Summary
המתודולוגיה בודה מודלים סינתטיים לקפל ווקאלית מתואר. הדגמים הם בגודל טבעי ו לחקות את המבנה רב שכבתיים של קפלי הקול האנושי. תוצאות מראים המודלים עצמית להתנדנד בלחצים דומים הלחץ הריאות להדגים זרימת המושרה התגובות התנודה כי הם דומים לאלה של קפלי הקול האנושי.
Abstract
סאונד עבור הקול האנושי מופק באמצעות רטט הזרימה המושרה על פי הקול. קפלי הקול מורכב ממספר שכבות של רקמות, כל אחד עם תכונות החומר שונות 1. הפקת קול רגיל מסתמך על רקמות בריאות לבין קפלי הקול, והוא מתרחש כתוצאה צימוד מורכב בין דינמי, אווירודינמי מבניות, תופעות פיסיקליות אקוסטי. הפרעות קול להשפיע על עד 7.5 מיליון דולר בשנה בארצות הברית בלבד ו - 2 לעיתים לגרום כספי משמעותי, חברתיים אחרים של איכות חיים קשיים. הבנת הפיזיקה של הייצור קול יש פוטנציאל להפיק תועלת משמעותית בטיפול קול, כולל מניעת אבחון קליני וטיפול של הפרעות קול.
השיטות הקיימות ללימוד הייצור קול לכלול ניסויים vivo תוך שימוש בבני אדם ובעלי חיים, ניסויים במבחנה באמצעות larynges נכרת מודלים סינתטיים, מודל חישוביing. בשל גישה מכשיר מסוכן וקשה, בניסויים vivo מוגבלות חמורה בהיקפה. ניסויים הגרון נכרת נהנים אנטומי וכמה ריאליזם פיזיולוגיים, אך מחקרים פרמטרית מעורבים משתנים רכוש גיאומטריות החומר מוגבלות. יתר על כן, הם בדרך כלל מסוגלים רק כדי להיות רטט לתקופות זמן קצר יחסית (בדרך כלל בסדר גודל של דקות).
התגברות על כמה מן המגבלות של הניסויים הגרון נכרת, סינתטי מודלים לקפל ווקאלית הם מתעוררים ככלי משלים ללימוד הייצור קול. מודלים סינתטיים יכול להיות מפוברק עם שינויים שיטתיים מאפייני גיאומטריה חומר, המאפשר לחקר בריא ולא בריא אווירודינמיקה phonatory אנוש, דינמיקה מבנית, ואקוסטיקה. לדוגמה, הם שימשו במחקר משמאל לימין לקפל ווקאלית אסימטריה 3,4, פיתוח כלי קליני 5, אווירודינמיקה בגרון 6-9, VOC אל פי הלחץ מגע 10, ואקוסטיקה subglottal 11 (רשימה מקיפה יותר ניתן למצוא Kniesburges ואח' 12).
קיימים מודלים סינתטיים פי הקול, לעומת זאת, היו גם הומוגנית (אחד שכבת הדגמים) או להיות מפוברק באמצעות שני חומרים של קשיחות שונות (שתי שכבות מודלים). גישה זו אינה מאפשרת ייצוג של מבנה רב שכבתיים בפועל של קפלי הקול האנושי 1 זה ממלא תפקיד מרכזי השלטון ווקאלית בתגובה פי תזרים-Induced הרטט. כתוצאה מכך, אחד ושני שכבת מודלים סינתטיים לקפל ווקאלית הפגינו חסרונות 3,6,8 כגון לחצים התפרצות גבוה יותר ממה אופייניים עבור phonation האנושי (לחץ התפרצות הוא הלחץ הריאות המינימלי הנדרש כדי להפעיל רטט), גדול באופן לא טבעי נחות, תנועה מעולה, והיעדר "גל הרירית" (גל אנכית נסיעה האופיינית רטט אדם בריא לקפל ווקאלית).
