Summary
A metodologia sintética para a fabricação de modelos vocal fold é descrito. Os modelos são em tamanho real e imitar a estrutura multi-camada das pregas vocais humanas. Os resultados mostram os modelos de auto-oscilar em pressões comparáveis à pressão pulmonar e demonstrar o fluxo induzido respostas vibratórias que são semelhantes aos da prega vocal humana.
Abstract
Som para a voz humana é produzida através de fluxo induzido por vibração das pregas vocais. As pregas vocais consistem em várias camadas de tecido, cada uma com diferentes propriedades dos materiais 1. Produção normal de voz se baseia em tecidos saudáveis e pregas vocais, e ocorre como resultado de acoplamento complexa entre dinâmicas, aerodinâmica estrutural, acústica e fenômenos físicos. Distúrbios da voz afetar até 7,5 milhões anualmente nos Estados Unidos 2 e muitas vezes resultam em significativa financeira, social, e outros de qualidade de vida dificuldades. Compreender a física da produção de voz tem o potencial de beneficiar significativamente o cuidado de voz, incluindo a prevenção clínica, diagnóstico e tratamento de distúrbios da voz.
Métodos existentes para o estudo da produção de voz incluir na experimentação in vivo utilizando seres humanos e animais, na experimentação in vitro utilizando laringes excisadas e modelos sintéticos, e um modelo computacionaling. Devido ao acesso instrumento perigoso e difícil, em experimentos in vivo são severamente limitadas em seu escopo. Experimentos laringe excisadas têm o benefício de algum realismo anatômico e fisiológico, mas estudos paramétricos envolvendo variáveis propriedade geométrica e material são limitadas. Além disso, eles são normalmente apenas capaz de ser vibrada por períodos de tempo relativamente curto (tipicamente da ordem de minutos).
Superar algumas das limitações dos experimentos laringe excisadas, sintético vocal fold modelos estão emergindo como uma ferramenta complementar para o estudo da produção da voz. Modelos sintéticos podem ser fabricados com mudanças sistemáticas às propriedades geometria e material, permitindo o estudo da saúde humana e insalubres aerodinâmica da fonação, dinâmica estrutural e acústica. Por exemplo, eles têm sido usados para estudar esquerda-direita a assimetria das pregas vocais 3,4, desenvolvimento de instrumentos clínicos 5, a aerodinâmica da laringe 6-9, vocal pressão de contato fold 10, e acústica subglotal 11 (uma lista mais completa pode ser encontrada em Kniesburges et al. 12)
Sintéticos existentes vocal fold modelos, no entanto, quer tenham sido homogênea (uma camada de modelos) ou que tenham sido fabricados usando dois materiais de rigidez diferentes (duas camadas de modelos). Esta abordagem não permite a representação da estrutura multi-camada real das pregas vocais humanas 1, que desempenha um papel central no governo vocal resposta do fluxo induzido por vezes vibratório. Conseqüentemente, uma e duas camadas sintéticas vocal fold modelos têm demonstrado desvantagens 3,6,8, tais como pressões mais elevadas do que o início são típicas para a fonação humana (pressão início é a pressão de pulmão mínimo necessário para iniciar a vibração), anormalmente grandes inferior- movimento superior, e da falta de uma "onda mucosa" (uma onda verticalmente itinerante que é característica da vibração vocal humana saudável vezes).
Protocol
A seqüência de fabricação (ver Fig. 1.) Consiste em fazer moldes para camadas do modelo vocal fold, seqüencialmente fundição camadas de silicone, e montagem dos modelos para teste. O modelo tem quatro camadas distintas: corpo, ligamento, superficial da lâmina própria e epitélio, além de uma única fibra. A camada de suporte é adicionado para facilitar a colocação exata das camadas individuais para o modelo da prega vocal. O modelo de definições de parâmetros geométricos são mostrados na figura. 2, com valores de parâmetro para o modelo atual dada na Tabela 1. Nas seções seguintes, as taxas de silicone diferentes de mistura são especificados para as diferentes camadas, as quais produzem as propriedades dos materiais que são semelhantes aos relatados para o tecido vocal humana vezes no regime tensão pequena 13 (ver Tabela 2).
