Summary
La metodología para la fabricación de los modelos de síntesis de las cuerdas vocales se describe. Los modelos son de tamaño natural y de imitar la estructura de múltiples capas de las cuerdas vocales humanas. Los resultados muestran que los modelos de auto-oscilar a presiones similares a la presión pulmonar y demostrar las respuestas inducidas por el flujo de vibración que son similares a los humanos de las cuerdas vocales.
Abstract
El sonido de la voz humana se produce a través de la vibración inducida por el flujo de las cuerdas vocales. Las cuerdas vocales constan de varias capas de tejido, cada una con diferentes propiedades de los materiales 1. Producción normal de voz se basa en los tejidos sanos y los pliegues vocales, y se produce como resultado del acoplamiento entre la dinámica compleja aerodinámica, estructurales y acústicas fenómenos físicos. Trastornos de la voz afectan a hasta 7,5 millones de dólares anuales en los Estados Unidos solamente dos ya menudo resultan en los mercados financieros significativos, sociales, y otros de la calidad de vida de dificultades. Entender la física de producción de la voz tiene el potencial de beneficiar significativamente cuidado de la voz, incluida la prevención clínica, diagnóstico y tratamiento de trastornos de la voz.
Los métodos existentes para el estudio de producción de la voz incluyen la experimentación in vivo con seres humanos y animales, la experimentación in vitro utilizando la laringe extirpada y modelos sintéticos, y el modelo computacionalING. Debido al acceso de instrumentos peligrosos y difíciles, en los experimentos in vivo son muy limitadas en su alcance. Extirpado la laringe experimentos tienen el beneficio de la anatomía y algo de realismo fisiológico, pero los estudios paramétricos involucran variables de las propiedades geométricas y materiales son limitados. Además, son por lo general sólo es capaz de hacer vibrar durante períodos relativamente cortos de tiempo (típicamente del orden de minutos).
Para superar algunas de las limitaciones de los experimentos de la laringe extirpada, modelos sintéticos de las cuerdas vocales están emergiendo como una herramienta complementaria para el estudio de producción de la voz. Modelos sintéticos se pueden fabricar con cambios sistemáticos a las propiedades de la geometría y el material, lo que permite el estudio de la aerodinámica saludables y no saludables humanos fonatorio, dinámica estructural, y la acústica. Por ejemplo, se han utilizado para estudiar izquierda-derecha de las cuerdas vocales asimetría 3,4, el desarrollo de instrumentos clínicos 5, la aerodinámica de laringe 6-9, vocal doblar la presión de contacto 10, y la acústica subglótica 11 (una lista más completa se puede encontrar en Kniesburges et al. 12)
Actuales modelos de síntesis de las cuerdas vocales, sin embargo, o bien han sido homogéneas (una sola capa los modelos) o han sido fabricados utilizando dos materiales de rigidez diferentes (dos capas de los modelos). Este enfoque no permite la representación de la actual estructura de múltiples capas de las cuerdas vocales humanas que uno juega un papel central en el gobierno de las cuerdas vocales inducida por el flujo de respuesta vibratoria. Por lo tanto, de una y dos capas sintéticas modelos de las cuerdas vocales han mostrado desventajas 3,6,8 como las presiones inicio superior a lo que son típicos de la fonación humana (presión de inicio es la presión pulmonar mínima requerida para iniciar la vibración), extrañamente grande-inferior movimiento superior, y la falta de una "onda mucosa" (una onda que viaja verticalmente que es característico de la salud humana a las vibraciones de las cuerdas vocales).
Protocol
La secuencia de fabricación (ver Fig. 1.) Consiste en hacer moldes de las capas del modelo vocal veces, de forma secuencial de fundición capas de silicona, y el montaje de los modelos para la prueba. El modelo tiene cuatro capas distintas: el cuerpo, el ligamento, la lámina propia superficial, y el epitelio, además de una única fibra. Una capa de refuerzo se agrega para facilitar la colocación precisa de las capas individuales para el modelo de las cuerdas vocales. Las definiciones de modelo geométrico de parámetros se muestran en la figura. 2, con valores de los parámetros del modelo actual en la tabla 1. En las siguientes secciones, diferentes proporciones de mezcla de silicona se especifican para las diferentes capas, las cuales producen propiedades de los materiales que son similares a los reportados para el tejido humano de las cuerdas vocales en el régimen de pequeñas deformaciones 13 (ver Tabla 2).
