Summary
本稿ではヒトとヒト以外の哺乳類における発声の様々 な生物物理学的側面を調査するために声帯振動の多次元ビューを促進するヘミ喉頭標本の準備のためのプロトコル。
Abstract
ほとんどのヒト以外の哺乳類と人間の声は、声帯の自立振動を通して喉頭で生成されます。声帯振動の直接の映像記録は、ヒト以外の哺乳類で特に困難です。別の方法としては、摘出喉頭実験は管理された生理学的および物理的な条件の下で声帯振動を調査する機会を提供します。ただし、完全喉頭の使用は単空気力との相互作用観測による振動の構造の重要な部分を除く、声帯の平面図を提供します。ここで 1 つの半分にヘミ喉頭セットアップを利用してこの制限を克服できる喉頭の半ば矢削除、自励発振時に優れたと残りの声帯の横方向ビューを提供します。
ここでは、研究室のベンチに片側喉頭の構造と、取り付けの解剖学的な準備のためのステップ バイ ステップ ガイドが与えられます。ヘミ喉頭準備の模範的な発声は、2 つの同期カメラ (スーペリアーと横方向の眺め)、示す三次元声帯運動および対応する接触面積の時間変化を取り込んだ高速ビデオ データを記載されています。このパブリケーションでヘミ喉頭セットアップのドキュメント アプリケーションと再現性の実験的研究、発声のバイオメカニクスを理解する可能性のある音声科学者を提供することで容易になります。
Introduction
声は、空気パルス シーケンスに肺によって提供される安定した気流を変換する喉頭組織 (主に声帯ヒダ) を振動によって通常作成されます。音圧波形 (つまり、プライマリの音)、それらをフィルタ リングする声道音響流パルスこのシーケンスから新興興奮させるし、鼻1 から放射口からと (ある程度) に結果としての音.生成された音のスペクトル構成主、声帯振動、喉頭のバイオメカニクスと2気管気流との相互作用によって支配の質によって影響されます。臨床と研究のコンテキストの両方で、ドキュメントと声帯振動の評価は、何よりも興味の発声を学ぶとき。
ヒトでは、体内の健全な生産の間に喉頭の直接内視鏡調査は挑戦的なとは現在技術的な手段を与えられるヒト以外の哺乳類のほぼ不可能です。したがって、慎重に制御保証物理的および/または生理学的な実験的境界条件、摘出 larynges3,4の使用する順番は、多くの場合の調査のための適切な置換体内音声生成機構。
声帯振動は、複雑な 3次元現象5です。従来の調査法のような (体内) 喉頭内視鏡検査または摘出喉頭準備通常ビューを提供のみ優れた声帯の振動6、彼らはの完全な三次元解析を許可しません。声帯運動。特に、優れたビューで声帯の下 (尾) 余白は見えない振動サイクルの主要な部分の間に。これは劣る (尾) と (頭蓋) 縁声帯、声帯振動5中に通常見られる現象間の位相遅延が原因です。数理モデルから調査結果をバックアップするための直接経験的な証拠は乏しい、ジオメトリの知識と低い声の動きを折るエッジ7、およびこうして声門チャネル8,9のジオメトリ,10は喉頭・声帯組織・結果の荷重や圧力11,12間の相互作用の理解のために重要です。恒例の優れたビューから隠されている声帯振動の別の側面は、2 つの声帯間の接触の垂直 (caudo 頭蓋) 深さです。連絡先奥行き歌 (レジスタ「裏声」対「胸」)13,14で使うボーカル レジスタの潜在的な指標は、声帯ヒダの縦の厚さに関連しています。
ここで 1 つの半分は、いわゆる片側喉頭セットアップ従来 (フル) 摘出喉頭製剤の欠点を克服するために利用できる喉頭が削除されるため、残りの振動特性の評価が容易3 つの次元で声帯。驚いたことに、この 1960 年代15設定の導入、1993年16における概念の初期検証多くない所はこの有望な実験的アプローチと17,18 実験を実行しています。 ,,1920,21,22,23。これのための説明は、実行可能な片側喉頭準備の作成の難しさの発見可能性があります。従来の切除 (フル) 喉頭の準備は十分に文書化4が、このような詳細な手順がないまだ片側喉頭のセットアップを作成するため。したがって、このペーパー レッド ディアの標本から実験結果によって補われる確実に再現可能な片側喉頭セットアップを確立するためのチュートリアルを提供する目的です。
ヘミ喉頭セットアップは測定装置、高速などの「従来型」の摘出喉頭セットアップまたはサウンドの生成中または適切な喉頭の構造物の振動を適切に文書に他のイメージング技術と多くの機能を共有します。加熱、加湿空気の供給。これらの一般的なセットアップの考慮事項は、本章4国立センターの音声、音声24から技術的なレポートで詳細に説明します。この原稿の範囲を超えてこれらの指示の繰り返しになります。ここでは、ヘミ喉頭セットアップを生成するため特殊なディレクティブのみが掲載されています。
