio, e un minore inferiore- movimento superiore rispetto ai modelli precedenti (Fig. 4).
Tabella 1. Modello di valori dei parametri geometrici.
Tabella 2. Rapporti di miscela in peso e conseguente modulo di Young delle singole sezioni del modello vocale piega. EF e DS designare silicone a base di Ecoflex e pelle di drago, Rispettivamente 14.
Tabella 3. Confronto tra umani e sintetici vocale risposte volte vibratorio.
Figura 1. Sintetico vocal fold processo di fabbricazione del modello. CAD-derivati modelli solidi (pannello a sinistra) sono utilizzati per creare gli stampi (centrale) per ogni strato. Ogni strato viene poi gettato, a cominciare con il livello di corpo e terminando con lo strato di epitelio (pannello di destra, ad ogni livello "pelati back" per visibilità). Dopo la fabbricazione, i modelli sono montati su lastre acriliche per il test.
Figura 2. Sintetico vocal fold sezione trasversale del modello. Corpo distinte, lamina propria superficiale, Ligstrati Ament, e l'epitelio sono mostrati. Parametri definiscono vocal fold geometria del modello. Questa cifra è in scala di rappresentazione chiara delle definizioni geometriche. Applicazione dei valori dei parametri riportati nella tabella 1 si tradurrà in una forma leggermente diversa rispetto a quanto mostrato qui.
Figura 3. Kymogram ad alta velocità di vibrazione modello. Le stime per la posizione dei margini superiori e inferiori sono mostrati in colori linee tratteggiate. Differenze di fase tra i margini inferiore e superiore sono evidenti.
Figura 4. Profilo di superficie mediale del modello di sintesi vocale piega in una disposizione hemilarynx, catturato in due istanze diverse di tempo mentre vibrante. Marcatori inchiostro sono stati collocati sulla superficie mediale (come shproprio l'immagine a destra), ripreso con due sincronizzato telecamere ad alta velocità, e monitorati nel corso del ciclo vibratorio. Il diagramma a sinistra mostra una glottide convergente durante la fase di apertura e la trama destra mostra una glottide divergente durante la fase di chiusura.
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Discussion
Questo metodo di fabbricazione di sintesi vocale volte produce modelli modelli che mostrano un comportamento vibratorio simile a quella dei diritti umani corde vocali. Il multistrato risultati concetto in vantaggi significativi rispetto a quello precedente e due strati design modello 3,6,8,15, in termini di pressione e di movimento ridotta insorgenza modello migliorato (convergente-divergente profilo durante l'oscillazione, delle mucose movimento ondulatorio , e ridotto inferiore cilindrata superiore). Il metodo qui presentato è dimostrato su un modello un po 'idealizzato in termini di geometria, ma può essere applicato a modelli con diverse geometrie. Ad esempio, un modello basato su dati di immagini umane geometriche (per esempio, la risonanza magnetica 17, CT) potrebbe essere fabbricati utilizzando questo metodo. Inoltre, questo concetto processo di fabbricazione può trovare applicazione in altri settori di ricerca in cui scorrono le vibrazioni indotte e / o più strati di materiali morbidi sono elementi centrali, ad esempio, le indagini di flusso attraverso i vasi sanguigni, il sonno apnea, e locomozione animale (in particolare nuoto e volo).
Il modello descritto qui ha alcune limitazioni che potrebbero essere temi di ricerca e sviluppo futuri. I materiali sono lineare sforzo-deformazione caratteristiche di risposta, e un miglioramento futuro anticipato comprende l'integrazione di non lineare sforzo-deformazione dei materiali. L'uso del biologico, piuttosto che materiali sintetici in questo processo di fabbricazione è anche possibile. A causa della estrema flessibilità dello strato di lamina propria, il modello è meno robusta rispetto alle precedenti sotto vibrazione a uno e due strati modelli. Tuttavia, mantenere la pressione sotto subglottal circa 1 kPa e, occasionalmente, l'applicazione di talco in polvere per minimizzare aderenza dovrebbe consentire per il modello da utilizzare per la durata dell'ordine di giorni, con minimi cambiamenti nel comportamento del modello, di solito molto superiori a quelle possibili utilizzando laringi escisse.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Gli autori ringraziano Grants R03DC8200, R01DC9616 e R01DC5788 dal National Institute on Deafness e altri disturbi della comunicazione per sostenere lo sviluppo del modello sintetico.
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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