1. Molde de fabricación y la preparación
- Crear modelos sólidos de tres capas de las cuerdas vocales: Supelámina propia rficial, ligamentos, y las capas del cuerpo. Esto se suele hacer mediante la creación de 3D diseño asistido por ordenador (CAD) con las geometrías de los modelos que desee, la exportación de los modelos CAD como la estereolitografía (STL), y el envío de los archivos de STL para un taller de maquinaria a medida para la creación rápida de prototipos.
- Crear una forma del molde en forma de caja con finas piezas de material acrílico. Las dimensiones aproximadas (no crítico) son 2,54 cm de alto x 5,72 cm de ancho x 6,35 cm de profundidad. Que la parte inferior de la forma mediante la adhesión a una placa plana de acrílico. Selle todos los bordes interiores con grasa de vacío.
- Coloque una pequeña cantidad de grasa de vacío en la parte lateral del modelo sólido de la geometría deseada (es decir, el cuerpo, el ligamento, o la lámina propia superficial). Presione modelo en el fondo de la cavidad del molde, lado vacío de grasa hacia abajo, de modo que la grasa de vacío se mantiene la pieza en su lugar. Liberalmente capa forma del molde y modelo sólido con el agente de liberación. Usando una brocha de pintura, asegúrese de agente de liberación alcanza a todos los rincones dela cavidad del molde de la forma.
- Mezcla de 10 partes A y B una parte de Smooth-Sil 950 de goma de silicona platino (partes medido por peso) en un recipiente que tiene espacio suficiente para la expansión. Para eliminar el aire que se formen burbujas lugar molde con caucho de silicona curado en una cámara de vacío y reducir la presión (por ejemplo, a alrededor de 26 pulgadas de Hg por debajo de la presión atmosférica) durante aproximadamente tres minutos (o más o menos según sea necesario). Quitar silicona desgasificado de la cámara y se vierte en la cavidad del molde forma. Coloque el molde de silicona curado en cámara de vacío y desgasificación de nuevo. Eliminar de la cámara de vacío y el lugar en una superficie nivelada. Deje que cure durante 24 horas y eliminar el moho de la forma del molde.
- Repita los pasos 1.1 a 1.4 para crear moldes para cada una de la lámina propia superficial, ligamento, y las capas del cuerpo.
- Cortar el molde del ligamento capa en el centro de la cara medial en la dirección antero-posterior con una navaja de afeitar para permitir la inserción de la fibra.
2. De fundición of cada capa
- Capa de cuerpo: Aplique una capa delgada de agente de liberación de la cavidad del cuerpo del molde con el pincel. Mezcle una parte B y en una parte A del Ecoflex 00-30 Silicona Platino Supersoft (en peso). Añadir un diluyente de silicona parte (en peso) para reducir la rigidez eventual curado del material. Mezclar durante 30 segundos y lugar en la cámara de vacío durante un minuto para eliminar el aire atrapado. Retire la mezcla de vacío y se vierte en la cavidad del molde del cuerpo, pero no se llene hasta la parte superior de la cavidad del molde entero. Coloque en el horno a 250 ° F durante 30 minutos. Retire del horno y dejar enfriar.
- Copia de seguridad: Mezcle una parte B y en una parte A de la piel del dragón y añadir un diluyente de silicona parte (en peso). Mezclar enérgicamente durante 30 segundos, el lugar en el vacío durante 1 minuto, y se vierte en la cavidad del molde del cuerpo hasta la saciedad. Coloque en el horno a 250 ° F durante 30 minutos. Retire el molde del horno y dejar enfriar. Retire el modelo del molde, se deja enfriar a temperatura ambiente, y eliminar todo agente de liberación de la superficie dela capa del cuerpo con una toalla de papel.
- Capa de ligamento: Aplique una capa delgada de agente de liberación en la superficie de la cavidad del molde con el ligamento pincel. Coloque un hilo de 30 cm en el molde, presionando en el corte de la navaja de afeitar. Mezclar bien una parte B y en una parte A del Ecoflex 00-30 y cuatro partes de diluyente de silicona (en peso). Lugar en la cámara de vacío para eliminar las burbujas de aire y verter la mezcla en la cavidad del molde de los ligamentos.
- Ligamento Layer (continuación): Pulse el cuerpo de respaldo de modelo (de los pasos 2.1.1 y 2.1.2) en la cavidad del molde ligamento. Comenzar la inserción de un lado y suavemente pasar a la otra para que el modelo lleva el exceso de silicona curado y las burbujas de aire de la cavidad del molde. Si hay burbujas de aire, retire el modelo de la cavidad del molde, rellenar con silicona no curada, y repita el modelo de presión en el molde. Ponen el molde en el horno durante 30 minutos, retirar y enfriar a temperatura ambiente. Retire el modelo del molde. Eliminar los agentes liberan el exceso con una toalla de papel.
