Summary
La méthodologie de synthèse vocale pour la fabrication de modèles pli est décrite. Les modèles sont de taille humaine et à imiter la structure multi-couches des plis vocal humain. Les résultats montrent que les modèles d'auto-osciller à des pressions comparables à la pression du poumon et de démontrer induites par l'écoulement des réponses vibratoires qui sont similaires à celles des cordes vocales humaines.
Abstract
Sound pour la voix humaine est produite par le flux vibrations induites cordes vocales. Les cordes vocales se composent de plusieurs couches de tissus, chacune avec des propriétés des matériaux différents 1. Production de la voix normale s'appuie sur les tissus sains et les cordes vocales, et survient à la suite d'un couplage complexe entre aérodynamique, dynamique structurelle, acoustique et phénomènes physiques. Troubles de la voix affectent jusqu'à 7,5 millions de dollars annuellement dans les seuls Etats-Unis 2 et entraînent souvent des financiers significatifs, sociaux, et d'autres de la qualité de vie des difficultés. Comprendre la physique de la production de la voix a le potentiel de bénéficier de manière significative les soins voix, y compris les cliniques de prévention, le diagnostic et le traitement des troubles de la voix.
Les méthodes existantes pour l'étude de la production vocale comprennent l'expérimentation in vivo en utilisant des sujets humains et animaux, dans l'expérimentation in vitro utilisant des larynx excisés et des modèles synthétiques, et le modèle de calculING. Grâce à l'accès instrument dangereux et difficiles, dans des expériences in vivo sont sévèrement limitées dans leur portée. Expériences du larynx excisés ont l'avantage d'un certain réalisme anatomique et physiologique, mais des études paramétriques impliquant des variables de propriété géométrique et matérielles sont limitées. En outre, ils ne sont généralement en mesure d'être vibré pendant des périodes de temps relativement court (typiquement de l'ordre de quelques minutes).
Surmonter certaines des limites des expériences du larynx excisés, synthétique vocales modèles de pliage sont en train de devenir un outil complémentaire pour l'étude de la production vocale. Modèles synthétiques peuvent être fabriqués avec des changements systématiques de géométrie et les propriétés matérielles, permettant l'étude des humains sains et malsains aérodynamisme phonatoire, la dynamique des structures, et l'acoustique. Par exemple, ils ont été utilisés pour étudier gauche-droite cordes vocales asymétrie 3,4, le développement d'instruments cliniques 5, l'aérodynamique du larynx 6-9, vocla pression de contact al pliage 10, et l'acoustique sous-glottique 11 (une liste plus complète peut être trouvée dans Kniesburges et al. 12)
Existantes de synthèse vocale modèles fois, cependant, ont été soit homogène (une seule couche de modèles) ou qui ont été fabriquées en utilisant deux matériaux de rigidité différente (deux modèles à une couche). Cette approche ne permet pas une représentation réelle de la structure multicouche des plis vocal humain 1 qui joue un rôle central dans la gouvernance des cordes vocales induites par l'écoulement de réponse vibratoire. Par conséquent, une ou deux couches de synthèse vocale modèles ont exposé les inconvénients fois 3,6,8 comme les pressions survenue plus élevé que ce sont typiques de la phonation humaine (pression apparition est la pression des poumons minimum requis pour initier des vibrations), anormalement grands-infériorité mouvement supérieure, et le manque d'une «vague muqueuses» (une onde verticale itinérante qui est caractéristique de la santé humaine aux vibrations des cordes vocales).
Protocol
La séquence de fabrication (voir fig. 1) consiste à faire des moules pour vocales couches du modèle pli, de façon séquentielle coulée couches de silicone, et le montage des modèles pour les tests. Le modèle comporte quatre couches distinctes: le corps, les ligaments, la lamina propria superficielles, et de l'épithélium, en plus d'une seule fibre. Une couche de support est ajouté pour faciliter la mise en place précise des différentes couches du modèle des cordes vocales. Les définitions du modèle de paramètres géométriques sont représentées dans la Fig. 2, avec les valeurs des paramètres du modèle actuel dans le Tableau 1. Dans les sections suivantes, les ratios de silicone différent de mélange sont spécifiées pour les différentes couches; elles produisent des propriétés des matériaux qui sont similaires à ceux rapportés pour les tissus humains cordes vocales dans le régime de petites déformations 13 (voir tableau 2).
1. Fabrication de moules et de préparation
- Créer des modèles solides de trois couches vocales volets: REMPlamina propria rficial, des ligaments, et les couches de corps. Cela se fait habituellement par la création en 3D assistée par ordinateur (CAO) des modèles avec les géométries souhaitées, l'exportation des modèles de CAO que la stéréolithographie (STL) des fichiers et l'envoi des fichiers STL à un atelier d'usinage sur mesure pour le prototypage rapide.