1. Fabricação de moldes e preparação
- Criar modelos sólidos de três camadas vocal fold: supelâmina própria rficial, ligamento, e as camadas do corpo. Isso geralmente é feito através da criação de 3D computer-aided design (CAD) modelos com geometrias desejadas, exportar os modelos CAD como estereolitografia (STL) arquivos, e enviar os arquivos STL para uma loja de máquinas personalizadas para prototipagem rápida.
- Criar um formulário molde em forma de caixa usando finos pedaços de material acrílico. Dimensões aproximadas (não críticos) são 2,54 centímetros x 5,72 centímetros de alta largura x 6,35 centímetros de profundidade. Fazer a parte inferior do formulário, aderindo a um chapa de acrílico plana. Vedação de todas as bordas interior com graxa de vácuo.
- Coloque uma pequena quantidade de graxa de vácuo no lado lateral do modelo sólido da geometria desejada (ou seja, o corpo, o ligamento, ou a lâmina superficial). Pressione modelo em fundo de cavidade de molde forma, lado a vácuo gordura para baixo, de modo que a graxa de vácuo mantém a peça no lugar. Liberalmente forma molde casaco e modelo sólido com o agente de liberação. Usando um pincel, certifique-se agente de liberação alcança todos os cantos doforma da cavidade do molde.
- Misturar 10 partes A e B uma parte do Smooth-Sil borracha de silicone platina 950 (partes medido por peso) em um recipiente que tem espaço suficiente para expansão. Para remover bolhas de ar formam o molde lugar com borracha de silicone não curado em uma câmara de vácuo e reduzir a pressão (por exemplo, para cerca de 26 polegadas Hg abaixo da pressão atmosférica) para cerca de três minutos (ou mais ou menos como necessário). Remover silicone desgaseificados da câmara e despeje em forma de cavidade do molde. Molde de silicone não curado com lugar no vácuo da câmara e desgaseificar novamente. Remover da câmara de vácuo e colocar em superfície plana. Deixar curar por 24 horas e remover o molde da forma do molde.
- Repita os passos 1.1 a 1.4 para criar moldes para cada um dos superficial da lâmina própria, ligamento, e as camadas do corpo.
- Cortar o molde camada de ligamento no centro da superfície medial no sentido ântero-posterior com uma navalha para permitir a inserção de fibra.
2. Lançando of cada camada
- Camada de corpo: Aplicar fina camada de agente de liberação a cavidade do molde do corpo com pincel. Misture uma parte B e uma parte A do Ecoflex 00-30 Silicone Platinum Supersoft (em peso). Adicionar um Thinner Silicone parte (em peso) para reduzir a rigidez da eventual cura do material. Misture por 30 segundos e coloque em câmara de vácuo por um minuto para remover o ar aprisionado. Retire a mistura do vácuo e despeje na cavidade do molde do corpo, mas não encha até ao topo da cavidade do molde inteiro. Coloque no forno a 250 ° C por 30 minutos. Retire do forno e deixe esfriar.
- Fazendo: Mix B um lado, e uma parte A do Dragão Pele e adicione um Thinner Silicone parte (em peso). Misturar vigorosamente por 30 segundos, coloque no vácuo por 1 minuto, e despeje na cavidade do molde corpo até total. Coloque no forno a 250 ° C por 30 minutos. Remover o molde do forno e deixe esfriar. Remover modelo a partir de molde, deixe esfriar à temperatura ambiente, e remover qualquer agente de liberação na superfície doa camada de corpo com toalha de papel.
- Camada de ligamento: Aplicar fina camada de agente de liberação no ligamento superfície da cavidade do molde com pincel. Coloque um fio de 30 cm no molde, empurrando-a para o corte da navalha. Misturar uma parte B e uma parte A do Ecoflex 00-30 e quatro partes de Thinner Silicone (em peso). Lugar na câmara de vácuo para remover bolhas de ar e despeje a mistura na cavidade do molde ligamento.
- Ligamento Layer (continuação): modelo de Imprensa corpo de apoio (de Passos 2.1.1 e 2.1.2) na cavidade do molde ligamento. Comece a inserção de um lado e suavemente move para o outro, para que o modelo empurra o excesso de silicone não curado e bolhas de ar para fora da cavidade do molde. Se bolhas de ar estão presentes, remova o modelo da cavidade do molde, encher com silicone não curado, e repetir pressionando modelo no molde. Molde coloque no forno por 30 minutos, retire e deixe esfriar à temperatura ambiente. Remover modelo a partir do molde. Remover agente de liberação em excesso com toalha de papel.