= הכיתה "jove_content"> במאמר זה, המצאה של מודל עם מספר שכבות של שונות תכונות החומר מתואר. שכבות מודל לדמות את מבנה רב שכבתיים של קפלי הקול האנושי, ובכלל, האפיתל השטחי lamina propria (SLP), בינוני lamina propria עמוק (כלומר, רצועה; סיב כלולה עבור קשיחות קדמית, אחורית), וכן (כלומר שריר ,) גוף שכבות 1. תוצאות כלולים המראים כי המודל מציג מאפיינים הרטט שיפור פני לפני אחד ושני שכבת מודלים סינתטיים, כולל לחץ התפרצות קרובה הלחץ הופעת האדם, מופחת נחות, תנועה מעולה, ועדויות של גל הרירית.
Protocol
רצף ייצור (ראה איור 1.) מורכב של הפיכת תבניות הקול שכבות מודל לקפל, ברצף הליהוק שכבות סיליקון, ואת הרכבה הדגמים לבדיקה. המודל ארבע שכבות נפרדות: גוף, רצועה, lamina propria שטחית, האפיתל, בנוסף סיב בודד. שכבת גיבוי נוסף כדי להקל על מיקום מדויק של שכבות בודדות למודל פי הקול. מודל הגדרות גיאומטריות פרמטר מוצגות באיור. 2, עם ערכי הפרמטרים עבור המודל הנוכחי נתון בטבלה 1. בסעיפים הבאים, יחס סיליקון שונים ערבוב שצוינו עבור שכבות שונות; אלה לייצר מאפייני החומר, כי הם דומים לאלה שדווחו על רקמה אנושית לקפל ווקאלית במשטר זן קטן 13 (ראה טבלה 2).
1. עובש ייצור והכנת
- יצירת מודלים מוצק של שלוש שכבות לקפל ווקאלית: supelamina propria רצועה rficial, שכבות הגוף. זה נעשה בדרך כלל על ידי יצירת 3D בעזרת מחשב (CAD) עיצוב מודלים עם הגיאומטריות הרצוי, לייצא את המודלים כמו CAD (STL) קבצים stereolithography, ושליחת קבצים STL לחנות מכונת מותאמות אישית עבור אבי טיפוס ודגמים.
- יצירת טופס בצורת קופסה עובש באמצעות חתיכות דקה של חומר אקרילי. ממדים משוער (לא קריטי) הם 2.54 × 5.72 ס"מ ס"מ × 6.35 ס"מ עמוק. הפוך את התחתון של הטופס על ידי דבקות אותה צלחת שטוחה אקרילי. חותם את כל הקצוות פנים עם גריז ואקום.
- מניחים כמות קטנה של שומן ואקום בצד הלטרלי של מודל מוצק של הגיאומטריה הרצויה (כלומר, את הגוף, את הרצועה, או lamina propria שטחית). לחצו מודל לתוך החלק התחתון של חלל עובש צורה, גריז ואקום הצד למטה, כך גריז ואקום מחזיקה את החלק במקום. בנדיבות עובש מעיל הטופס מודל מוצק עם סוכן לשחרר. בעזרת מברשת צבע, להבטיח שחרור הסוכן מגיע לכל פינותאת הטופס עובש חלל.
- מערבבים 10 חלקים ואחד B חלק Smooth-סיל 950 פלטינה גומי סיליקון (חלקים נמדד לפי משקל) במיכל כי יש מספיק מקום להתרחבות. כדי להסיר בועות אוויר במקום טופס עובש עם גומי סיליקון דפוקה בתא ואקום ולהקטין את הלחץ (למשל, סביב 26 ס"מ מתחת כספית בלחץ אטמוספרי) כשלוש דקות (או פחות או יותר לפי הצורך). הסר סיליקון degassed מתא ויוצקים לתוך חלל בצורת התבנית. מניחים בתבנית עם סיליקון דפוקה לתוך ואקום קאמרית דגה שוב. הסר תא ואקום ומניחים על משטח ישר. אפשר לרפא למשך 24 שעות ולהסיר עובש מטופס עובש.
- חזור על שלבים 1.1 עד 1.4 כדי ליצור תבניות עבור כל אחד lamina propria שטחי הרצועה, שכבות הגוף.
- חותכים רצועה שכבת עובש במרכז המשטח המדיאלי בכיוון הקדמי, האחורי עם סכין גילוח, כדי לאפשר החדרת סיב.
