Summary
Metoden til fabrikere syntetisk vokal fold modeller er beskrevet. Modellerne er i naturlig størrelse og efterligne den multi-lag strukturen af den menneskelige vokal folder. Resultaterne viser, at modellerne selv svinge ved tryk kan sammenlignes med lunge-tryk og viser flow-induceret vibrerende reaktioner, der ligner dem af menneskelig vokal folder.
Abstract
Lyd for den menneskelige stemme er produceret via flow-induceret vokal fold vibrationer. Den vokal folder består af flere lag af væv, som hver har forskellige materialeegenskaber 1. Normal stemme produktion er afhængig af sunde væv og vokal folder, og forekommer som et resultat af komplekse kobling mellem aerodynamiske, strukturelle dynamiske og akustiske fysiske fænomener. Voice lidelser påvirke op til 7,5 millioner om året i USA alene 2 og ofte resultere i betydelige økonomiske, sociale og andre kvalitets-of-life problemer. Forståelse fysik stemmen produktionen har potentiale til at være til stor gavn stemme pleje, herunder klinisk forebyggelse, diagnosticering og behandling af stemmen lidelser.
Eksisterende metoder til at studere stemme produktion omfatter in vivo eksperimenter ved hjælp af menneskers og dyrs fag, in vitro-eksperimenter med skåret larynges og syntetiske modeller, og beregningsmæssige modelIng. På grund af farlige og vanskelige instrument adgang, er in vivo eksperimenter stærkt begrænset omfang. Fjernet strubehovedet eksperimenter har gavn af anatomiske og nogle fysiologiske realisme, men parametrisk undersøgelser med geometriske og materielle værdier variable er begrænsede. Desuden er de typisk kun kunne vibreres for relativt kort tid (typisk i størrelsesordenen minutter).
Overvinde nogle af de begrænsninger fjernet strubehovedet eksperimenter, er syntetiske vokal fold modeller fremstår som et supplerende værktøj til at studere stemme produktion. Syntetisk modeller kan fremstilles med systematiske ændringer i geometri og materialeegenskaber, der giver mulighed for studiet af sunde og usunde mennesker phonatory aerodynamik, strukturelle dynamik og akustik. For eksempel har de været brugt til at studere venstre-højre vokal fold asymmetri 3,4, klinisk instrument udvikling 5, laryngeal aerodynamik 6-9, VOCAl fold kontakt tryk 10, og subglottal akustik 11 (en mere omfattende liste kan findes i Kniesburges et al. 12)
Eksisterende syntetisk vokal fold modeller har dog enten været homogene (et-lags modeller) eller er blevet fremstillet ved hjælp af to materialer med forskellig stivhed (to-lags modeller). Denne fremgangsmåde giver ikke mulighed for repræsentation af den aktuelle multi-lag strukturen af den menneskelige vokal folder 1, der spiller en central rolle i for vokal fold flow-induceret vibrerende respons. Derfor, en-og to-lags syntetisk vokal fold modeller har udstillet ulemper 3,6,8 såsom højere debut tryk, end hvad der er typiske for den menneskelige phonation (debut trykket er det mindste lunge presset forpligtet til at indlede vibration), unaturligt store underlegen- overlegen bevægelse, og mangel på en "slimhinde-bølge" (en vertikalt rejse bølge, som er karakteristisk for sund menneskelig vokal fold vibration).
Protocol
Fremstilling sekvens (se fig. 1) består i at gøre forme til vokal fold model lag, sekventielt støbning silikone lag, og montering af modeller til test. Modellen har fire forskellige lag: krop, ledbånd, overfladiske lamina propria, og epitel, ud over en enkelt fiber. En opbakning lag er tilføjet for at lette den nøjagtige placering af de enkelte lag til den vokale fold model. Modellen geometriske parameter definitioner er vist i Fig. 2, med parameter værdier for den nuværende model er angivet i tabel 1. I de følgende afsnit, er forskellige silikone blandingsforhold er angivet for de forskellige lag, og disse producerer materiale egenskaber, der svarer til dem rapporteret for menneskelige vokal fold væv i den lille stamme regimet 13 (se tabel 2).