- Camada superficial Lamina Propria: Aplicar fina camada de agente de liberação na superifical superficial de lâmina própria cavidade (SLP) molde com pincel. Misture uma parte B, uma parte A do Ecoflex 00-30, e 8 partes Thinner Silicone em peso. Vácuo, como feito anteriormente e despeje em cavidade do molde SLP. Use o mesmo processo descrito no Passo 2.1.4 para inserir o modelo de corpo ligamento backing-na cavidade do molde superficial da lâmina própria. Coloque em um forno a 250 ° F e cura para uma hora. Retire do forno e deixe esfriar. Remover modelo devagar e com extremo cuidado para que a lâmina superficial permanece intacta.
- Camada de epitélio: Coloque modelo das pregas vocais sobre uma superfície plana com o apoio para baixo. Remover o material de apoio com uma navalha. Suspender tópicos no ar, anexando-os a um objeto de maior altura do que o modelo. Misture uma parte B e uma parte de A Pele Dragão com uma parte de Thinner Silicone, mix, a vácuo, em seguida, despeje sobre o modelo e permitir que a cura para ahoras e. Repita o processo para criar uma camada mais espessa. Retire o excesso de material com uma navalha.
- Opcional: Se cada camada é desejado para ser uma cor diferente (por inspecção visual de diferentes camadas), adicionar corante à parte B, quer do Ecoflex ou da pele do dragão durante o processo de mistura.
- Opcional: Se os dados de propriedade do material será recolhido, criar amostras de tração e reológicas simultaneamente com a fabricação de cada camada do modelo. Faça isso por vazamento de material não curado extra em moldes de liberação do agente tratados de forma exemplar desejado material de propriedade e tamanho.
- Opcional: Se as medições da espessura da camada são desejados, cortar uma secção transversal do modelo com uma navalha e inspecionar com microscópio.
3. Preparação do modelo final para testes
- Montar cada modelo completou das pregas vocais em uma placa de acrílico de montagem pela primeira aplicação de uma fina camada de cola de silicone na parte traseira (lateral) e lateral (anterior-posterior superfícies) modelo. Inserir modelo em corte recesso de placa de montagem. Alinhar o modelo de superfície medial com a parte superior da placa de acrílico. Enxugar o excesso de cola. Permitir que cola para cura para uma hora.
- Aplique pó de talco para a superfície do modelo para reduzir a aderência da superfície.
- Para o rastreamento de superfície medial usar uma caneta Sharpie de ponta fina para marcar pontos no modelo. Os melhores resultados ocorrem se a marcação é feita após a aplicação de pó de talco.
- Coloque parafusos longos através dos furos da placa de montagem com as extremidades roscadas apontando para o modelo ao qual o modelo existente serão emparelhados. Lay tópicos sobre os parafusos. Coloque espuma de célula fechada sobre os parafusos para fechar todas as aberturas de ar.
- Par este modelo preparado com outro modelo da prega vocal que tem sido igualmente montado em um suporte de acrílico usando Passos 3.1 e 3.2. Aperte os parafusos para comprimir a espuma e trazer as superfícies medial juntos até o desejo gap pré-vibratória é alcançado. Certifique-se dois conjuntos de fios são colocados over os parafusos e se estendem para fora das placas de acrílico no sentido ântero-posterior.
- Montagem par de pregas vocais no ar tubo de alimentação.
- Amarre os fios anterior para formar um loop. Repita para os segmentos posterior. Pendurar peso desejado nos circuitos simultaneamente.
- Modelos já estão prontos para testes e coleta de dados.
4. Resultados representante
Dados de resposta vibratória a partir de um modelo criado usando este processo de fabricação são os seguintes; estes resultados são típicos. Com tensão de aproximadamente 31 g aplicada às fibras, a pressão de início foi de 400 Pa. A uma pressão subglótica de 10% acima da pressão de início (440 Pa), o modelo vibrou em 115 Hz com uma taxa de fluxo glotal de 210 ml / s. Estes valores estão de acordo com os valores reportados para as dos seres humanos (Tabela 3). Usando alta velocidade videoquimografia para analisar movimento do modelo mostraram evidências de uma diferença de fase entre o superior umand margens inferior, ou seja, a margem superior escondido a margem inferior durante a fase aberta do período de vibração (Fig. 3). Trajetórias extraído a partir de imagens estéreo dos pontos aplicados às superfícies medial e inferior do modelo das pregas vocais mostraram que o modelo exibiu um perfil alternada convergente-divergente que é típico da fonação humana, um movimento ondulatório da mucosa, e um menor inferior- movimento superior do que em modelos anteriores (Fig. 4).
