Summary
De methodologie voor het vervaardigen van synthetische stemplooi modellen is beschreven. De modellen zijn levensgroot en na te bootsen van de multi-layer structuur van de menselijke stemplooien. De resultaten tonen de modellen om zelf oscilleren bij een druk die vergelijkbaar zijn met long-druk-en flow-geïnduceerde vibrerende antwoorden die vergelijkbaar zijn met die van de menselijke stemplooien aan te tonen.
Abstract
Geluid voor de menselijke stem wordt geproduceerd via flow-geïnduceerde stemplooi trilling. De stemplooien bestaan uit meerdere lagen van weefsel, elk met verschillende eigenschappen van het materiaal 1. Normaal gesproken de productie is gebaseerd op gezond weefsel en stemplooien, en optreedt als gevolg van complexe koppeling tussen de aërodynamische, structurele dynamische en akoestische fysische verschijnselen. Stemstoornissen jaarlijks op van invloed zijn tot 7,5 miljoen in de Verenigde Staten alleen al 2 en leiden vaak tot aanzienlijke financiële, sociale en andere kwaliteit van leven moeilijkheden. Inzicht in de fysica van de stem de productie heeft de potentie om veel baat stem zorg, inclusief de klinische preventie, diagnose en behandeling van stemstoornissen.
Bestaande methoden voor het bestuderen van de productie stem op te nemen in vivo experimenten met menselijke en dierlijke onderwerpen, in vitro experimenten met behulp van weggesneden larynges en synthetische modellen en computationele modelIng. Vanwege de gevaarlijke en moeilijke toegang tot instrument, worden in vivo experimenten ernstig beperkt in omvang. Weggesneden strottenhoofd experimenten hebben het voordeel van de anatomische en fysiologische sommige realisme, maar parametrische studies waarbij geometrische en materiële goederen variabelen zijn beperkt. Verder zijn ze meestal alleen kunnen worden getrild voor relatief korte periodes (meestal in de orde van minuten).
Het overwinnen van een aantal van de beperkingen van weggesneden strottenhoofd experimenten, zijn synthetische stemplooi modellen in opkomst als een aanvullend instrument voor het bestuderen van spraak productie. Synthetische modellen kunnen worden vervaardigd met de systematische veranderingen in geometrie en materiaaleigenschappen, waardoor voor de studie van gezonde en ongezonde mensen phonatory aerodynamica, structurele dynamica en akoestiek. Zo hebben ze gebruikt om links-rechts stemplooi studie asymmetrie 3,4, de klinische ontwikkeling instrument 5, larynx aerodynamica 6-9, vocAl vouw contact druk van 10 en subglottal akoestiek 11 (een uitgebreidere lijst is te vinden in Kniesburges et al.. 12)
Bestaande synthetische stemplooi modellen, echter, zijn ofwel homogene (een-laags modellen) of zijn vervaardigd met behulp van twee materialen met verschillende stijfheid (twee-laags modellen). Deze aanpak staat niet toe voor de weergave van de werkelijke multi-layer structuur van het menselijk stemplooien een die een centrale rol in het bestuur van stemplooi flow-geïnduceerde vibratie response speelt. Bijgevolg, een-en twee-laags synthetisch stemplooi modellen hebben getoond nadelen 3,6,8 zoals een hogere druk ontstaan dan zijn typisch voor de menselijke fonatie (begin druk is de minimum long druk nodig is om trillingen te starten), onnatuurlijk grote inferieure- superieure beweging, en het ontbreken van een "mucosale wave" (een verticaal lopende golf die kenmerkend is voor gezonde menselijke stemplooi trilling).
Protocol
De fabricage volgorde (zie afb. 1.) Bestaat uit het maken van mallen voor de stembanden model lagen, opeenvolgend gieten siliconen lagen, en het monteren van de modellen voor het testen. Het model heeft vier verschillende lagen: het lichaam, ligament, oppervlakkige lamina propria, en epitheel, in aanvulling op een enkele vezel. Een steunlaag is toegevoegd aan de nauwkeurige plaatsing van de individuele lagen te vergemakkelijken van de stemplooi model. Het model geometrische parameter definities zijn weergegeven in Fig. 2, met parameter waarden voor het huidige model in tabel 1. In de volgende paragrafen worden verschillende siliconen mengverhoudingen opgegeven voor de verschillende lagen, deze produceren materiaal eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die gerapporteerd zijn voor menselijke stembanden weefsel in de dunne stam regime 13 (zie tabel 2).
1. Mold fabricage en voorbereiding
- Maak een solide modellen van drie stemplooi lagen: Superficial lamina propria, ligament, en het lichaam lagen. Dit wordt meestal gedaan door het creëren van 3D computer-aided design (CAD)-modellen met de gewenste geometrie, het exporteren van de CAD-modellen als stereolithografie (STL) bestanden en het verzenden van de STL bestanden naar een aangepaste machine shop voor rapid prototyping.