1. Mold fabrikation og forberedelse
- Opret solide modeller af tre vokal fold lag: Superficial lamina propria, ledbånd, og krop lag. Dette gøres typisk ved at skabe 3D Computer Aided Design (CAD) modeller med de ønskede geometrier, eksportere CAD-modeller som stereolitografi (STL) filer, og sende STL filer til en brugerdefineret maskine shop for rapid prototyping.
- Opret en kasseformet mug formularen ved hjælp af tynde stykker akryl materiale. Omtrentlige dimensioner (ikke kritisk) er 2,54 cm høj × 5,72 cm bredt × 6,35 cm dyb. Gør bunden af formularen ved at tilslutte den til en flad akryl plade. Seal alle indvendige kanter med vakuum fedt.
- Læg en lille mængde af vakuum fedt på den laterale side af solid model af ønskede geometri (dvs. kroppen, ledbånd, eller den overfladiske lamina propria). Tryk model i bunden af mug formular hulrum, vakuum fedt nedad, så vakuum fedt holder den del på plads. Liberalt pels mug form og solid model med slipmiddel. Ved hjælp af en malerpensel, sikre slipmiddel rækker ind i alle hjørner afformen formularen hulrum.
- Bland 10 dele A og en del B i Smooth-Sil 950 platin silikonegummi (dele målt i vægt) i en beholder, der er tilstrækkelig plads til ekspansion. For at fjerne luftbobler sted skimmel form med uhærdet silikone gummi i et vakuumkammer og reducere trykket (f.eks, at omkring 26 inches Hg lavere end atmosfærisk tryk) i cirka tre minutter (eller mere eller mindre efter behov). Fjern afgasset silikone fra kammeret og hældes i forme form, hulrum. Placer form med uhærdet silikone ind i vakuumkammer og udluftes igen. Fjern fra vakuumkammer og læg dem på plan overflade. Lad det hærde i 24 timer og fjerne mug fra mug form.
- Gentag trin 1.1 til og med 1,4 til lave forme til hver af de overfladiske lamina propria, ledbånd, og krop lag.
- Skær ledbånd lag mug i centrum af den mediale overflade i anterior-posterior retning med en lige barberkniv at give mulighed for fiber indføring.
2. Casting of hvert lag
- Krop Layer: Påfør tyndt lag slipmiddel til kroppen forme hulrum med pensel. Bland en del B og en del A i Ecoflex 00-30 Supersoft Platinum Silicone (efter vægt). Tilføj en del Silicone Fortynder (efter vægt) for at reducere den eventuelle helbredt stivhed af materialet. Bland sammen i 30 sekunder og plads i vakuumkammer et minut for at fjerne indfanget luft. Tag blandingen fra vakuum og hæld i kroppen formen hulrum, men ikke fylde til toppen af hele formen hulrum. Sted i ovnen ved 250 ° F i 30 minutter. Fjern fra ovnen og afkøles.
- Bagside: Bland en del B og én del A af Dragon Hud og tilsæt en del Silicone Fortynder (efter vægt). Bland kraftigt i 30 sekunder, sted i vakuum i 1 minut, og hæld i kroppen formen hulrum, indtil fuld. Sted i ovnen ved 250 ° F i 30 minutter. Fjern mug fra ovnen og afkøles. Fjern model fra skimmelsvamp, afkoeles til stuetemperatur, og fjern eventuelle slipmiddel på overfladen afkroppen lag med køkkenrulle.
- Ledbånd Layer: Påfør tyndt lag slipmiddel på ledbånd formen hulrum overflade med pensel. Placer en 30 cm tråd i formen ved at skubbe den ind i snit fra den lige barbermaskine. Blandes grundigt én del B og én del A i Ecoflex 00-30 og fire dele af silikone Fortynder (efter vægt). Sted i vakuum kammer for at fjerne luftbobler og hæld blandingen i ledbånd mug hulrum.
- Ledbånd Layer (fortsat): Tryk body-backing-model (fra trin 2.1.1 og 2.1.2) ind i ledbånd formen hulrum. Begynd indsættelse på den ene side og forsigtigt flytte til den anden, så at modellen skubber Overskydende uhærdet silikone og luftboblerne ud af formen hulrum. Hvis der er luftbobler, skal du fjerne modellen fra formen hulrum, refill med uhærdet silikone, og gentag trykke modellen i formen. Placer skimmel i ovnen i 30 minutter, fjerne, og afkøles til stuetemperatur. Fjern model fra mug. Fjern overskydende slipmiddel med køkkenrulle.