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Protocol
本稿で分析した動物の標本は、パラツキー大学オロモウツ、チェコ共和国での標準倫理的な要件に従って扱われました。彼らは赤いシカの通常の狩猟シーズン中にチェコ軍森林サービスによって捜された林で乱暴生活から生じる。
1. 片側喉頭標本の準備
注: 唯一の適切に準備された標本使わなければなりません、4に示すように。喉頭の凍結迅速な切除し-80 ° C で保存した直後に25組織分解の潜在性と力学的特性の変化を最小限に抑えるし、でいつでも実験を実行することができます。
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喉頭を解凍
- 2 オートクレーブ バッグや防水シールと他のビニール袋に冷凍の喉頭を挿入します。袋を密封して喉頭を完全に解凍するまで 30 の ° C に加熱水のお風呂に入れます。必要な期間の範囲は、数時間から喉頭サイズおよび凍結温度によってより多くの日。
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喉頭をクリーニング
- バッグから削除し、徹底的にそれをきれいに生理食塩液を喉頭を解凍後 (0.9 %nacl)。
- 慎重に必要に応じて、余分な組織を削除 (すなわち外部の首の筋肉、舌骨など) なしメインの喉頭の構造の損傷や気管、空気供給管に喉頭をマウントするために十分な長さを短縮 (ca. 通常 4-5 cm)。
- 潜在的実験には不向き、喉頭を作ることができる凍結の過程から発生するクラックや有機の変形、傷などの潜在的な生体組織異常のため喉頭組織を確認します。
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甲状腺と輪状軟骨の露出
- 正中カット片側喉頭の作成の準備で軟骨を公開するので、メスを用いた甲状腺と輪状軟骨周囲の外喉頭筋組織の部分を削除します。この準備段階は、図 1 aおよび1 bで描かれています。
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正中甲状軟骨を切ってください。
- 甲状軟骨の前部の初期垂直カットを作る。
- 保存状態を維持する必要がある声帯に損傷を与えるために、削除される側に少しカットして慎重に置きます。可能であれば、切断用メスを使用します。軟骨が骨化すると場合、は、小さな鋸を使用します。
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輪状軟骨を切断
- 垂直方向にカットをリード (下方に) から披裂軟骨の間に放置して下甲状腺ノッチの約水平レベルに輪状軟骨。
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喉頭に L 字切開を作成する 1 つの声帯除去
- 輪状軟骨で、以前作った垂直カットの下の端から始まってを切り取って、下甲状腺切り込みに向かって新しいカットを導く水平を確認します。前方削除する起こっている喉頭の側面を隠します。
- 甲状軟骨の内側の軟部組織を切って、甲状軟骨、声帯への損傷を避けるために、声帯の前方の添付ファイルの間にカットをリードしながら注意してください - 垂直を確認します。
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甲状軟骨のカットの絞り込み
- 以前検査した声帯の前方部分にできるだけ近いメス、のこぎり、または甲状軟骨で正確にストレート カットを適用し、として取得するために、ファイルを使用します。
- また後部の甲状軟骨の一部を削除、披裂の内転の芯を挿入するためのスペースを作成するために軟骨そしてこうしてボーカル折り (下記参照)。この準備段階は、図 1と1 Dで描かれています。
注: 研究の質問によって声帯全体における博覧会は上からの表示を有効にするのに必要かもしれない。このような場合は、(真) の声帯 (すなわち、心室または前庭倍、解剖学標本の指定に応じて) 上の構造を削除してください。いくつかの標本は声帯より上内側の軟喉頭部甲状軟骨との接続を失う可能性があり、声帯振動時に干渉、スプリアスの (大抵不規則な) 振動パターンを引き起こして可能性があります。このようなケースでは、その組織を慎重に除去は避けられないです。
