Summary
Metoden för att tillverka syntetisk sång gånger modellerna beskrivs. Modellerna är i naturlig storlek och härma flerlagerstrukturen den mänskliga stämbanden. Resultaten visar modellerna att själv svänga vid tryck jämförbar med lung-tryck och visa flow-induced vibrations svar som liknar de mänskliga stämbanden.
Abstract
Ljud för den mänskliga rösten är producerad via flödet inducerad-sång gånger vibrationer. Den stämbanden består av flera lager av vävnad, alla med olika materialegenskaper 1. Normal röst produktion bygger på frisk vävnad och stämbanden, och uppstår som ett resultat av komplexa kopplingen mellan aerodynamiska, strukturella dynamiska och akustiska fysikaliska fenomen. Röststörningar hos upp till 7,5 miljoner per år i USA ensamt 2 och leder ofta till betydande ekonomiska, sociala och andra kvalitets-of-life problem. Att förstå fysiken i rösten produktionen har potential att vara till stor nytta röst vård, inklusive kliniska prevention, diagnos och behandling av röststörningar.
Befintliga metoder för att studera röst produktion omfattar in vivo experiment med människors och djurs ämnen, in vitro experiment med censurerade larynges och syntetiska modeller, och beräkningsmodellIng. På grund av farliga och svåra instrument tillgång, är in vivo-experiment starkt begränsad omfattning. Censurerade struphuvudet experiment har nytta av anatomiska och några fysiologiska realism, men parametriska studier med geometriska och materiell egendom variabler är begränsade. Dessutom är de oftast bara kunna vibreras under relativt kort tid (vanligtvis i storleksordningen minuter).
Att övervinna några av begränsningarna i exciderad struphuvudet experiment, är syntetiska röst gånger modeller fram som ett kompletterande verktyg för att studera röst produktion. Syntetiska modeller kan tillverkas med systematiska förändringar i geometri och materialegenskaper, vilket möjliggör studier av friska och sjuka människors phonatory aerodynamik, strukturell dynamik och akustik. Till exempel har de använts för att studera vänster-höger sång gånger asymmetri 3,4, klinisk instrumentutveckling 5, laryngeal aerodynamik 6-9, VOCAl gånger kontakttryck 10 och subglottal akustik 11 (en mer omfattande lista finns i Kniesburges et al. 12)
Befintliga syntetisk sång gånger modeller, dock har antingen homogen (ett lager modeller) eller har tillverkats med hjälp av två material med olika styvhet (två lager modeller). Denna metod ger inte möjlighet till representation av den verkliga flerlagerstrukturen den mänskliga stämbanden 1 som spelar en central roll i styr sång gånger flow-induced vibrations svar. Följaktligen en-och två-lagers syntetiska röst gånger modeller har ställt nackdelar 3,6,8 såsom högre debut tryck än vad som är typiska för mänskliga fonation (debut tryck är det minsta lungan tryck som krävs för att inleda vibration), onaturligt stora underlägsen- överlägsen rörelse, och avsaknaden av en "slemhinnor våg" (ett vertikalt vandringsvågrör som är karakteristisk för friska sång gånger vibrationer).
Protocol
Tillverkning sekvens (se bild. 1) består av att göra formar för vocal fold modell skikt, sekventiellt gjutning silikon lager och montering av modeller för testning. Modellen har fyra olika skikt: kropp, ligament, ytliga lamina propria, och epitel, förutom en enda fiber. En bakre lagret är lagt för att underlätta exakt placering av enskilda lager till den vokala vika modell. Modellen geometriska parameter definitioner visas i bild. 2, med parametervärden för den nuvarande modellen i tabell 1. I följande avsnitt, är olika silikon blandningsförhållande som anges för de olika skikten, dessa producerar material egenskaper som liknar de som rapporterats för mänsklig sång gånger vävnader i den lilla stam regimen 13 (se tabell 2).
1. Mögel tillverkning och beredning
- Skapa solidmodeller med tre vokala gånger lager: Superficial lamina propria, ligament och lager kropp. Detta görs vanligtvis genom att skapa 3D datorstödd konstruktion (CAD) modeller med den önskade geometrier, exportera CAD-modeller som stereolithography (STL) filer och skicka STL-filer till en egen mekanisk verkstad för snabba prototyper.