- Maak een box-vormige mal vorm met behulp van dunne stukjes acryl materiaal. Geschatte afmetingen (niet kritisch) zijn 2,54 cm hoog x 5,72 cm breed x 6,35 cm diep. Maak de onderkant van het formulier door vast te houden aan een vlakke plaat acrylaat. Dicht alle binnenranden met vacuüm vet.
- Plaats een kleine hoeveelheid vacuüm vet op de zijkant van de solid model van de gewenste geometrie (dat wil zeggen, het lichaam, het ligament of de oppervlakkige lamina propria). Druk op het model in de onderkant van schimmel vorm holte, vacuüm vet naar beneden, zodat het vacuüm vet het onderdeel op zijn plaats houdt. Royaal vacht schimmel vorm en solide model met lossingsmiddel. Met behulp van een kwast, zorg lossingsmiddel reikt tot in alle uithoeken vande mal vorm holte.
- Mix 10 delen A en een deel B van Smooth-Sil 950 platinum silicone rubber (delen gemeten door het gewicht) in een container die voldoende ruimte voor uitbreiding is. Om luchtbellen te plaatsen mal vorm te verwijderen met niet uitgeharde siliconen rubber in een vacuümkamer en verminderen de druk (bijvoorbeeld tot circa 26 cm Hg onder atmosferische druk) gedurende ongeveer drie minuten (of meer of minder als nodig). Verwijder ontgast siliconen uit kamer en giet het geheel in vorm vorm holte. Plaats mal met niet uitgeharde siliconen in de vacuümkamer en ontgas opnieuw. Verwijderen uit vacuümkamer en plaats op een vlakke ondergrond. Laten uitharden 24 uur en schimmel te verwijderen uit mal te vormen.
- Herhaal stap 1.1 tot 1.4 te mallen maken voor elk van de oppervlakkige lamina propria, ligament, en het lichaam lagen.
- Snijd ligament laag schimmel in het midden van de mediale oppervlak in de anterior-posterior richting met een scheermes om voor vezels inbrengen.
2. Casting of elke laag
- Body laag: Breng dunne laag lossingsmiddel aan het lichaam matrijsholte met kwast. Meng een deel B en een deel A van Ecoflex 00-30 Superzachte Platinum Siliconen (in gewicht). Voeg een deel Silicone Thinner (per gewicht) tot de uiteindelijke genezen stijfheid van het materiaal te verminderen. Meng gedurende 30 seconden en plaats in de vacuümkamer een minuut uit om ingesloten lucht te verwijderen. Verwijder mengsel van vacuüm en giet in het lichaam matrijsholte, maar niet invullen naar de top van de gehele vormholte. Plaats in de oven bij 250 ° C gedurende 30 minuten. Haal uit de oven en laat afkoelen.
- Drager: Meng een deel B en een deel A van Dragon Skin en voeg een deel Silicone Thinner (in gewicht). Meng krachtig gedurende 30 seconden, plaats in vacuüm gedurende 1 minuut, en giet in het lichaam matrijsholte tot de volledige. Plaats in de oven bij 250 ° C gedurende 30 minuten. Verwijder de mal uit de oven en laat afkoelen. Verwijderen model van schimmels, laat afkoelen tot kamertemperatuur en verwijder alle antikleefmiddel op het oppervlak vanhet lichaam laag met een papieren handdoek.
- Ligament laag: Breng dun laagje lossingsmiddel op ligament matrijsholte oppervlak met kwast. Plaats een 30 cm draad in de mal door te duwen in de uitsparing van de rechte scheermes. Goed mengen een deel B en een deel A van Ecoflex 00-30 en de vier delen van Silicone Thinner (in gewicht). Plaats in de vacuümkamer om luchtbellen te verwijderen en giet het mengsel in ligament vormholte.
- Ligament Layer (vervolg): Druk op body-back-model (van Steps 2.1.1 en 2.1.2) in de ligament vormholte. Begin plaatsing aan de ene kant en voorzichtig, zodat verplaatsen naar de andere dat het model het eigen risico niet uitgeharde siliconen en luchtbellen uit de vormholte duwt. Als er luchtbellen aanwezig zijn, verwijder dan het model van de vormholte, opnieuw vullen met niet-uitgeharde silicone, en herhaal de druk op het model in de mal. Plaats vorm in de oven gedurende 30 minuten, verwijder en laat afkoelen tot kamertemperatuur. Verwijderen model van schimmels. Verwijder overtollig lossingsmiddel met keukenpapier.