図 1: ヘミ喉頭準備および取り付け。(A) と (B) クリーニング喉頭片、左声帯; 削除する前に、内側と後部のビュー(C) と (D) 準備されたヘミ喉頭 L 字切開 (左声帯除去)、内側と後部のビュー。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
2. 片側喉頭実験
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ヘミ喉頭セットアップ
- 喉頭に温め、加湿空気を提供する空気供給管を使用します。
- 構造 2 は垂直に削除された喉頭部分の代替として透明板を配置しました。
- 使用熊手が喉頭の安定性が向上し、縦のガラス プレートに残りの声帯の内転によって適切な pre-phonatory 喉頭構成を作成するため4 (図 2 a参照)。
注: 理論的には、声帯可能性がありますもが内転し縫合糸と滑車レバー システム26の重みで。しかし、このようなアプローチは、これらの著者の最高の知識にまだ試みられて hemilarynx 準備のため。
図 2: ヘミ喉頭セットアップします。(A) 支持構造: 空気供給管、L 型のガラス プレート アレンジ、内転の熊手。(B) 片側喉頭内転の突起を持つ準備をマウントします。(C)、ヘミ-喉頭-準備の (D) クローズ アップ表示側からと、上からそれぞれ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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ヘミ喉頭をマウント
- 義歯固定剤クリームを空気供給管をカバーし、喉頭、気管の残りの部分をマウントします。定着性のクリームは接着剤として働き、従って気密のシールを作成する、潜在的なギャップを閉じます。
- プラスチック製のストラップやホースのクランプを締めと気管を固定します。
- また定着剤の定着性声帯や喉頭生体組織の内部ソフト クリームを拡散を回避しながら、クリームと甲状軟骨のカットのエッジをカバーします。
- 透明の板を取り付けます。
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甲状軟骨の突起を使用して声帯の内転の安定化
- 付加体をプレートに声帯、甲状軟骨を安定させる突起を使用します。
- 定着性のクリームが設定後は、声帯振動とヘミ喉頭とガラス板の可能なリークのチェックを確立するために空気の流れを適用します。
- 多く定着性のクリームを追加することによって、最終的に発生するギャップをシールします。
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Representative Results
ヘミ喉頭準備をし、前のセクションで参照している、空気供給管に取付部のイラストは、それぞれ図 1と図 2で提供されます。
2 つのカメラ アングルから声帯振動のドキュメント
片側喉頭の声帯の気流力自立振動上から記載され、2 つの側から同期高速ビデオ (HSV) カメラ 6,000 フレーム/秒、音響の時間同期録音によって補完で運営し、electroglottographic (下記参照) データを 44.1 kHz でサンプリングします。使用する機器のリストを含むデータ集録のセットアップの詳細については、著者27,28のこのグループによって以前の出版物で見つけることが。これらの HSV の録音からの映像をビデオ添付に示します。静止画、振動のサイクルの中で代表的な瞬間を抽出は、図 3のとおりです。トップ ビュー (各パネルの上半分) メディオ側声帯の動きを示しています、声門が閉じられるを示す図 3 aで開いた声門、声門気流、図 3B ~ Dの間 (声帯と完全な接触です縦のガラス プレート) の流れ従って声帯空気を逮捕します。3B D を数字の側面図 (各パネルの下半分) は、ガラス板と同様に形状を変えるとその連絡先の垂直方向の位置に対して声帯の接触の度合いを示しています。
図 3: 片側喉頭の声帯振動します。(A ~ D)トップ (各パネルの上半分) と (それぞれのパネルの半分を下げる) 側視点のカメラ、高速ビデオ映像から静止画が、代表で振動サイクル内のポイントを抽出しました。(A)、声帯の接触がないことに注意してくださいし、接触を折る、変化 (領域、形状、および位置の両方) ボーカル (B D)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
通水声門運動解析