2. יציקה of כל שכבה
- שכבה גוף: החל שכבה דקה של סוכן לשחרר לחלל עובש הגוף עם מברשת צבע. מערבבים one B חלק וחלק אחד של Ecoflex 00-30 פלטינום Supersoft סיליקון (לפי משקל). מוסיפים סיליקון חלק רזה (לפי משקל) כדי להפחית את הנוקשות נרפא הסופי של החומר. מערבבים יחד למשך 30 שניות ומקום בתא ואקום למשך דקה אחת כדי להסיר אוויר לכוד. הסר תערובת של אבק ויוצקים לתוך חלל עובש הגוף, אך לא למלא את החלק העליון של חלל את התבנית כולה. מניחים בתנור על 250 מעלות במשך 30 דקות. מוציאים מהתנור ומצננים.
- גיבוי: אחד לערבב חלק ב 'חלק אחד של עור דרקון להוסיף סיליקון חלק רזה (לפי משקל). מערבבים במרץ למשך 30 שניות, מקום ריק במשך דקה 1, ויוצקים לתוך חלל הגוף עד מלא עובש. מניחים בתנור על 250 מעלות במשך 30 דקות. הסרת עובש מהתנור ומצננים. הסר מודל של עובש, להתקרר לטמפרטורת החדר, ולהסיר כל סוכן שחרור על פני השטח שלשכבת הגוף עם מגבת נייר.
- שכבה רצועה: למרוח שכבה דקה של סוכן לשחרר עובש על פני השטח חלל רצועה עם מברשת צבע. המקום חוט 30 ס"מ בתבנית על ידי דוחף אותה לתוך חתך מתער ישר. לערבב ביסודיות one B חלק וחלק אחד של Ecoflex 00-30 וארבעה חלקים של מדלל סיליקון (לפי משקל). מקום בתא ואקום כדי להסיר בועות אוויר ויוצקים התערובת לתוך חלל עובש רצועה.
- רצועה Layer (המשך): גוף גיבוי הקש מודל (מ צעדים 2.1.1 ו - 2.1.2) לתוך חלל עובש רצועה. בגין הכניסה בצד אחד בעדינות לעבור לצד השני, כך המודל דוחף את סיליקון דפוקה עודף בועות אוויר מתוך חלל עובש. אם בועות האוויר הנוכחי, להסיר את מודל מחלל עובש, מילוי עם סיליקון דפוקה, וחזור לחיצה מודל לתוך התבנית. התבנית ומכניסים לתנור למשך 30 דקות, להסיר להתקרר לטמפרטורת החדר. הסר מודל של עובש. הסר סוכן לשחרר עודפי עם מגבת נייר.
- שכבה שטחית Propria lamina: למרוח שכבה דקה של סוכן שחרור על superifical lamina propria פני השטח (SLP) חלל עובש עם מברשת צבע. מערבבים one חלק ב, חלק אחד של 00-30 Ecoflex ו -8 סיליקון חלקים מדלל לפי משקל. אבק כפי שנעשה בעבר ויוצקים לתוך חלל עובש SLP. שימוש באותו תהליך המתואר שלב 2.1.4 להכניס את מודל הרצועה, הגוף גיבוי לתוך חלל lamina propria שטחית עובש. מניחים בתנור על 250 מעלות צלזיוס במשך שעה אחת לריפוי. מוציאים מהתנור להתקרר. הסר מודל לאט בזהירות רבה כך lamina propria שטחית נשאר שלם.
- שכבת האפיתל: מודל ווקאלית מקום לקפל על משטח שטוח בגיבוי למטה. הסרת חומר תמיכה עם סכין גילוח. להשעות הנושאים באוויר על ידי צירופם של אובייקט גובה יותר מאשר הדגם. מערבבים one B חלק וחלק אחד של עור דרקון עם חלק אחד של מדלל סיליקון, לערבב, ואקום, ואז לשפוך על המודל ולאפשר תרופה עלהדואר שעה. חזור על התהליך כדי ליצור שכבה עבה יותר. הסרת חומר עודף עם סכין גילוח.
- אופציונלי: אם כל שכבה הוא הרצוי כדי להיות בצבע שונה (לבדיקה גלוי של שכבות שונות), להוסיף צבע ל-B חלק או את Ecoflex או עור דרקון במהלך תהליך ערבוב.