- Oppervlakkige Lamina Propria laag: Breng dun laagje lossingsmiddel op superifical lamina propria (SLP) matrijsholte oppervlak met kwast. Meng een deel B, een deel A van de Ecoflex 00 tot 30, en 8 delen Silicone Thinner gewicht. Vacuüm, zoals eerder gedaan en giet het in SLP vormholte. Gebruik dezelfde procedure beschreven in stap 2.1.4 van de ligament-body-back-model in te voegen in de oppervlakkige lamina propria vormholte. Plaats in een oven bij 250 ° F en genezing voor een uur. Haal uit de oven en laat afkoelen. Verwijder model langzaam en met uiterste zorg, zodat de oppervlakkige lamina propria blijft intact.
- Epitheel laag: Plaats stemplooi-model op een vlakke ondergrond met de steun naar beneden. Verwijder dragermateriaal met een scheermes. Suspend draden in de lucht door ze een object van grotere hoogte dan het model. Meng een deel B en een deel A van Dragon Skin met een deel van Silicone Thinner, mix, vacuüm, en giet dan over het model en laten uitharden ope uur. Herhaal dit proces tot een dikkere laag te creëren. Verwijder overtollig materiaal met een scheermes.
- Optioneel: Als elke laag gewenst is om een andere kleur (voor de visuele inspectie van de verschillende lagen) worden, kleurstof toe te voegen aan deel B van ofwel de Ecoflex-of Dragon Skin tijdens het mengproces.
- Optioneel: Als materiële goederen gegevens worden verzameld, tegelijkertijd maken trek-en rheologische exemplaren met een productie van elk model laag. Doe dit door het gieten van extra niet-uitgehard materiaal in lossingsmiddel behandelde vormen van de gewenste materiële goederen monster vorm en grootte.
- Optioneel: Als metingen van de laagdikte gewenst zijn, snijd een dwarsdoorsnede van het model met een scheermes en inspecteren met een microscoop.
3. Uiteindelijke model voorbereiding voor het testen van
- Mount elke voltooide stemplooi model in een kunststof montageplaat door eerst het aanbrengen van een dunne laag van siliconen lijm op de achterkant (laterale) en kant (eennterior-posterior) model oppervlakken. Steek model in verzonken verlaging van montageplaat. Lijn de model mediale oppervlak met de bovenkant van de acryl plaat. Veeg overtollige lijm. Laat lijm om uit te harden voor een uur.
- Van toepassing talkpoeder om het model oppervlak aan de oppervlakte kleverigheid te verminderen.
- Voor de mediale oppervlak tracking met een fijne punt Sharpie pen te stippen op het model te onderstrepen. De beste resultaten ontstaan als markering wordt gedaan na het aanbrengen van talkpoeder.
- Plaats lange bouten door gaten van de montageplaat met de draadeinden de richting van het model waarop het bestaande model zal worden gekoppeld. Leg discussies over de bouten. Zet gesloten cel schuim over de bouten om de lucht te dichten.
- Koppel dit voorbereid model met een andere stemplooi model dat op soortgelijke wijze is gemonteerd op een acryl houder met behulp van de stappen 3.1 en 3.2. Draai de schroeven aan het schuim te comprimeren en bij elkaar te brengen van de mediale oppervlakken tot het verlangen pre-trilling gap is bereikt. Zorg ervoor dat beide sets van draden worden ov geplaatstER de bouten en naar buiten uit de acrylaat platen in de anterior-posterior richting uit te breiden.
- Mount stemplooi paar op luchttoevoer buis.
- Bind de voorste draden om een lus te vormen. Herhaal dit voor het achterste draden. Hang gewenste gewicht op de lussen tegelijk.
- Modellen zijn nu klaar voor het testen en het verzamelen van gegevens.
4. Representatieve resultaten
Vibrerende reactie van gegevens van een model gemaakt met behulp van dit fabricageproces zijn als volgt: deze resultaten zijn kenmerkend. Met een spanning van ongeveer 31 g toegepast op de vezels, het begin druk was 400 Pa Bij een subglottal druk van 10% boven het begin druk (440 Pa), het model in trilling gebracht bij 115 Hz met een glottale debiet van 210 ml / s. Deze waarden zijn in goede overeenstemming met de waarden gerapporteerd voor die van de mens (tabel 3). Met behulp van high-speed videokymography naar model motion te analyseren bleek het bewijs van een faseverschil tussen de superieure eennd inferieure marges, dat wil zeggen, de superieure marge verborgen de inferieure marge tijdens de open fase van de trilling periode (afb. 3). Trajecten gewonnen uit stereo-beelden van de stippen aangebracht op de mediale en inferieure oppervlakken van de stemplooi model bleek dat het model een afwisselend convergent-divergente profiel dat typisch is voor de menselijke fonatie, een mucosale wave-achtige beweging, en een lagere tentoongesteld inferieure- superieure beweging dan in de vorige modellen (afb. 4).