声門運動の定量的解析を図 4に示します。声門は (振動) 声帯29、自励振動中のたわみによって作成された間変数です。上面 HSV 映像の最先端の分析は、声帯30,31の横方向のたわみをトレースできます。ここで説明したヘミ喉頭準備も声帯振動の垂直 (caudo 頭蓋) 側面を評価する設備を追加します。
図 4: 通水声門運動解析します。
(A) と (B) のビデオ静止画 6,000 フレーム/秒の高速録画 (HSV) から撮影したヘミ喉頭の平面図と側面図を示します。黄色の垂直線は、トップ ビューのパネル C と E と D および F パネル側面図に示すように kymograms の通水スキャンの行の位置を示します。(C) と (D) デジタル kymograms それぞれの上部と側面、HSV 映像から抽出します。(E) 声帯の時間変化の水平変位は、kymogram から抽出され、線 (破線) をトレースします。(F)、声帯の下、優れたエッジの時変たわみ、kymogram から評価、それぞれ点線、破線とトレースします。声門構造の時間変化の (G) 総観的描写: 横声帯たわみ (「トップ」、淡いバイオレット) とフォールド縁から抽出した優れた (「側ジェソプ」、暗赤色) と下 (「側情報」、ダーク グリーン) ボーカルの垂直偏向角度E と F のパネルに示すように kymograms パネル (私) g. に示す声門構造変位データと上司の変位データから派生した (J) 声門運動再建から派生した (H) モーション速度と声帯下余白パネル g. に示すように矢印は回転運動の方向を示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
2 つのデジタル kymograms は上面と側面ビュー (図 4 および 4 D) HSV データから生成されました。デジタル kymogram (DKG)32,33,34,35、(通常時点で最大の声帯振動振幅)、単一行のピクセル データの高速の撮影の連続番号から横軸に時間軸を形成するビデオ フレームが連結されます。DKG スキャン ラインで覆われた構造の時間変化の変位は縦軸に表示されます。図 4- の例ではF、DKG スキャン上の線の位置とサイド ビューを途中で Hampalaらによって記述されたアプローチを利用した声帯の前後 (頬骨背) ディメンションに沿って選択した、。式 1 の27。
咽喉の外側と caudo 頭蓋変形劣ると優れた声帯のエッジによって線引き DKG データ (図 4E と 4 階) 内でトレース, に埋め込まれたビデオのフレーム レートとキャリブレーション情報に基づくメトリック単位で表される(図 4およびH) の動画。二次元の復興声帯 (すなわち、最大振動振幅の場所) の中央 (水平および垂直) 声門運動図 4 eとFの 3 つの完全な声門のサイクルが表示されます。声門のサイクルの大半の間に声帯 (声門閉鎖を表す)、ガラス板との接触があったさまざまな接触の深さとオープン フェーズ中 (すなわちガラス プレートと接触して、声帯がない場合、)、下と優れたボーカルの痕跡を折るエッジ ヒューズおよび他の研究からの結果に部分的に同意で複雑な繰り返し運動パターンを展示。5,20,36,37 (人間のモーション パターンはここで調べたレッド ディア標本のそれよりもう少し楕円形する傾向がある)。興味深いことに、鉛直変位は約 10 mm、すなわち、ほとんど桁違いの人間で発見されたものよりも大きい振動振幅に達した。
声帯の接触面積
(卵)38は、発声時における相対的な声帯の接触領域 (VFCA) の変化を測定するため広く使用されている非侵襲的な方法です。低強度高周波電流は、喉頭の両側声帯レベルで 2 つの電極の間に渡されます。喉頭発声時に声帯 (de) に連絡起因アドミタンスのバリエーションが主に比例して相対的な声帯の時間変化領域39にお問い合わせください。卵の信号は、声帯振動、基本周波数と振動政権 (不規則なまたは周期、分岐など) を反映して信頼性の高い生理学的相関と見なされます。にもかかわらず、広範な応用、VFCA と心電図波形の可能な直接関係、最近までだけでテストされている単一の研究17, VFCA と卵信号の振幅のおよそ線形関係を示唆しています。ただし、流動誘起声帯振動はないその研究で調査されました。したがって、適切な生理学的な条件の下で相対的な VFCA の尺度として卵の厳格な実証的評価が必要したがって、まだでした。
この問題に、著者のこのグループは最近、導電性ガラス板27を利用したヘミ-喉頭摘出準備の 3 つのレッド ・ ディア larynges を調査しました。声帯とガラス プレートの様々 な接触を監視 6000 fps、矢状面は、高速ビデオ録画する時間 ± 0.167 さんの精度で卵信号に同期した代表の結果から、研究で表示されます。図 5を示す平均卵信号と VFCA-と良い契約参照27詳細についてを参照してください)。