- Créer une forme de moule en forme de boîte à l'aide de minces morceaux de matériau acrylique. Dimensions approximatives (non critique) sont de 2,54 cm de haut x 5,72 cm de large x 6,35 cm de profondeur. Faire le fond de la forme en la adhérant à une plaque en acrylique plat. Sceller toutes les bords intérieurs avec de la graisse à vide.
- Placer une petite quantité de graisse à vide sur le côté latéral du modèle solide de la géométrie désirée (par exemple, le corps, le ligament, ou la lamina propria superficielles). Presse modèle en bas de la cavité sous forme du moule, côté graisse à vide vers le bas, de sorte que la graisse à vide tient la pièce en place. Généreusement forme de moule manteau et modèle solide avec l'agent de libération. Utiliser un pinceau, d'assurer agent de démoulage atteint dans tous les coins dula cavité sous forme du moule.
- Mélanger 10 parties A et une partie B de Smooth-Sil 950 caoutchouc de silicone platine (pièces mesurées en poids) dans un conteneur qui a suffisamment d'espace pour l'expansion. Pour enlever les bulles d'air sous forme de moisissures place avec caoutchouc de silicone non durcis dans une chambre à vide et de réduire la pression (par exemple, à environ 26 pouces de Hg inférieure à la pression atmosphérique) pendant environ trois minutes (ou plus ou moins comme nécessaire). Retirer de silicone dégazé de la chambre et le verser dans la cavité sous forme du moule. Placez moule avec du silicone non durcis en chambre à vide et dégazer à nouveau. Retirer de la chambre à vide et placer sur une surface plane. Laisser durcir pendant 24 heures et éliminer les moisissures de la forme du moule.
- Répétez les étapes 1.1 à 1.4 pour créer des moules pour chacun de la lamina propria superficielle, ligament, et les couches de corps.
- Couper la moisissure couche de ligament au centre de la face médiale dans le sens antéro-postérieur avec un rasoir à main pour permettre l'insertion de la fibre.
2. O castingf chaque couche
- Couche de corps: Appliquer une fine couche d'agent de démoulage à corps avec la cavité du moule pinceau. Mélangez une partie B et une partie A de l'Ecoflex 00-30 Silicone Platine Supersoft (en poids). Ajouter un diluant silicone partie (en poids) pour réduire la rigidité éventuelle guérison de la matière. Mélanger pendant 30 secondes et sa place dans la chambre à vide pendant une minute pour chasser l'air emprisonné. Retirer le mélange du vide et verser dans la cavité du moule le corps, mais ne remplissez pas au sommet de la cavité du moule entier. Mettre au four à 250 ° F pendant 30 minutes. Retirer du four et laisser refroidir.
- Sauvegarde: la partie B Mélangez une et une partie A de la peau de dragon et ajouter un diluant silicone partie (en poids). Mélanger vigoureusement pendant 30 secondes, placer dans le vide pendant 1 minute, et verser dans la cavité du moule le corps jusqu'au complet. Mettre au four à 250 ° F pendant 30 minutes. Retirer du moule du four et laisser refroidir. Retirez le modèle du moule, laisser refroidir à température ambiante, et enlever tout agent de démoulage sur la surface dela couche de corps avec une serviette de papier.
- Couche ligamentaire: Appliquer une fine couche d'agent de démoulage sur la surface de la cavité du ligament moule avec un pinceau. Placer un fil de 30 cm dans le moule en le poussant dans la coupe du rasoir. Bien mélanger une partie B et une partie A de l'Ecoflex 00-30 et quatre parties de diluant silicone (en poids). Placer dans la chambre à vide pour éliminer les bulles d'air et verser le mélange dans la cavité du moule ligament.
- Ligament Layer (suite): Appuyez sur le corps-backing modèle (à partir étapes 2.1.1 et 2.1.2) dans la cavité du moule ligament. Commencez l'insertion d'un côté et déplacez doucement à l'autre de sorte que le modèle pousse le excédent de silicone non durcis et des bulles d'air hors de la cavité du moule. Si des bulles d'air sont présents, supprimez le modèle de la cavité du moule, remplir avec du silicone non durcis, et répéter en appuyant sur le modèle dans le moule. Moule Mettre au four pendant 30 minutes, retirer et laisser refroidir à température ambiante. Retirez le modèle du moule. Retirer l'excédent avec l'agent de démoulage serviette en papier.
