Summary

Fremstillingsproces for ikke-klæbende superbløde vokalfoldmodeller

Published: January 05, 2024
doi:

Summary

Denne undersøgelse demonstrerer fremstillingen af ikke-klæbrige og superbløde vokalfoldmodeller ved at introducere en bestemt måde at skabe vokalfoldlagene på, give en detaljeret beskrivelse af fremstillingsproceduren og karakterisere modellernes egenskaber.

Abstract

Denne undersøgelse har til formål at udvikle superbløde, ikke-klæbrige vokalfoldmodeller til stemmeforskning. Den konventionelle fremstillingsproces af silikonebaserede stemmefoldmodeller resulterer i modeller med uønskede egenskaber, såsom klæbrighed og reproducerbarhedsproblemer. Disse vokalfoldmodeller er tilbøjelige til hurtig aldring, hvilket fører til dårlig sammenlignelighed på tværs af forskellige målinger. I denne undersøgelse foreslår vi en ændring af fremstillingsprocessen ved at ændre rækkefølgen af lagdeling af silikonematerialet, hvilket fører til produktion af ikke-klæbrige og meget konsistente vokalfoldmodeller. Vi sammenligner også en model produceret ved hjælp af denne metode med en konventionelt fremstillet vokalfoldmodel, der påvirkes negativt af dens klæbrige overflade. Vi beskriver fremstillingsprocessen og karakteriserer modellernes egenskaber til potentielle anvendelser. Resultaterne af undersøgelsen demonstrerer effektiviteten af den modificerede fabrikationsmetode og fremhæver de overlegne kvaliteter af vores ikke-klæbrige vokalfoldmodeller. Resultaterne bidrager til udviklingen af realistiske og pålidelige vokalfoldmodeller til forskning og kliniske anvendelser.

Introduction

Vocal fold modeller bruges til at simulere og undersøge menneskelig stemmeproduktion under normale og patologiske forhold 1,2. En af de største udfordringer ved at skabe vokalfoldmodeller er at opnå en realistisk blødhed og fleksibilitet, der ligger tæt op ad menneskers. For at opnå disse egenskaber anvendes ofte silikoneelastomerer, som fortyndes med store mængder silikoneolie for at opnå det tilsvarende elasticitetsmoduli 3,4. En anden afgørende faktor for at skabe realistiske vokalfoldmodeller er lagdeling, da vokalfolder består af flere lag af varierende blødhed, som bestemmer mønsteret af flowinduceret vibration og frekvensen, hvormed vibrationer er mulige.

I denne undersøgelse skabte vi en typisk vokalfoldmodel. Vi brugte den fælles geometri leveret af Scherer5, som repræsenterer typiske dimensioner for mandlige vokalfolder med 17 mm længde ifølge Zhang6 og består af tre lag: et lag til vocalismusklen (kropslag), et til hele slimhindelaget (dæklag) og et til epitelet. Denne struktur kan ses i koronalt tværsnit i figur 1.

Figure 1
Figur 1: Koronalt tværsnit af strubehovedets moduler. Koronalt tværsnit af strubehovedets moduler, der illustrerer den bredeste bredde af vokalfolderne (8,5 mm). Hver vokalfold består af et kropslag, et dæklag og et epitellag. Dette tal er ændret fra13. Gengivet fra Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Effekt af bølgede luftrørvægge på svingningstrykket i silikone vokalfolder. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) med tilladelse fra Acoustical Society of America. Klik her for at se en større version af denne figur.

Andre publikationer bruger delvist kun et lag7, to lag uden epitellag2 eller modellerer slimhinden med flere lag3. Normalt støbes lagene indefra og ud, dvs. startende med det dybeste lag. Epitelet, som er meget tyndt med 30 μm tykkelse, støbes i enden over hele kroppen for at omslutte det med en robust hud8.

