Summary
Методология для изготовления синтетических голосовых связок модели описывается. Модели в натуральную величину и имитировать многослойную структуру человеческой голосовых складок. Результаты показывают, модели самостоятельно колебаться при давлениях, сравнимых с легкого давления и продемонстрировать, возбуждаемых потоком вибрационные ответы, которые аналогичны человека голосовых складок.
Protocol
Изготовление последовательности (см. рис. 1) состоит из изготовления форм для голосовых связок слоев модели, последовательно литья силиконовых слоев, и монтаж моделей для тестирования. Модель имеет четыре различных слоев: тела, связки, поверхностный собственная пластинка, и эпителия, в дополнение к одному волокну. Защитный слой добавлен для облегчения точного размещения отдельных слоев, чтобы голосовых связок модели. Модель определения геометрических параметров представлены на рис. 2, со значениями параметров для текущей модели приведены в таблице 1. В следующих разделах, различные силиконовые пропорции смешивания указаны для разных слоев, эти производят материальные свойства, которые аналогичны тем, которые сообщили на человека голосовых складок ткани в небольшом режима штамм 13 (см. таблицу 2).
1. Изготовление пресс-форм и подготовка
- Создание твердотельных моделей из трех голосовых связок слоев: Супеrficial собственная пластинка, связки, и тело слоев. Обычно это делается путем создания 3D компьютерного проектирования (CAD) моделей с требуемой геометрии, экспорт CAD моделей, как стереолитографии (STL) файлов, а также отправлять файлы STL Custom Shop машина для быстрого прототипирования.
- Создать коробчатого плесень форму, используя тонкие кусочки акрилового материала. Приблизительные размеры (не критично) являются 2,54 см × 5,72 см × 6,35 см в глубину. Сделать нижней части формы, придерживаясь ее плоской пластине акрила. Закройте все внутренние ребра с вакуумной смазкой.
- Нанесите небольшое количество смазки вакуумного на боковой стороне твердотельной модели желаемой геометрии (то есть тела, связки, или поверхностный собственная пластинка). Пресс модели в нижней части формы формы полости, вакуумные смазки стороной вниз, так что вакуумная смазка содержит часть на месте. Обильно пальто форма плесени и твердотельной модели с выпуском агента. Использование кисти, обеспечить выпуск агент проникает во все уголкиполости формы формы.
- Смешать 10 частей и одна часть В Smooth-Sil 950 платиновых силиконовой резины (части измеряется по весу) в контейнере, который имеет достаточно места для расширения. Для удаления пузырьков воздуха место плесень форме с неотвержденного силиконовой резины в вакуумной камере и уменьшить давление (например, около 26 дюймов ртутного столба ниже атмосферного давления) в течение примерно трех минут (или более или менее по мере необходимости). Удалить дегазированной силиконовые от камеры и вылить в форму полости формы. Место формы с силиконовой неотвержденного в вакуумной камере и дегазации снова. Удалить из вакуумной камеры и положите на ровную поверхность. Разрешить вылечить в течение 24 часов и удалить плесень плесени форме.
- Повторите шаги 1.1 через 1,4 до создания пресс-формы для каждого из поверхностных собственная пластинка, связки, и тело слоев.
- Вырезать форму связки слой в центре медиальной поверхности в передне-заднем направлении с опасной бритвой, чтобы для волоконно-вставки.
2. Кастинг ое каждый слой
- Тело слоя: нанесите тонкий слой разделительного состава в полости тела формы с кистью. Смешайте одну часть В и одну часть из Ecoflex 00-30 Supersoft платиновый силикон (по весу). Добавить одну часть Силиконовые Разбавитель (по весу), чтобы уменьшить возможные вылечить жесткость материала. Смешать в течение 30 секунд и место в вакуумной камере в течение одной минуты для удаления вовлеченного воздуха. Удалить смесь из вакуума и залить в полость формы тела, но не заполняют в начало всю полость пресс-формы. Место в духовке при температуре 250 ° F в течение 30 минут. Выньте из духовки и остудить.
- Резервное: Смешайте одну часть В и одну часть из кожи дракона и добавить одну часть Силиконовые Thinner (по весу). Mix энергично в течение 30 секунд, место в вакууме в течение 1 минуты, и залить в полость формы тела до полного. Место в духовке при температуре 250 ° F в течение 30 минут. Удалить плесень из духовки и остудить. Удалить модель из формы, дать остыть до комнатной температуры, и удалите все релизе агента на поверхноститело слой с бумажным полотенцем.