- Overfladiske Lamina propria Layer: Påfør tyndt lag slipmiddel på superifical lamina propria (SLP) skimmelsvamp hulrum overflade med pensel. Bland en del B, en del A i Ecoflex 00-30, og 8 dele Silicone Fortynder efter vægt. Støvsug som udført tidligere, og hæld SLP mug hulrum. Brug den samme proces, der er beskrevet i Trin 2.1.4 at indsætte ligament-kroppen-opbakning model i overfladiske lamina propria mug hulrum. Sted i en ovn ved 250 ° F og helbredelse for en time. Fjern fra ovnen og lad den afkøle. Fjern model langsomt og med største omhu, så den overfladiske lamina propria forbliver intakt.
- Epitel lag: Læg vokal fold model på en plan overflade med bagsiden nedad. Fjern support materiale med en lige barberkniv. Suspendér tråde i luften ved at knytte dem til et objekt af større højde end modellen. Bland en del B og en del A af Dragon Hud med en del af silikone Tyndere, mix, vakuum, så hæld det over-modellen og lad hærde i dene time. Gentag processen for at skabe et tykkere lag. Fjern overskydende materiale med en lige barberkniv.
- Valgfrit: Hvis hver lag man ønsker at være en anden farve (for synlige inspektion af forskellige lag), tilføje farvestof til del B af enten Ecoflex eller Dragen hud under blandeprocessen.
- Valgfrit: Hvis materialet ejendom data vil blive indsamlet, skabe træk-og rheologiske prøver samtidig med fabrikation af hver model lag. Gør dette ved at hælde ekstra uhærdet materiale i slipmiddel behandlet forme af ønskede materiale ejendom prøven form og størrelse.
- Valgfrit: Hvis målinger af lagtykkelse ønskes, skæres et tværsnit af modellen med en lige barberkniv og inspicere med mikroskop.
3. Endelige model forberedelse til test
- Mount hver afsluttet vokal fold model i en akryl monteringsplade ved først at anvende et tyndt lag silikone lim på bagsiden (lateral) og side (ennterior-posterior) model overflader. Indsæt model i forsænket nedskæring på monteringsplade. Juster modellen mediale overflade med toppen af akryl pladen. Tør overskydende lim. Lad limen hærde i en time.
- Anvende talkum pulver til den model overflade for at mindske overfladen klæbrighed.
- For mediale overflade sporing bruge en fin-punkt Sharpie pen til at markere prikker på modellen. De bedste resultater forekomme, hvis mærkningen sker efter påføring af talkum pulver.
- Placer lange bolte gennem hullerne i monteringsplade med gevind peger mod den model, som den nuværende model vil blive parret. Læg trådene over boltene. Put lukket celle skum over boltene at lukke eventuelle luftspalter.
- Par dette forberedt model med en anden vokal fold model, der har været tilsvarende monteret på en akryl indehaveren ved hjælp af trin 3.1 og 3.2. Stram skruerne til at komprimere skum og bringe den mediale flader sammen, indtil ønsket pre-vibrerende kløften er nået. Sørg for begge sæt af tråde er placeret ovis boltene og udvide udad fra akrylplader i anterior-posterior retning.
- Mount vokal fold par på lufttilførslen tube.
- Tie de forreste tråde sammen for at danne en løkke. Gentag for den bageste tråde. Hang ønskede vægt på loops på samme tid.
- Modeller er nu klar til test og dataindsamling.
4. Repræsentative resultater
Vibrerende respons data fra en model, skabt ved hjælp af denne fabrikation proces er som følger; disse resultater er typiske. Med spænding på ca 31 g anvendes til fibre, blev starten presset 400 Pa På et subglottal tryk på 10% over debut tryk (440 Pa), modellen vibreret på 115 Hz med et stød flowhastighed på 210 ml / s. Disse værdier er i god overensstemmelse med værdier rapporteret for de mennesker (tabel 3). Ved hjælp af high-speed videokymography at analysere modellen bevægelse viste tegn på en fase forskel mellem den overlegne ennd ringere margener, dvs overlegen margin skjulte ringere margen under den åbne fase af vibrationer periode (Fig. 3). Baner udvundet fra stereo billeder af prikker anvendes på mediale og ringere overflader vokal fold model viste, at den model, der udstillede en skiftende konvergent-afvigende profil, der er typisk for menneskelig phonation, en slimhinde bølge-lignende bevægelse, og en lavere underlegen- overlegen bevægelse end i tidligere modeller (Fig. 4).