- Lámina superficial de capa Propia: Aplique una capa delgada de agente de liberación en la lámina propia superifical (SLP) la superficie de la cavidad del molde con el pincel. Mezcle una parte B, una parte A del Ecoflex 00-30, y 8 partes más finas de silicona en peso. Vacío como se hizo anteriormente y se vierte en la cavidad del molde SLP. Utilice el mismo proceso descrito en el paso 2.1.4 para insertar el modelo de los ligamentos, el cuerpo y el apoyo en la cavidad del molde lámina superficial propia. Coloque en un horno a 250 ° F y la cura de una hora. Retirar del horno y dejar enfriar. Retire el modelo lentamente y con mucho cuidado para que la lámina propia superficial se mantiene intacta.
- Capa de epitelio: Coloca el vocal modelo de veces sobre una superficie plana con el retroceso. Retire el material de apoyo con una navaja de afeitar. Suspender las discusiones en el aire conectando a un objeto de mayor altura que el modelo. Mezcle una parte B y una parte una piel de dragón con una parte de diluyente de silicona, mezcla, de vacío, y luego verter sobre el modelo y deje curar por ele horas. Repita el proceso para crear una capa más gruesa. Retire el exceso de material con una navaja de afeitar.
- Opcional: si cada capa se desea un color diferente (por inspección visual de las diferentes capas), añadir colorante a la parte B de cualquiera de los Ecoflex o la piel del dragón durante el proceso de mezcla.
- Opcional: Si los datos de las propiedades del material será recogido, crear muestras de tracción y reológicas de forma simultánea con la fabricación de cada capa del modelo. Para ello, vertiendo el material no curado adicional en los moldes de liberación del agente tratados de la forma deseada material de muestra y el tamaño de la propiedad.
- Opcional: Si las mediciones de espesor de la capa se desea, cortar una sección transversal de la modelo con una navaja de afeitar y examinar con el microscopio.
3. La preparación del modelo final de las pruebas
- Monte cada completado el modelo de las cuerdas vocales en una placa de acrílico de montaje aplicando primero una capa fina de pegamento de silicona en la parte posterior (lateral) y secundarios (anterior-posterior) las superficies del modelo. Inserte el modelo en el corte de la placa de montaje empotrado. Alinear a la superficie del modelo medial con la parte superior de la placa de acrílico. Limpie el exceso de pegamento. Permitir pegamento para secar durante una hora.
- Aplique polvo de talco a la superficie del modelo para reducir la pegajosidad de la superficie.
- Para el seguimiento de la superficie medial utilizar un rotulador de punta fina para marcar puntos en el modelo. Mejores resultados se obtienen si el marcado se lleva a cabo después de la aplicación de polvo de talco.
- Coloque tornillos largos a través de los agujeros de la placa de montaje con los extremos roscados apuntando hacia el modelo al que será el modelo existente pares. Sentar las discusiones sobre los pernos. Poner espuma de celda cerrada sobre los pernos para evitar posibles agujeros de aire.
- Par este modelo preparado con otro modelo de las cuerdas vocales que ha sido igualmente montado en un soporte de acrílico con los pasos 3.1 y 3.2. Apriete los tornillos para comprimir la espuma y traer las superficies medial juntos hasta que el deseo de pre-vibratoria brecha se alcanza. Asegúrese de que los dos conjuntos de hilos se colocan over los pernos y se extienden hacia afuera de las placas de acrílico en la dirección antero-posterior.
- Montaje vocal par de veces en el tubo de suministro de aire.
- Ate los hilos anteriores para formar un bucle. Repita el procedimiento para la rosca posterior. Cuelgue el peso deseado en los circuitos de forma simultánea.
- Modelos ya están listos para las pruebas y la recogida de datos.
4. Resultados representante
Los datos de la respuesta vibratoria de un modelo creado con este proceso de fabricación son los siguientes; estos resultados son típicos. Con una tensión de aproximadamente 31 g aplica a las fibras, la presión de inicio fue de 400 Pa. A una presión subglótica del 10% por encima de la presión de inicio (440 Pa), el modelo vibra a 115 Hz con una velocidad de flujo glotal de 210 ml / s. Estos valores están en buen acuerdo con los valores reportados para los humanos (Tabla 3). Uso de alta velocidad para analizar el movimiento videoquimografia modelo mostró evidencia de una diferencia de fase entre el superior demárgenes ª inferior, es decir, el margen superior oculta el margen inferior durante la fase abierta del período de vibración (Fig. 3). Trayectorias extraída de las imágenes en estéreo de los puntos se aplica a las superficies medial e inferior del modelo de las cuerdas vocales mostraron que el modelo exhibió una alternancia convergente-divergente perfil típico de la fonación humana, un movimiento de la mucosa como una ola, y una baja inferior- movimiento superior a los modelos anteriores (Fig. 4).