Dæklaget i modellen er den blødeste del med Youngs modul på ca. 1,1 kPa9. For kropslaget er det omtrentlige Youngs modul i tværretningen ved hjælp af in vitro-målinger 10 2 kPa. In vivo kan Youngs modul i thyroarytenoidmusklen være højere på grund af tilstedeværelsen af fibre i længderetningen såvel som den mulige spænding af musklen. For at opnå dette ekstremt lave Youngs modul er det nødvendigt at tilføje en høj mængde silikoneolie til silikoneblandingen (ca. 72%). Fabrikanten fraråder dog kraftigt at bruge en olieandel større end 5%. Generelt er tilsætningen af silikoneolie til elastomeren beregnet til at øge strømnings- og dryppetiden samt reducere krympningen af den hærdede silikonepolymer. Det hjælper silikonen med at hærde mere ensartet og derved reducere belastningen i materialet. Dens formål er at optimere formbarheden og egenskaberne af det hærdede materiale snarere end at øge dets blødhed, selvom dette også er en konsekvens. Dette skyldes, at silikoneolie er kemisk inert, hvilket betyder, at den ikke kan polymerisere sig selv og ikke er integreret i netværket af silikonepolymeren11. I stedet forbliver det som en flydende fase i polymermatrixen, hvilket svækker polymerstrukturen på højere niveauer og potentielt får den til at opløses ud af det hærdede materiale og klæbe til overfladen. Som et resultat er andre negative egenskaber såsom hærdningsforstyrrelser, ujævn vulkanisering, kemisk krympning og skørhed mulige. Vocal fold modeller med højt silikone olieindhold blev undersøgt med hensyn til aldring og reproducerbarhed, og det blev konstateret, at der er en høj variabilitet i egenskaberne af forskellige modeller og en ændring i deres egenskaber over tid11.

Ved fremstilling af vokalfoldmodeller på den konventionelle måde 7,12 kan epitellagets klæbrighed være et problem, da det kan påvirke vibrationernes homogenitet og føre til brud på epitelet. Selvom silikonen, der bruges til at fremstille epitelet, er ufortyndet, kan det antages, at olien, der lækker fra det nærliggende slimhindelaget, har lignende virkninger på silikonen, som om den var blevet fortyndet. Problemet med klæbrighed blev løst ved at tilføje forskellige pulvere såsom talkum eller carbonpulver som et mellemlag mellem slimhinden og epitellaget,12. Denne fremgangsmåde kan have været vellykket, fordi olien delvist blev absorberet af pulveret, og som følge heraf kunne epiteloverfladens klæbrighed reduceres.

I denne publikation viser vi, at problemet med klæbrighed kan omgås ved en lille ændring af processen med vokalfoldfremstilling. Ved at ændre rækkefølgen af lagdeling og starte med den ufortyndede epitelsilikone (såkaldt lukket silikone) kan der produceres ikke-klæbrige superbløde vokalfoldmodeller. Denne ændring involverer usædvanlige typer forme og metoder, der bedst præsenteres og forklares i form af en video. I dette papir beskriver vi vores fremstillingsproces i detaljer og demonstrerer, hvordan egenskaberne af vokalfoldmodellerne kan karakteriseres i en applikation.

Protocol

1. Design af vokalfoldmodellerne og 3D-print af dele Opret en flerlags repræsentation af den almindelige M5-geometri af silikonevokalfolder ved hjælp af forskellige bløde silikonematerialer. Design de enkelte dele ved hjælp af computerstøttet design (CAD) software. Se den supplerende kodningsfil 1, den supplerende kodningsfil 2, den supplerende kodningsfil 3, den supplerende kodningsfil 4, den supplerende kodningsfil 5, den supplerende kodningsfil 6, den supplerende kodningsfil 7, …

Representative Results

Den fabrikerede vokalfoldmodel blev integreret i måleopsætningen afbildet i supplerende figur 3 ved vokalfoldpositionen. Opsætningen, der er udførligt detaljeret beskrevet i en tidligere publikation13, består af en flertrins kontrollerbar luftstrømskilde, der stimulerer vokalfoldmodellerne til svingning sammen med en række måleinstrumenter, der registrerer data såsom lydtryk, statisk tryk ved bestemte positioner og volumenhastighed. Til målingerne steg luftstrømmen grad…

Discussion

Fremstillingsprocessen, der præsenteres her, involverer kritiske trin, der i væsentlig grad påvirker dens succes. For det første skal det bemærkes, at den præsenterede fremstillingsproces ikke løser problemet med oliemætning i vokalfoldens kropsmateriale, men snarere omgår visse negative bivirkninger. Afgasningen og den dermed forbundne krympning og overfladebølge varer ved, om end i mindre grad. En løsning på disse problemer ville indebære brugen af en ultrablød silikone eller alternativt materiale, der ko…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette projekt er støttet af den tyske forskningsfond (DFG), bevillingsnr. BI 1639/9-1.