- Связок Слой: Нанесите тонкий слой разделительного состава на связки полость формы поверхности кисти. Место 30 см нить в форме, нажав на нее в разрез с бритвой. Тщательно перемешайте одна часть В и одну часть из Ecoflex 00-30 и четырех частей Силиконовые Thinner (по весу). Место в вакуумную камеру, чтобы удалить пузырьки воздуха и вылейте смесь в связке полости пресс-формы.
- Связок Layer (продолжение): Пресс тела поддержкой модели (от шагов, 2.1.1 и 2.1.2) в полость формы связки. Начало вставки с одной стороны и мягко перейти к другой так, чтобы модель толкает Излишки силикона и пузырьки воздуха из полости формы. Если пузырьки воздуха, удалите модели из полости формы, залейте неотвержденного силикон, и повторить нажатия модель в форму. Место форму в духовку на 30 минут, удалить, и охладить до комнатной температуры. Удалить модель из плесени. Удалите излишки агентом выпуска с бумажным полотенцем.
- Поверхностный слой собственной пластинки: Нанесите тонкий слой разделительного состава на superifical собственную пластинку (SLP) полость формы поверхности кисти. Смешайте одну часть В, одна часть из Ecoflex 00-30, и 8 частей Силиконовые Разбавитель по весу. Вакуумные как это было сделано ранее, и налейте в SLP полости пресс-формы. Используйте тот же процесс, описанный в шаге 2.1.4 для вставки связки-тело-поддержкой модели в поверхностные полости собственная форма пластинки. Место в духовке при температуре 250 ° F и сушите в течение одного часа. Удалите из духовки и дать остыть. Удалить модель медленно и крайне осторожно, чтобы поверхностные собственная пластинка остается неизменным.
- Эпителий слой: Место голосовых связок модели на плоской поверхности с отступать. Удалить материальную поддержку с бритвой. Приостановить потоков в воздухе, прилагая их к объекту большую высоту, чем модель. Смешайте одну часть В и одну часть из Dragon Skin с одной частью Силиконовые растворитель, перемешать, вакуум, затем залить модели и позволяют лечения наэлектронная час. Повторите процесс, чтобы создать более толстый слой. Удалите излишки материала с бритвой.
- Необязательно: Если каждый слой желательно быть разного цвета (для видимого инспекции разных слоев), добавить краситель в части В любом Ecoflex или Dragon Skin в процессе смешивания.
- Дополнительно: Если данные свойство материала будет собрано, создать разрыв и реологические образцов одновременно с изготовлением каждой модели слоя. Сделайте это путем заливки дополнительных неотвержденного материала в релизе агента обработанных пресс-форм нужную форму свойств материала образца и размера.
- Дополнительно: Если измерения толщины слоя желательны, вырезать сечение модели с бритвой и осматривать с микроскопом.
3. Завершающая подготовка моделей для тестирования
- Горы каждый завершенный голосовых связок модели в акриловых монтажной пластине, сначала применяя тонкий слой силиконового клея на задней (боковой) и боковые (nterior-задней) поверхности модели. Вставьте встраиваемые модели в разрезе монтажной пластине. Выравнивание модели медиальной поверхности верхней части акриловой пластиной. Вытрите излишки клея. Разрешить клей для лечения в течение одного часа.
- Применение талька порошок поверхности модели снизить липкость поверхности.
- Для отслеживания медиальной поверхности использовании тонкой точке Sharpie перо, чтобы отметить точки на модели. Лучшие результаты достигаются, если маркировка выполняется после нанесения порошка талька.
- Место длинных болтов через отверстия монтажной пластины с резьбой, указывающей на модель, к которой существующая модель будет работать в паре. Положите темы более болтов. Положите закрытой ячейки пены над болты, чтобы закрыть все воздушные зазоры.
- Пара эта модель подготовлена с другим голосовых связок модель, которая была так же крепится к держателю использованием акриловых Шаги 3.1 и 3.2. Затянуть винты для сжатия пены и принести медиальной поверхности вместе, пока желание предварительно вибрационный разрыв будет достигнута. Убедитесь, что оба набора потоков размещаются овэ болты и расширять наружу от акриловых пластин в передне-заднем направлении.
- Горы голосовых связок пара на трубе подачи воздуха.
- Свяжите передние темы вместе, чтобы сформировать петлю. Повторите эти действия для задних нитей. Повесьте желаемого веса на петлях одновременно.
- Модели теперь готовы для тестирования и сбора данных.