- Superficiel lamina propria couche: Appliquer une fine couche d'agent de démoulage sur la lamina propria superifical (SLP) surface de la cavité du moule avec un pinceau. Mélangez une partie B, une partie A de l'Ecoflex 00-30, et 8 pièces en silicone Diluant en poids. Vide comme précédemment et versez dans la cavité du moule SLP. Utilisez la même procédure décrite à l'étape 2.1.4 pour insérer le modèle du ligament-corps-reculer dans la cavité du moule lamina propria superficielle. Placer dans un four à 250 ° F et de guérir pendant une heure. Retirer du four et laisser refroidir. Retirez le modèle lentement et avec un soin extrême afin que la lamina propria superficielle reste intacte.
- Couche Épithélium: Placez le modèle des cordes vocales sur une surface plane avec la marche arrière. Enlever la matière de soutien avec un rasoir. Suspendre les discussions dans l'air en les attachant à un objet de plus grande hauteur que le modèle. Mélangez une partie B et une partie d'une peau de dragon avec une partie de Diluant silicone, mélanger, sous vide, puis verser sur le modèle et permettent de remède pour lee heure. Répétez le processus pour créer une couche plus épaisse. Enlever l'excès avec un rasoir.
- Facultatif: si chaque couche est désiré d'être une couleur différente (pour une inspection visuelle des différentes couches), ajouter de colorant à la partie B soit de l'Ecoflex ou peau de dragon pendant le processus de mélange.
- Facultatif: Si les données de propriété du matériel seront collectées, créer éprouvettes de traction et rhéologiques simultanément avec la fabrication de chaque couche du modèle. Pour ce faire, en versant supplémentaires matières non traitées dans des moules communiqué agent de traités de forme désirée matériau de l'échantillon et la taille de propriété.
- Facultatif: Si les mesures de l'épaisseur de la couche est désirée, découper une section transversale du modèle avec un rasoir et d'inspecter au microscope.
3. Préparation du modèle final pour les tests
- Montez chaque modèle achevé cordes vocales dans une plaque en acrylique de montage en appliquant d'abord une fine couche de colle silicone sur le dos (latéral) et secondaires (unenterior-postérieur des surfaces du modèle). Insérer le modèle dans la coupe en retrait de la plaque de montage. Aligner la surface du modèle médial avec le haut de la plaque acrylique. Essuyez l'excès de colle. Laissez la colle sécher pendant une heure.
- Appliquer la poudre de talc à la surface du modèle afin de réduire le poisseux en surface.
- Pour le suivi de surface médiale utiliser un stylo à pointe fine Sharpie pour marquer des points sur le modèle. Les meilleurs résultats se produire si le marquage est effectué après l'application de poudre de talc.
- Placer les boulons longs à travers les trous de la plaque de montage avec les extrémités filetées pointant vers le modèle auquel le modèle existant seront jumelés. Lay discussions sur les boulons. Mettez la mousse à cellules fermées sur les boulons de fermer toutes les lacunes de l'air.
- Paire ce modèle préparé avec un autre modèle des cordes vocales qui a été pareillement monté sur un support en acrylique en utilisant les étapes 3.1 et 3.2. Serrez les vis pour comprimer la mousse et mettre les surfaces médiale ensemble jusqu'à ce que le désir de pré-vibratoires écart est atteint. S'assurer que les deux séries de fils sont placés over les boulons et s'étendent vers l'extérieur à partir des plaques en acrylique dans le sens antéro-postérieur.
- Mont paire de cordes vocales sur le tube d'alimentation d'air.
- Attachez les fils antérieure pour former une boucle. Répétez l'opération pour les fils postérieur. Accrochez poids désiré sur les boucles simultanément.
- Les modèles sont maintenant prêts pour les tests et la collecte des données.
4. Les résultats représentatifs
Données de réponse vibratoire d'un modèle créé en utilisant ce procédé de fabrication sont les suivants; ces résultats sont typiques. Avec une tension d'environ 31 g appliquée sur les fibres, la pression était survenue 400 Pa. A une pression sous-glottique de 10% supérieure à la pression survenue (440 Pa), le modèle vibré à 115 Hz. avec un débit de 210 ml de glotte / s. Ces valeurs sont en bon accord avec les valeurs déclarées pour ceux d'entre les humains (tableau 3). L'utilisation à grande vitesse pour analyser le mouvement videokymography modèle a montré des preuves d'une différence de phase entre le supérieur unemarges inférieures ème, c'est à dire, la marge supérieure dissimulée au bord inférieur lors de la phase ouverte de la période de vibration (Fig. 3). Trajectoires extraites des images stéréo des points appliqués à la surface médiale et inférieure du modèle des cordes vocales ont montré que le modèle montré une alternance convergente-divergente de profil qui est typique de la phonation humaine, une muqueuse comme une vague de mouvement, et une baisse inférieure- mouvements supérieurs que dans les modèles précédents (fig. 4).