- Skapa en box-formad mögel formulär med hjälp av tunna bitar av akryl material. Ungefärliga mått (inte kritisk) är 2,54 cm hög x 5,72 cm bred x 6,35 cm djup. Gör botten av formen genom att följa den till en platt akryl tallrik. Täta alla inredning kanter med vakuum fett.
- Placera en liten mängd vakuum fett på den laterala sidan av den fasta modellen av önskad geometri (dvs kroppen, ligament eller ytliga lamina propria). Tryck modellen i botten av mögel bildar hålrum, vakuum fett sidan nedåt, så att vakuum fettet håller delen på plats. Frikostigt päls mögel form och solid modell med släppmedel. Med hjälp av en pensel, se släppmedel når i alla hörnmögel bildar hålrum.
- Blanda 10 delar A och en del B i Smooth-Sil 950 platina silikongummi (delar mätt i vikt) i en behållare som har tillräckligt med utrymme för expansion. För att ta bort det bildas luftbubblor plats mögel med ohärdad silikongummi i en vakuumkammare och minska trycket (t.ex. till omkring 26 inches Hg under atmosfärstryck) i cirka tre minuter (eller mer eller mindre efter behov). Ta bort avgasade silikon från kammaren och häll i formen bildar hålrum. Placera mögel med ohärdad silikon i vakuumkammare och lufta igen. Ta bort från vakuumkammare och lägg på jämnt underlag. Låt härda i 24 timmar och ta bort mögel från mögel form.
- Upprepa steg 1,1 till 1,4 för att skapa formar för var och en av de ytliga lamina propria, ligament och lager kropp.
- Skär mögel ligament lagret i centrum för det mediala ytan i främre-bakre riktning med en rakkniv för att möjliggöra för fiber insättning.
2. Gjutning of varje lager
- Body lager: Applicera tunt lager släppmedel till kroppen mögel hålrum med pensel. Blanda en del B och en del A i Ecoflex 00-30 Supersoft Platinum silikon (i vikt). Lägg till ett Förtunning del silikon (vikt) för att minska eventuella botade styvheten i materialet. Blanda i 30 sekunder och placera i vakuumkammare en minut för att ta bort luftbubblor. Ta blandningen från vakuum och häll i kroppen mögel hålrum, men inte fyller upp till toppen av hela mögel hålighet. Ställ i ugnen på 250 ° C i 30 minuter. Ta bort från ugnen och cool.
- Baksida: Blanda en del B och en del A av Dragon Hud och lägga till en förtunning del silikon (i vikt). Blanda kraftigt i 30 sekunder, placera i vakuum under 1 minut, och häll i kroppen mögel hålrum tills full. Ställ i ugnen på 250 ° C i 30 minuter. Ta bort mögel från ugnen och cool. Ta modell från mögel, låt svalna till rumstemperatur och ta bort eventuella släppmedel på ytan avkroppen lagret med pappershandduk.
- Ligament lager: Applicera tunt lager släppmedel på ligament mögel hålrum ytan med pensel. Placera en 30 cm tråd i formen genom att trycka in den i snitt från rakkniv. Blanda en del B och en del A i Ecoflex 00-30 och fyra delar av silikon Förtunning (vikt). Placera i vakuumkammare att ta bort luftbubblor och häll blandningen i ligamentet mögel hålighet.
- Ligament Layer (fortsättning): Tryck på kroppen-stöd modell (från steg 2.1.1 och 2.1.2) i ligamentet mögel hålrum. Börja insättning på ena sidan och rör försiktigt till den andra så att modellen driver överskottet ohärdad silikon och luftbubblor ur formen hålighet. Om det finns luftbubblor, ta bort modellen från mögel hålrum, fyll på med ohärdat silikon, och upprepa trycka modellen i formen. Ställ formen i ugnen i 30 minuter, ta bort och svalna till rumstemperatur. Ta modell från mögel. Ta bort överflödig släppmedel med en pappershandduk.