Tabel 1. Model geometrische parameterwaarden.
Tabel 2. Mengsel verhoudingen van het gewicht en de daaruit voortvloeiende Young's modulus van de afzonderlijke secties van de stemplooi model. EF en DS aan te wijzen siliconen gemaakt van Ecoflex en Dragon Skin, Respectievelijk 14.
Tabel 3. Vergelijking tussen de menselijke en synthetische stemplooi trilling reacties.
Figuur 1. Synthetic stemplooi model fabricageproces. CAD-afgeleide massieve modellen (linker paneel) worden gebruikt om schimmels (midden paneel) te maken voor elke laag. Elke laag wordt dan gegoten, te beginnen met het lichaam laag en eindigend met het epitheel laag (rechterkant van het scherm, waarbij elke laag "geschild back" voor de zichtbaarheid). Na de fabricage van zijn modellen gemonteerd op acrylaat platen voor het testen.
Figuur 2. Synthetic stemplooi model doorsnede. Verschillende body, oppervlakkige lamina propria, ligAment, en epitheel lagen worden weergegeven. Parameters definiëren stemplooi model geometrie. Dit cijfer wordt geschaald voor heldere weergave van geometrische definities. De toepassing van de parameter waarden gegeven in tabel 1 zal resulteren in een iets andere vorm dan wat hier getoond.
Figuur 3. High-speed kymogram van het model trillingen. Schattingen voor de locatie van de superieure en inferieure marges worden weergegeven in gekleurde gestippelde lijnen. Faseverschillen tussen de lagere en hogere marges zijn evident.
Figuur 4. Mediaal oppervlak profiel van synthetische stemplooi model in een hemilarynx arrangement, gevangen op twee verschillende instanties van de tijd tijdens het trillen. Inkt markers werden geplaatst op de mediale oppervlak (als shzelf in de juiste afbeelding), afgebeeld met twee gesynchroniseerde high-speed camera's en bijgehouden over de vibratie cyclus. De linker grafiek toont een convergente glottis tijdens de opening fase en de juiste plot geeft grafisch weer een afwijkende glottis tijdens de afsluitende fase.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Deze methode van fabriceren synthetische stemplooi modellen levert modellen die vibrerende gedrag lijkt op dat van de menselijke stemplooien vertonen. De multi-layer concept resulteert in aanzienlijke voordelen ten opzichte van eerdere een-en twee-lagen model ontwerpen 3,6,8,15, in termen van verminderde het begin druk en verbeterde model beweging (convergent-divergente profiel tijdens de oscillatie, mucosale wave-achtige beweging , en een verminderde inferieur superieur verplaatsing). De methode hier wordt gepresenteerd is gedemonstreerd op een enigszins geïdealiseerd model in termen van de geometrie, maar het kan worden toegepast op modellen met verschillende geometrieën. Kan bijvoorbeeld een model gebaseerd op de menselijke beeldvorming geometrische gegevens (bijvoorbeeld MRI-17, CT), worden vervaardigd met behulp van deze methode. Bovendien kan deze fabricageproces begrip vinden toepassing in andere onderzoeksdomeinen waarin stroming geïnduceerde trillingen en / of meerdere lagen van zachte materialen zijn centrale elementen, bijvoorbeeld onderzoek van de stroming door de bloedvaten, slapen apnea, en dierlijke motoriek (vooral zwemmen en vliegen).
Het hier beschreven model heeft een aantal beperkingen die kunnen worden onderwerpen voor toekomstig onderzoek en ontwikkeling. De materialen zijn lineaire spanning-rek respons eigenschappen, en de verwachte toekomstige verbetering omvat de integratie van niet-lineaire spanning-rek materialen. Gebruik van biologische in plaats van synthetische materialen in dit fabricageproces is ook mogelijk. Omwille van de extreme flexibiliteit van de lamina propria laag, het model is minder robuust onder trillingen dan de vorige een-en twee-laags modellen. Toch moet het bijhouden van de subglottal druk onder ongeveer 1 kPa en af en toe het toepassen van talk poeder op het oppervlak adhesie te minimaliseren zorgen voor het model worden gebruikt voor de duur in de orde van dag met minimale veranderingen in het model het gedrag, meestal veel hoger zijn dan die mogelijk met behulp van weggesneden larynges.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs dankbaar erkennen Grants R03DC8200, R01DC9616 en R01DC5788 van het National Institute on Doofheid en andere communicatie-stoornissen voor de ondersteuning van synthetische model ontwikkeling.
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).