- אופציונלי: אם המאפיין נתונים החומר ייאסף, ליצור דגימות מתיחה rheological בד בבד עם ייצור של כל שכבה במודל. עשו זאת על ידי שפיכת חומר דפוקה תוספת לתוך תבניות לשחרר סוכן שטופלו של הצורה הרצויה רכוש דגימת חומר וגודל.
- אופציונלי: אם מדידות של עובי השכבה הם הרצוי, לחתוך חתך של המודל עם סכין גילוח ולבדוק עם מיקרוסקופ.
3. מודל הכנה הסופי לבדיקות
- הר כל מודל השלימה לקפל ווקאלית לתוך צלחת הרכבה אקריליק על ידי הראשון מריחת שכבה דקה של דבק סיליקון על גב (לרוחב) ואת הצד (אnterior-posterior) משטחים מודל. הכנס לתוך מודל לחתוך הפסקה של צלחת גובר. יישר את השטח מודל המדיאלי עם החלק העליון של הצלחת אקרילי. נגבו ממנו דבק עודף. אפשר לרפא דבק למשך שעה אחת.
- החל אבקת טלק על פני השטח מודל להפחית tackiness פני השטח.
- למעקב פני השטח המדיאלי להשתמש בעט מצוין נקודות לנוכל לסמן נקודות על המודל. התוצאות הטובות ביותר להתרחש אם הסימון נעשה לאחר בקשה של אבקת טלק.
- המקום ברגים ארוכים דרך החורים של במתלה עם סיום הליכי הצבעה לכיוון המודל שאליו המודל הקיים יהיה לזווג. Lay הנושאים על הבריחים. שים קצף תא סגור על ברגים כדי לסגור את כל הפערים האוויר.
- זוג דגם מוכן עם מודל אחר לקפל ווקאלית כי כבר רכוב דומה לבעל אקריליק באמצעות צעדים 3.1 ו 3.2. להדק ברגים כדי לדחוס את קצף ולהביא את משטחי המדיאלי יחד עד הפער מראש הרטט הרצון הוא הגיע. ודא שתי קבוצות הנושאים ממוקמים ovאה את הברגים ולהרחיב החוצה מהצלחות אקריליק בכיוון הקדמי, האחורי.
- הר זוג לקפל ווקאלית על צינור אספקת האוויר.
- לקשור את החוטים הקדמי יחד כדי ליצור לולאה. חזור על הנושאים האחורי. חכה למשקל הרצוי על לולאות בו זמנית.
- מודלים מוכנים כעת בדיקות ואיסוף נתונים.
4. נציג תוצאות
נתונים בתגובה הרטט של מודל אחד נוצר באמצעות תהליך ייצור זה הן כדלקמן: תוצאות אלו אופייניים. עם מתח של כ 31 גרם להחיל את הסיבים, הלחץ היה 400 תחילת אבא בלחץ subglottal של 10% מעל תחילת הלחץ (440 אבא), המודל רטט ב 115 הרץ עם קצב זרימת בית הקול של 210 מ"ל / s. ערכים אלה הם בהסכם טוב עם ערכים דיווחו לאלו של בני אדם (לוח 3). בעזרת מהירות גבוהה videokymography לנתח תנועה מודל הראו עדות להבדל בין שלב מעולהשולי nd נחות, כלומר, את השוליים מעולה הסתיר את השוליים נחות בשלב פתוח של תקופת רטט (איור 3). מסלולי מופק תמונות סטריאו של נקודות להחיל את המשטחים המדיאלי ונחות של המודל לקפל ווקאלית הראה כי המודל הציג מתכנסת לסירוגין, מסתעף פרופיל אופייני phonation אדם, תנועה הרירית כמו גל, וכן נמוך יותר נחות, תנועה מעולה יותר מאשר הדגמים הקודמים (איור 4).
טבלה 1. דגם גיאומטרי פרמטר ערכים.
טבלה 2. תערובת יחסי לפי משקל וכתוצאה מכך מודולוס יאנג של חלקים בודדים של המודל פי הקול. EF ו DS לייעד סיליקון עשוי Ecoflex והעור הדרקוןבהתאמה 14.
לוח 3. השוואה בין הקול האנושי התגובות סינתטי הרטט לקפל.