- Ytliga lamina propria lager: Applicera tunt lager släppmedel på superifical lamina propria (SLP) mögel hålrum ytan med pensel. Blanda en del B, en del A i Ecoflex 00-30 och 8 delar silikon Thinner i vikt. Vakuum gjort så tidigare och häll i SLP mögel hålighet. Använd samma process som beskrivs i steg 2.1.4 att infoga ligament-body-stöd modellen i ytliga lamina propria mögel hålighet. Placera i en ugn vid 250 ° C och härda i en timme. Ta ut ur ugnen och låt svalna. Ta modell långsamt och med stor försiktighet så att de ytliga lamina propria förblir intakt.
- Epitel lager: Placera sång gånger modell på en plan yta med backar. Avlägsna stödmaterial med en rakkniv. Häng trådar i luften genom att fästa dem till ett föremål för större höjd än modellen. Blanda en del B och en del A av Dragon Skin med en del av silikon Förtunning, blanda, vakuum, häll sedan över modellen och låt härda i dene timme. Upprepa processen för att skapa ett tjockare lager. Ta bort överflödigt material med en rakkniv.
- Valfritt: Om varje lager önskas vara en annan färg (för synlig inspektion av olika lager), lägg färgämne till del B i antingen EcoFlex eller Dragon Skin under blandningsprocessen.
- Valfritt: Om materiell egendom data kommer att samlas in, skapa drag-och reologiska prover samtidigt med tillverkningen av varje modell lager. Gör detta genom att hälla extra ohärdat material till släppmedel behandlade formar av önskad materialegenskap exemplar form och storlek.
- Valfritt: Om mätningar av skiktets tjocklek önskas, skär ett tvärsnitt av modellen med en rakkniv och inspektera med mikroskop.
3. Slutliga modellen Förberedelser för provning
- Montera varje avslutad sång lägga modellen till en akryl fästplatta genom att först applicera ett tunt skikt av silikon lim på baksidan (lateral) och sida (ennterior-posterior) modell ytor. Sätt modell till infälld nedskärning på monteringsplattan. Rikta den modell mediala ytan med toppen av akryl plattan. Torka bort överflödigt lim. Låt limmet härda i en timme.
- Applicera talk pulver till modellen ytan för att minska ytan klibbig.
- För mediala ytan spårning använder en fin punkt Sharpie penna för att markera punkter på modell. Bästa resultat uppstå om märkning görs efter tillämpning av talk pulver.
- Placera långa skruvar genom hålen i monteringsplattan med gängade ändar pekar mot den modell som den befintliga modellen kommer att paras. Lägg trådarna över bultarna. Sätt cellplast över bultarna att stänga alla luftspalter.
- Para ihop beredd modell med en annan sång gånger modell som har liknande monteras på en akryl innehavaren att använda steg 3,1 och 3,2. Dra åt skruvarna för att komprimera skum och sätta den mediala ytorna tillsammans tills lusten före vibrerande gapet uppnås. Se till att båda trådarna läggs ovER bultarna och sträcker utåt från akrylplattor i anterior-posterior riktning.
- Mount sång gånger par på lufttillförsel rör.
- Knyt den främre trådarna ihop till en ögla. Upprepa för den bakre trådarna. Häng önskad vikt på slingor samtidigt.
- Modeller är nu redo för testning och datainsamling.
4. Representativa resultat
Vibrerande svar data från en modell skapas med hjälp av den här tillverkningsprocessen är följande; dessa resultat är typiska. Med spänning på ca 31 g tillämpas på fibrer, var uppkomsten trycket 400 Pa vid ett subglottal tryck på 10% över debut tryck (440 Pa), den modell som vibrerade vid 115 Hz med en glottal flöde på 210 ml / s. Dessa värden är i gott samförstånd med värden rapporterades för de människor (tabell 3). Använda hög hastighet videokymography att analysera modell rörelse visade tecken på en fas skillnad mellan överlägsen ennd sämre marginaler, dvs den överlägsna marginalen dolde sämre marginal under den öppna fasen av vibrationer perioden (Fig. 3). Bollbanor utvinns ur stereo bilder av de punkter som tillämpas på de mediala och sämre ytor vokala vik-modellen visade att modellen uppvisade ett omväxlande konvergent-divergerande profil som är typisk för mänskliga fonation, en slemhinnor vågliknande rörelse, och en lägre underlägsen- bättre rörelse än i tidigare modeller (bild 4).