Tabela 1. Valores modelo geométrico parâmetro.
Tabela 2. Relações mistura por peso e resultando módulo de Young das seções individuais do modelo da prega vocal. EF e DS designar silicone feito de Ecoflex e da pele do dragão, Respectivamente 14.
Tabela 3. Comparação entre humanos e sintéticos das pregas vocais respostas vibratórias.
Figura 1. Synthetic processo de fabricação das pregas vocais modelo. CAD-derivadas de modelos sólidos (painel esquerdo) são usados para criar moldes (centro do painel) para cada camada. Cada camada é, então, elenco, começando com a camada de corpo e terminando com a camada de epitélio (painel à direita, com cada camada "descascaram" para a visibilidade). Após a fabricação, os modelos são montados em placas de acrílico para o teste.
Figura 2. Synthetic seção transversal das pregas vocais modelo. Corpo distinto, lâmina superficial, ligcamadas Ament, e epitélio são mostrados. Parâmetros definem a geometria do modelo da prega vocal. Este número é escalado para a representação clara de definições geométricas. Aplicação dos valores dos parâmetros apresentados na Tabela 1 irá resultar em uma forma ligeiramente diferente do que é mostrado aqui.
Figura 3. Kymogram de alta velocidade de vibração do modelo. Estimativas para a localização das margens superior e inferior são mostrados na cor linhas pontilhadas. Diferenças de fase entre as margens inferior e superior são evidentes.
Figura 4. Medial perfil da superfície do modelo sintético vocal fold em um arranjo hemilaringe, capturadas em dois momentos diferentes de tempo, enquanto vibrando. Marcadores de tinta foram colocados na superfície medial (como shprópria na imagem à direita), fotografada usando dois sincronizados câmeras de alta velocidade, e acompanhados ao longo do ciclo vibratório. O gráfico da esquerda mostra a glote convergentes durante a fase de abertura e do enredo da direita mostra a glote divergentes durante a fase de fechamento.
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Discussion
Este método de fabricação sintética vocal rendimentos vezes modelos que exibem modelos de comportamento vibratório semelhante ao da prega vocal humana. O multi-camada resultados conceito em vantagens significativas sobre os projetos anteriores de uma e duas camadas de modelo 3,6,8,15, em termos de pressão reduzida e início do movimento do modelo melhorado (convergente-divergente perfil durante a oscilação, o movimento ondulatório da mucosa e reduziu deslocamentos superiores inferior). O método aqui apresentado é demonstrado em um modelo um tanto idealizada em termos de geometria, mas ele pode ser aplicado a modelos com diferentes geometrias. Por exemplo, um modelo baseado em dados de imagem humana geométricas (por exemplo, a RM 17, TC) pode ser fabricado usando este método. Além disso, este conceito de processo de fabricação pode encontrar aplicação em outras áreas de pesquisa no qual o fluxo induzido vibrações e / ou várias camadas de materiais macios são elementos centrais, por exemplo, as investigações do fluxo através dos vasos sanguíneos, o sono apnea, locomoção e animal (principalmente natação e vôo).
O modelo descrito aqui tem algumas limitações que poderiam ser temas para futuras pesquisas e desenvolvimento. Os materiais têm características lineares tensão-resposta, e uma melhoria futuro antecipado inclui a incorporação da não-linear de tensão-deformação dos materiais. Utilização de dados biológicos em vez de materiais sintéticos no processo de fabricação também é possível. Por causa da extrema flexibilidade da camada de lâmina própria, o modelo é menos robusto do que o anterior sob vibração de uma e duas camadas de modelos. No entanto, mantendo a pressão subglótica abaixo de aproximadamente 1 kPa e, ocasionalmente, aplicar pó de talco para minimizar a adesão da superfície deve permitir o modelo a ser utilizado por períodos da ordem de dias, com alterações mínimas no comportamento do modelo, tipicamente muito superiores aos possíveis usando laringes excisadas.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Os autores agradecem Grants R03DC8200, R01DC9616 e R01DC5788 do Instituto Nacional de Surdez e Outros Distúrbios de Comunicação para o apoio ao desenvolvimento do modelo sintético.
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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