באיור 1. סינתטי ייצור ווקאלית פי מודל תהליך. CAD-derived מודלים מוצק (פאנל משמאל) המשמשים ליצירת תבניות (במרכז הפאנל) עבור כל שכבת. כל שכבה הוא יצוק אז, עם תחילת שכבת הגוף וכלה שכבת האפיתל (פאנל הנכון, עם כל השכבה "קילף" עבור הנראות). לאחר ייצור, מודלים מורכבים על צלחות אקריליק לבדיקה.
באיור 2. סינתטי לחצות קטע ווקאלי פי מודל. גוף ברורים, lamina propria שטחית, ligשכבות חסר דעה, ואת אפיתל מוצגים. פרמטרים מגדירים מודל ווקאלית הגיאומטריה לקפל. נתון זה ישתנה לייצוג ברור של הגדרות גיאומטריות. יישום של ערכי פרמטר נתון בטבלה 1 תגרום צורה מעט שונה ממה שמוצג כאן.
באיור 3. במהירות גבוהה kymogram של רטט מודל. ההערכות לגבי מיקומו של שולי עליונים ונחותים מוצגים קווים מקווקווים צבעוניים. ההבדלים בין שלב שולי נחות מעולה ניכרים.
איור 4. פרופיל פני השטח המדיאלי של מודל סינתטי לקפל ווקאלית בהסדר hemilarynx, כבש בשני מקרים שונים של זמן בעוד רוטט. סמנים דיו הונחו על פני השטח המדיאלי (כפי שלבד בתמונה מימין), צילמו באמצעות שתי מסונכרן מצלמות מהירות גבוהה, מסומנים על מחזור התנודה. העלילה שמאל מראה בית הקול מתכנסת במהלך שלב הפתיחה את העלילה ימין מראה בית הקול מסתעף בשלב הסגירה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
שיטה זו של בודה מודלים סינתטיים ווקאלית פי התשואות דגמים הרטט התנהגות דומה לזו של קפלי הקול האנושי. רב שכבתיים מושג התוצאות יתרונות משמעותיים על פני אחד ושני שכבת עיצובים קודמים מודל 3,6,8,15, במונחים של הופעת לחץ מופחת ותנועה מודל משופר (מתכנסת-מסתעף פרופיל במהלך תנודה, תנועה הרירית כמו גל , והקטינו עקירה מעולה נחות). השיטה המוצגת כאן באה לידי ביטוי על מודל אידיאלי במקצת מבחינת הגיאומטריה, אבל זה יכול להיות מיושם על מודלים בגיאומטריות שונות. לדוגמה, מודל המבוסס על נתוני הדמיה אנושית גיאומטריים (למשל, 17 MRI, CT) יכול להיות מפוברק באמצעות שיטה זו. בנוסף, המושג הזה תהליך הייצור עלול למצוא את היישום תחומי מחקר אחרים בהם הזרימה המושרה ויברציות ו / או מספר שכבות של חומרים רכים הם מרכיבים מרכזיים, למשל, חקירות של זרימה דרך כלי הדם, לישון apתנועה רח"ל, ובעלי חיים (בעיקר שחייה טיסה).
המודל המתואר כאן יש מספר מגבלות שניתן נושאים למחקר ופיתוח בעתיד. חומרים יש ליניארי מתח המאפיינים זן בתגובה, ושיפור העתיד הצפוי כולל שילוב של מתח מתח חומרים קוי. השימוש ביולוגי ולא חומרים סינתטיים בתהליך ייצור הוא גם אפשרי. בגלל גמישות הקיצוני של שכבת lamina propria, המודל הוא פחות חזק מאשר רטט תחת אחד ושני שכבת הדגמים הקודמים. עם זאת, שמירה על לחץ subglottal מתחת kPa כ 1 ולפעמים החלת אבקת טלק כדי למזער את משטח הדבקה צריך לאפשר המודל לשמש משכי זמן בסדר גודל של ימים עם מינימום שינויים בהתנהגות המודל, בדרך כלל אלה החורגים אפשרי באמצעות larynges נכרת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
המחברים מודים בתודה מענקים R03DC8200, R01DC9616 ו R01DC5788 מן המכון הלאומי לחירשות והפרעות תקשורת אחרות לתמיכה של פיתוח מודל סינתטי.
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).