Tabell 1. Modell geometriska parametervärden.
Tabell 2. Blandningsförhållanden i vikt och leder Youngs modul av de enskilda delarna av vokala gånger modell. EF och DS utse silikon gjorda av Ecoflex och Dragon SkinRespektive 14.
Tabell 3. Jämförelse mellan människa och syntetisk sång gånger vibrerande svar.
Figur 1. Syntetisk sång gånger modell tillverkningsprocessen. CAD-derived solidmodeller (till vänster) används för att skapa formar (center panel) för varje skikt. Varje lager är då rösterna, börjar med kroppen lagret och slutar med epitel lager (högra panelen, med varje lager "skalade tillbaka" för synlighet). Efter tillverkning, finns modeller monteras akrylplattor för testning.
Figur 2. Syntetisk sång gånger modell tvärsnitt. Distinkt kroppen, ytliga lamina propria, LIGAment och epitel lager visas. Parametrar definierar sång gånger modell geometri. Denna siffra är skalas för tydlig representation av geometriska definitioner. Tillämpning av parametervärden som anges i tabell 1 kommer att resultera i en något annorlunda form än vad som visas här.
Figur 3. Snabba kymogram av modell vibrationer. Uppskattningar för var den överlägsna och underlägsna marginaler visas i färgade streckade linjerna. Fas skillnader mellan de lägre och högre marginaler är uppenbara.
Figur 4. Medial ytprofil av syntetisk sång gånger modell i en hemilarynx arrangemang, fångade vid två olika instanser av tid medan vibrerande. Bläck markörer placerades på den mediala ytan (som shsjälv i högra bilden), avbildas med två synkroniserade höghastighetskameror och spårade över vibrerande cykel. Den vänstra tomten visar en konvergent stämbanden under öppningsfasen och höger plot visar ett avvikande stämbanden under den avslutande fasen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denna metod att tillverka syntetisk sång gånger modeller ger modeller som uppvisar vibrerande beteende liknar människans stämbanden. Den flera lager konceptet medför väsentliga fördelar jämfört med tidigare en-och två-lagers modell design 3,6,8,15, i form av minskade debut tryck och förbättrad modell rörelse (konvergent-divergerande profil under svängning, slemhinnor vågliknande rörelse , och minskade sämre överlägsen förskjutning). Den metod som presenteras här är visat på en något idealiserad modell i form av geometri, men den kan tillämpas på modeller med olika geometrier. Till exempel kan en modell baserad på mänskliga avbildning geometriska data (t.ex. 17 MR, CT) kan tillverkas med denna metod. Dessutom kan detta tillverkningsprocessen koncept finner tillämpning i andra forskningsområden där flow-inducerad vibrationer och / eller flera lager av mjuka material är centrala element, till exempel undersökningar av flödet genom blodkärl, sömn APNEA och djur rörelseförmåga (särskilt simning och flygande).
Den modell som beskrivs här har vissa begränsningar som kan vara ämnen för framtida forskning och utveckling. Materialen har linjär stress-belastning svar egenskaper, och en förväntad framtida förbättringar inkluderar integrering av olinjära stress-belastning material. Användning av biologiska snarare än syntetiska material i tillverkningsprocessen är också möjligt. På grund av den extrema flexibiliteten i lamina propria på lagret, är modellen mindre robusta i vibrationer än tidigare en-och två-lagers modeller. Bör dock hålla subglottal tryck under ca 1 kPa och ibland ansöker talk pulver för att minimera vidhäftning möjliggör för den modell som ska användas för löptider på order av dagar med minimala förändringar i modellens beteende, vanligtvis långt över de som möjligt med hjälp av censurerade larynges.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting att lämna ut.
Acknowledgments
Författarna erkänner tacksamt bidrag R03DC8200, R01DC9616 och R01DC5788 från National Institute on Dövhet och andra sjukdomar i kommunikation för att stödja syntetisk modellutveckling.
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).