Tableau 1. Les valeurs des paramètres du modèle géométrique.
Tableau 2. Rapports de mélange en poids et le module de Young résultant des différentes sections du modèle des cordes vocales. EF et DS désigner de silicone fabriqués à partir de peau de dragon et Ecoflex, Respectivement 14.
Tableau 3. Comparaison entre les humains et synthétiques cordes vocales réponses vibratoires.
Figure 1. Vocaux synthétique processus de fabrication de double modèle. CAD dérivés des modèles solides (panneau de gauche) sont utilisés pour créer des moules (panneau central) pour chaque couche. Chaque couche est ensuite coulé, en commençant par la couche de corps et se terminant avec la couche épithélium (panneau de droite, avec chaque couche "épluché" pour la visibilité). Après la fabrication, les modèles sont montés sur des plaques acryliques pour les tests.
Figure 2. Synthétique vocales section croisée en modèle. Organisme distinct, la lamina propria superficielle, ligcouches Ament, et l'épithélium sont affichés. Paramètres définissent la géométrie du modèle vocales pli. Ce chiffre est réduit à la représentation claire des définitions géométriques. Application de la valeur des paramètres donnés dans le tableau 1 se traduira par une forme légèrement différente que ce qui est montré ici.
Figure 3. Haute vitesse de vibration kymogram modèle. Les estimations pour l'emplacement des marges supérieures et inférieures sont indiquées dans les lignes pointillées de couleur. Les différences de phase entre les marges inférieure et supérieure sont évidents.
Figure 4. Profil de la surface médiale de la synthèse du modèle des cordes vocales dans un arrangement hémilarynx, capturé à deux instances différentes de temps tout en vibrant. Marqueurs d'encre ont été placés sur la face médiale (en tant que shpropres à l'image de droite), imagé en utilisant deux synchronisée des caméras haute vitesse, et suivis au cours du cycle vibratoire. Le complot de gauche montre une glotte convergente pendant la phase d'ouverture et le graphique de droite montre une glotte divergentes lors de la phase de clôture.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ce procédé de fabrication des cordes vocales synthétiques rendements modèles des modèles qui montrent un comportement vibratoire semblable à celui des cordes vocales humaines. Les résultats concept multi-couche dans des avantages significatifs par rapport aux précédentes conceptions de modèle à une et deux couches 3,6,8,15, en termes de pression survenue réduite et le mouvement modèle amélioré (convergente-divergente profil pendant l'oscillation, la muqueuse onde comme le mouvement , et réduit les déplacements inférieurs supérieure). La méthode présentée ici est démontrée sur un modèle un peu idéalisé en termes de géométrie, mais elle peut être appliquée à des modèles avec des géométries différentes. Par exemple, un modèle basé sur des données d'imagerie humaine géométriques (par exemple, l'IRM 17, CT) pourrait être fabriqué en utilisant cette méthode. De plus, ce concept processus de fabrication peuvent trouver des applications dans des domaines de recherche d'autres dans lesquels circulent les vibrations induites et / ou des couches multiples de matériaux mous sont des éléments centraux, par exemple, les enquêtes sur les flux dans les vaisseaux sanguins, du sommeil APla locomotion de l'AEN, et l'animal (en particulier la natation et vol).
Le modèle décrit ici a quelques limitations qui pourraient être des sujets de recherche et de développement futurs. Les matériaux ont des caractéristiques linéaires de réponse contrainte-déformation, et une amélioration future anticipée comprend l'incorporation de non linéaire contrainte-déformation des matériaux. Utiliser des ressources biologiques plutôt que des matières synthétiques dans ce processus de fabrication est également possible. En raison de l'extrême souplesse de la couche lamina propria, le modèle est moins robuste que les précédentes en vibration d'une ou deux couches de modèles. Cependant, le maintien de la pression sous-glottique sous environ 1 kPa et parfois l'application de poudre de talc afin de minimiser l'adhérence de surface devrait permettre au modèle d'être utilisé pour des durées de l'ordre de jour avec des changements minimes dans le comportement du modèle, généralement bien supérieurs à ceux possibles en utilisant larynx excisé.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Les auteurs n'ont rien à révéler.
Acknowledgments
Les auteurs remercient Subventions R03DC8200, R01DC9616 et R01DC5788 de l'Institut national sur la surdité et autres troubles de communication pour appuyer le développement du modèle de synthèse.
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).