4. Представитель Результаты
Вибрационные данных отклика от одной модели, созданной с помощью этого производственного процесса являются следующие: эти результаты являются типичными. При напряжении около 31 г применяться к слоям, начало давление 400 Па На находящийся ниже складок голосовой щели давление на 10% выше начала давлением (440 Па), модель вибрировал при 115 Гц с гортанной расходе 210 мл / с Эти значения находятся в хорошем согласии со значениями сообщил для тех людей (табл. 3). Использование высокоскоростных videokymography для анализа движения модели показали, свидетельство разность фаз между начальникомой уступает поля, то есть превосходный запас скрытых нижнего края во время открытой фазы период колебаний (рис. 3). Траектории, извлеченные из стерео изображения точками применяется к медиальной и нижней поверхности голосовых связок модели показали, что модель выставлена переменного сходящиеся-расходящиеся профиль, который является типичным человека фонации, слизистой оболочки, волнообразно, а нижняя нижне- превосходное движение, чем в предыдущих моделях (рис. 4).
Таблица 1. Модель геометрических параметров.
Таблица 2. Смесь соотношения по весу и в результате модуля Юнга отдельных участков голосовых связок модели. EF и DS назначить силиконовые из Ecoflex и Dragon Skin, Соответственно 14.
Таблица 3. Сравнение между человеком и синтетических голосовых связок вибрационные ответы.
Рисунок 1. Синтетический голосовых связок процесс изготовления модели. CAD-производные твердотельных моделей (левая панель) используются для создания форм (в центре панели) для каждого слоя. Каждый слой затем бросил, начиная с телом слой и заканчивая эпителия слой (правой панели, при этом каждый слой "очищенные назад" для наглядности). После изготовления, моделей крепятся к акриловых пластин для тестирования.
Рисунок 2. Синтетический голосовых связок сечение модели. Отдельное тело, поверхностный собственная пластинка, маякидиот, и эпителия слои показываются. Параметры определяют голосовых связок геометрии модели. Эта цифра масштабируется для ясное представление о геометрических определений. Применение значениях параметров, приведенных в таблице 1 приведет к несколько иной форме, чем то, что показано здесь.
Рисунок 3. Высокоскоростные кимограмма модели вибрации. Оценки для расположения верхнего и нижнего поля показаны на цветных пунктирными линиями. Разности фаз между низшие и высшие поля очевидны.
Рисунок 4. Медиальной поверхности профиля синтетических голосовых связок модели в hemilarynx договоренности, захваченных в двух различных случаях времени, пока вибрирует. Чернила маркеров были размещены на медиальной поверхности (как шсамостоятельно в правое изображение), отображаемого с помощью двух синхронизированных высокоскоростных камер, и проследить во вибрационного цикла. Левый график показывает сходящийся голосовую щель в фазе открывания и право график показывает различные голосовой щели во время заключительного этапа.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Этот метод изготовления синтетических голосовых связок моделей дает моделей, которые имеют вибрационное поведение похож на человека голосовых складок. Многослойная концепция приводит к значительному преимуществ по сравнению с предыдущим одно-и двухслойные модели конструкций 3,6,8,15, с точки зрения снижения давления начала и улучшенные модели движения (сходящегося-расходящегося профиля во время колебаний, слизистой оболочки, волнообразно , а также снижение уступает превосходной смещения). Метод, представленный здесь демонстрируется на несколько идеализированная модель с точки зрения геометрии, но она может быть применена к моделям с различной геометрией. Например, модель, основанная на человеческих изображений геометрических данных (например, МРТ 17, КТ), могут быть изготовлены с использованием этого метода. Кроме того, это понятие производственного процесса может найти применение в других областях исследования, в котором потока вибрации и / или несколько слоев мягких материалов являются центральными элементами, например, исследования проходят через кровеносные сосуды, сон APНеа, и животных передвижения (в частности, плавание и полет).
Модель, описанная здесь есть некоторые ограничения, которые могут быть темы для будущих исследований и разработок. Материалы имеют линейную напряженно-деформированного характеристики реагирования, а также ожидаемого улучшения будущего включает в себя включение нелинейного напряженно-деформированного материалов. Использование биологических, а не синтетических материалов в этом процессе изготовления также возможно. Из-за чрезвычайной гибкости слоя собственной пластинки, модель является менее надежным при вибрации, чем предыдущие одно-и двухслойных моделей. Тем не менее, сохраняя находящийся ниже складок голосовой щели под давлением около 1 кПа, а иногда и применения талька порошок, чтобы минимизировать поверхность сцепления должны обеспечивать модели, которая будет использоваться для длительности порядка дней с минимальными изменениями в модели поведения, как правило, значительно превышает те возможности с использованием вырезали larynges.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Acknowledgments
Авторы выражают благодарность Гранты R03DC8200, R01DC9616 и R01DC5788 из Национального института глухоты и других расстройств связи для поддержки синтетической модели развития.
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).