Tabel 1. Model geometriske parameter værdier.
Tabel 2. Blanding nøgletal i vægt og deraf følgende Youngs modul på de enkelte dele af den vokale fold model. EF og DS udpege silikone fremstillet af Ecoflex og Dragon SkinHenholdsvis 14.
Tabel 3. Sammenligning mellem menneske og syntetiske vokal fold vibrerende svar.
Figur 1. Syntetisk vokal fold model produktionsprocessen. CAD-afledte solide modeller (venstre panel) bruges til at skabe støbeforme (center panel) for hvert lag. Hvert lag er derefter støbt, begyndende med kroppen lag og slutter med epitel lag (højre panel, hvor hvert lag "skrællede tilbage" for synlighed). Efter fremstilling, er modeller monteret med akrylplader til test.
Figur 2. Syntetisk vokal fold model tværsnit. Udpræget fylde, overfladiske lamina propria, LigAment og epitel lag er vist. Parametre definere vokal fold model geometri. Dette tal er skaleret for klare repræsentation af geometriske definitioner. Anvendelse af parameter værdierne i tabel 1 vil resultere i en lidt anderledes form end hvad der vises her.
Figur 3. High-speed kymogram af model vibrationer. Skøn for placeringen af den overlegne og underlegne margener er vist i farvet stiplede linjer. Fase forskelle mellem de ringere og bedre marginer er indlysende.
Figur 4. Medial overflade profilen af syntetiske vokal fold model i en hemilarynx arrangement, fanget på to forskellige forekomster af tid, mens vibrerende. Blæk markører blev placeret på den mediale overflade (som shselv i det rigtige billede), afbildet med to synkroniserede high-speed kameraer, og sporede over vibrerende cyklus. Det venstre plot viser en konvergerende glottis under åbningen fase og den rigtige plot viser en divergerende glottis under den afsluttende fase.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne metode til at opdigte syntetisk vokal fold modeller udbytter modeller, der udviser vibrerende adfærd, der svarer til menneskets vokal folder. Den multi-lag koncept resulterer i betydelige fordele i forhold til tidligere en-og to-lags model designs 3,6,8,15, i form af reducerede debut pres og forbedret model bevægelse (konvergent-afvigende profil under svingning, slimhinde bølge-lignende bevægelse , og reduceret ringere overlegen forskydning). Metoden præsenteres her er demonstreret på en noget idealiseret model med hensyn til geometri, men den kan anvendes på modeller med forskellige geometrier. For eksempel kunne en model baseret på menneskelige imaging geometriske data (f.eks MRI 17, CT) være fremstillet ved hjælp af denne metode. Derudover kan denne produktionsprocessen koncept finde anvendelse i andre forskningsområder, hvor flow-induceret vibrationer og / eller flere lag af bløde materialer er centrale elementer, fx undersøgelser af flow gennem blodkar, søvn APnea, og dyrs bevægelse (især svømning og flyvende).
Den beskrevne model har visse begrænsninger, der kunne være emner for fremtidig forskning og udvikling. Materialerne er lineære stress-strain respons egenskaber, og en forventet fremtidig forbedring omfatter inkorporering af ulineære stress-strain materiale. Anvendelse af biologisk snarere end syntetiske materialer i denne fremstilling proces er også muligt. På grund af den ekstreme fleksibilitet i lamina propria lag, er modellen mindre robuste under vibrationer end tidligere en-og to-lags modeller. Dog bør holde subglottal trykket under ca 1 kPa og lejlighedsvis anvende talkum pulver for at minimere overflade, vedhæftning giver mulighed for den model, der skal bruges til varigheder på rækkefølgen af dage med minimale ændringer i modellen adfærd, typisk langt overgår dem, muligt ved hjælp af fjernet larynges.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne takker Tilskud R03DC8200, R01DC9616, og R01DC5788 fra National Institute on Døvhed og andre kommunikations-lidelser for støtte af syntetisk model udvikling.
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).