図 5: 声帯の接触面積 (VFCA) と electroglottographic (卵) 波形の比較。(A ~ D)声門サイクル内で 4 つの瞬間でレッド ディアの片側喉頭の側面図を示す高速のビデオ データからビデオの静止画。(すなわち、片側喉頭の設定で縦のガラス プレートと接触して、声帯のところエリア) 手動で評価した声帯の接触面積、シアンで重ね合わせられます。(E) 声門 1周の声帯の接触相の正規化された卵と VFCA データの比較。ボーカルの評価から生じた VFCA データは、声門のサイクル全体にわたって接触面積 (ピクセル単位でカウント) を折る。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
ヘミ喉頭準備を共有する「従来型」の (完全な) 摘出喉頭セットアップの利点: このような実験的アプローチ、物理的、生理的な境界条件とパラメーター (声門圧力や声帯伸長) などはすることができますかなりよく制御されます。Hemilarynx の動作は相同性と完璧な完全喉頭の横方向の対称性、例外とその大きさのいくつかのパラメーターの (e.g、風量、音圧) 約 50% 削減はまだまだ内にある。現実的な範囲は16。すなわち、完全摘出喉頭アプローチの主な欠点、上-下 (caudo 頭蓋) ディメンションに沿って声帯表面の可視性の欠如は振動のボーカルの側のビューを提供することによって片側喉頭セットアップで克服。フォールドします。片側喉頭のセットアップしたがってヒトとヒト以外の哺乳類の生物物理音発生機構の細部を理解する際に重要ですが複数の次元で声帯運動の評価を使用できます。
ここでは、ヘミ喉頭セットアップのいくつかの模範的なアプリケーションが実証されています。2 つのカメラ アングルから声帯振動のマニュアルには、さらに質的・量的データ分析ことができます。本稿で新たに導入された、垂直方向の通水声門運動分析によって前後 (背腹) 声門軸に沿って選択した位置に沿って声門の幾何学的な変動の復元できます。声門の軸に沿って等間隔等間隔いくつかのポイントのためのこの分析を繰り返し、全体の声帯の動きが再構築可能します。このアプローチはマーキング (声門を形成しない点) にも声帯組織の個々 の"fleshpoints"を追跡して例えば、声帯運動の評価と比較して、同一ではない結果が、匹敵するとマイクロ縫合糸20またはシリコン カーバイド粒子5,40。さらに声門気流と振動の喉頭組織との相互作用の詳細を調査する 3 つの次元の時間変化声門ジオメトリに関する正確な知識が欠かせません。たとえば、自立のボーカルの計算モデルを折る振動ジェット気流分離41,42,43,44の点に関して多くの経験的なデータとして改善される可能性が 45,46,47,48が利用可能になります。
図 5に示すように、ヘミ喉頭準備により自律的な声帯振動時に声帯の接触面積 (VFCA) の評価です。1 つは、VFCA の時間変動の相対的な大きさについての知識が役に electroglottographic 測定から結果を検証するため27、卵として、広く使われているメソッド ボーカルの非侵襲的評価倍振動の生体です。さらの正確な VFCA ジオメトリおよびその時間をかけて計測は、声帯の接触深さ49といわゆる粘膜波動50の速度の潜在的な関係の概念の理解に不可欠であると証明するかもしれない,51,52,53. 声帯組織の表面カバー層内空気駆動型進行波が発生しますが。この波に移動最初トランス声門気流と共に下からボーカルの優れたエッジを折るし、伝達横上部声帯表面を渡ってすべて振動サイクル54回します。
すべてを考慮に入れると、ヘミ喉頭アプローチは、基本的な音声学の経験的な方法の現在利用可能な武器の強力なまだ広く使用されていない成分です。ここでは、ヘミ喉頭準備を作成するためのチュートリアルを提示するといくつかの潜在的な将来のアプリケーションの説明。命令を与えられた従って音声科学者を提供する発声のバイオメカニクスを理解する可能性のある別のラボ実験の再現性の向上を助けるかもしれない。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この作品が支持されたオーストリアのアカデミー科学 (CTH) のアパートの付与、チェコ共和国の技術振興プロジェクトなし。TA04010877 (CTH、VH と国債)、およびチェコ科学財団 (GACR) プロジェクト (国債) に GA16 01246S のないです。義歯定着性のクリームを使用する彼の提案のためのテカムセ フィッチ w. と Ing に感謝しますP. リシュカ摘出鹿 larynges を取得するのに彼の助けをチェコ軍のフォレスト サービスから。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Surgical blades | Surgeon | Jai Surgical Ltd., New Delhi, India | |