Tabla 1. Los valores del modelo de parámetros geométricos.
Tabla 2. Proporciones de mezcla en peso y como resultado el módulo de Young de las secciones individuales del modelo de las cuerdas vocales. EF y DS designar de silicona a partir de Ecoflex y la piel del dragón, Respectivamente 14.
Tabla 3. Comparación entre el humano y sintético vocal respuestas vibratorias veces.
Figura 1. Sintético vocal proceso de fabricación de doble modelo. CAD-derivados de modelos sólidos (panel izquierdo) se utilizan para crear los moldes (panel central) para cada capa. Cada capa es entonces fundido, comenzando con la capa del cuerpo y terminando con la capa de epitelio (panel de la derecha, con cada capa de "pelar" para la visibilidad). Después de la fabricación, los modelos están montados en placas de acrílico para la prueba.
Figura 2. Sintético vocal sección transversal doble modelo. Distintas del cuerpo, la lámina propia superficial, ligcapas Ament y el epitelio se muestran. Parámetros definen la geometría de modelo vocal veces. Esta cifra se escala para la representación clara de las definiciones geométricas. Aplicación de los valores de parámetros en la Tabla 1 se traducirá en una forma ligeramente diferente a lo que se muestra aquí.
Figura 3. Kymogram de alta velocidad de la vibración del modelo. Las estimaciones para la ubicación de los márgenes superior e inferior se muestran en color las líneas punteadas. Diferencias de fase entre los márgenes superior e inferior son evidentes.
Figura 4. Perfil de la superficie medial del modelo sintético cuerdas vocales en un acuerdo de hemilaringe, capturado en dos instancias diferentes de tiempo, mientras que vibra. Marcadores de tinta se colocaron en la superficie medial (como shpropia en la imagen derecha), utilizando imágenes sincronizadas dos cámaras de alta velocidad, y el seguimiento a lo largo del ciclo vibratorio. La parcela izquierda muestra la glotis convergentes durante la fase de apertura y de la parcela derecha muestra la glotis divergentes durante la fase de cierre.
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Discussion
Este método de fabricación sintética vocal rendimientos veces los modelos de los modelos que exhiben un comportamiento similar a la vibración de las cuerdas vocales humanas. El multi-capa de los resultados en concepto de ventajas significativas sobre los anteriores diseños de modelos de una y dos capas de 3,6,8,15, en términos de reducción de presión de inicio y de movimiento del modelo mejorado (convergente-divergente perfil durante la oscilación, la mucosa de onda como el movimiento , y la reducción de desplazamiento superior inferior). El método presentado aquí se demuestra en un modelo un tanto idealizada en términos de geometría, pero se puede aplicar a los modelos con diferentes geometrías. Por ejemplo, un modelo basado en datos de imágenes geométricas humanas (por ejemplo, la RM 17, CT) pueden ser fabricados utilizando este método. Además, este concepto de proceso de fabricación pueden encontrar aplicación en otras áreas de investigación en la que las vibraciones inducidas por el flujo y / o múltiples capas de materiales blandos, son elementos centrales, por ejemplo, las investigaciones de flujo a través de los vasos sanguíneos, el sueño apnea de locomoción, y de los animales (en especial la natación y el vuelo).
El modelo descrito aquí tiene algunas limitaciones que podrían ser temas de investigación y desarrollo futuros. Los materiales han lineal tensión-deformación características de la respuesta, y una mejora futura anticipada incluye la incorporación de los lineales de esfuerzo-deformación de materiales. El uso de la diversidad biológica en lugar de materiales sintéticos en este proceso de fabricación también es posible. Debido a la extrema flexibilidad de la capa de la lámina propia, el modelo es menos sólida que la anterior bajo la vibración de una y dos capas de modelos. Sin embargo, manteniendo la presión subglótica por debajo de aproximadamente 1 kPa y, ocasionalmente, la aplicación de polvos de talco para reducir al mínimo adhesión a la superficie debe permitir que el modelo que se utilizará para la duración en el orden del día con mínimos cambios en el comportamiento del modelo, por lo general muy superiores a los posibles con la laringe extirpada.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Los autores agradecen donaciones R03DC8200, R01DC9616 y R01DC5788 del Instituto Nacional de la Sordera y Otros Desórdenes de la Comunicación para el soporte del desarrollo del modelo sintético.
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
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