Materials

3D Printer ULTIMAKER Type S5
3D Printing software ULTIMAKER CURA Version 5.2.2
CAD Software Autodesk Inventor  Version 2023
High Speed Camera XIMEA GmbH MQ013CG-ON
PLA+ 3D Printer Material  eSun none white
Primary silicone KauPo Plankenhorn 09301-005-000041 EcoFlex 00-30
Release Agent KauPo Plankenhorn 09291-006-000001 UTS Universal
Secondary silicone KauPo Plankenhorn 09301-005-000181 DragonSkin NV10
Silicone Thinner KauPo Plankenhorn 09301-010-000002
Tougth PLA 3D Printer Material  BASF black

References

  1. Drechsel, J. S., Thomson, S. L. Influence of supraglottal structures on the glottal jet exiting a two-layer synthetic, self-oscillating vocal fold model. J Acoust Soc Am. 123 (6), 4434-4445 (2008).
  2. Stevens, K. A., Shimamura, R., Imagawa, H., Sakakibara, K. I., Tokuda, I. T. Validating Stereo-endoscopy with a synthetic vocal fold model. Acta Acustica United with Acustica. 102 (4), 745-751 (2016).
  3. Murray, P. R., Thomson, S. L. Synthetic, multi-layer, self-oscillating vocal fold model fabrication. J Vis Exp. (58), e3498 (2011).
  4. Spencer, M., Siegmund, T., Mongeau, L. Determination of superior surface strains and stresses, and vocal fold contact pressure in a synthetic larynx model using digital image correlation. J Acoust Soc Am. 123 (2), 1089-1103 (2008).
  5. Scherer, R. C., et al. Intraglottal pressure profiles for a symmetric and oblique glottis with a divergence angle of 10 degrees. J Acoust Soc Am. 109 (4), 1616-1630 (2001).
  6. Zhang, Z. Mechanics of human voice production and control. J Acoust Soc Am. 140 (4), 2614-2635 (2016).
  7. Birkholz, P., Wang, L. . Studientexte zur Sprachkommunikation: Elektronische Sprachsignalverarbeitung. , 58-66 (2017).
  8. Murray, P. R. . Flow-induced responses of normal, bowed, and augmented synthetic vocal fold models. , (2011).
  9. Alipour, F., Vigmostad, S. Measurement of vocal folds elastic properties for continuum modeling. J Voice. 26 (6), e21-29 (2012).
  10. Chhetri, D. K., Zhang, Z., Neubauer, J. Measurement of young’s modulus of vocal folds by indentation. J Voice. 25 (1), 1-7 (2011).
  11. Häsner, P., Birkholz, P. Reproducibility and aging of different silicone vocal folds models. J Voice. , (2023).
  12. Gabriel, F., Häsner, P., Dohmen, E., Borin, D., Birkholz, P. . Studientexte zur Sprachkommunikation: Elektronische Sprachsignalverarbeitung. , 221-230 (2019).
  13. Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Effect of wavy trachea walls on the oscillation onset pressure of silicone vocal folds. J Acoust Soc Am. 149 (1), 466-475 (2021).
  14. Birkholz, P. . Studientexte zur Sprachkommunikation: Elektronische Sprachsignalverarbeitung. , (2016).
  15. Boersma, P., Weenink, D. Praat, a system for doing phonetics by computer. Glot. Int. 5, 341-345 (2001).
  16. Fukui, K., Shintaku, E., Honda, M., Takanishi, A. Mechanical vocal cord model for anthropomorphic talking robot based on human biomechanical structure. Trans Japan Soc Mech Eng Ser C. 73 (734), 2750-2756 (2007).
  17. Syndergaard, K. L., Dushku, S., Thomson, S. L. Electrically conductive synthetic vocal fold replicas for voice production research. J Acoust Soc Am. 142 (1), 63 (2017).

Play Video

Cite This Article
Häsner, P., Birkholz, P. Manufacturing Process for Non-Adhesive Super-Soft Vocal Fold Models. J. Vis. Exp. (203), e66222, doi:10.3791/66222 (2024).

View Video