| Saw | Hand saw (Lux, 150 mm length) | Lux, Wermelskirchen, Germany | |
| Thermometer | Testo 922 | Testo Ltd., Hampshire, UK | K-type Probe, Operating temperature -20 to +50 °C |
| Autoclave bags | Autoclave bags | vwr.com, VWR International s.r.o., Stribrna Skalice, Czech republic | |
| Conductive glass plates | Custom made | UPOL - Joint laboratory of Optics Trida 17. listopadu 50A, 772 07 Olomouc, the Czech Rep. |
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| Fixative cream | Denture fixative cream | Blend-a-dent Natural | |
| Prongs and fastening system | Customized Kanya Al eloxed profiles | Distributor: VISIMPEX a.s.. Seifertova 33, 750 02 Prerov, the Czech Rep.; | Combination of Kanya RVS and PVS fastening systems (http://www.kanya.cz/) + custom made prongs |
| Mounting tube | Custom made | UPOL - Joint laboratory of Optics, Trida 17. listopadu 50A, 772 07 Olomouc, the Czech Rep. |
|
| LED Light | Verbatim 52204 LED Lamp | Mitsubishi Chemical Holdings Corporation, Tokyo, Japan | |
| Camera | Canon EOS1100D | Canon Inc. | 18-55 mm lens |
| Airpump | Resun LP100 | Resun | |
| Strobe light | ELMED Helio-Strob micro2 | ELMED Dr. Ing. Mense GmbH, Heiligenhaus, Germany | |
| Humidifier | Custom made | Voice Research Lab, Dept. Biophysics, Faculty of Sciences, Palacky University Olomouc, Czech republic | |
| Subglottic tract | Custom made adjustable subglottic tract | Voice Research Lab, Dept. Biophysics, Faculty of Sciences, Palacky University Olomouc, Czech republic | Hampala, V., Svec, Jan, Schovanek, P., and Mandat, D. Uzitny vzor c. 25585: Model subglotickeho traktu. [Utility model no. 25585: Model of subglottal tract] (In Czech) Soukup, P. 2013-27834(CZ 25505 U1), 1-7. 24-6-2013. Praha, Urad prumysloveho vlastnictvi |
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