الاصطناعية ، ومتعدد الطبقات ، الذاتي تتأرجح صوتي تصنيع الغطاء النموذجي

Summary

يوصف منهجية لافتعال الاصطناعية نماذج أضعاف الصوتية. نماذج هي الحياة الحجم وتحاكي بنية متعددة الطبقات من الطيات الصوتية في الإنسان. النتائج تظهر على نماذج لضغوط مماثلة للضغط على الرئة النفس التأرجح وشرح تدفق بفعل ردود الاهتزازية التي هي مشابهة لتلك الطيات الصوتية البشرية.

Abstract

Sound for the human voice is produced via flow-induced vocal fold vibration. The vocal folds consist of several layers of tissue, each with differing material properties ¹. Normal voice production relies on healthy tissue and vocal folds, and occurs as a result of complex coupling between aerodynamic, structural dynamic, and acoustic physical phenomena. Voice disorders affect up to 7.5 million annually in the United States alone ² and often result in significant financial, social, and other quality-of-life difficulties. Understanding the physics of voice production has the potential to significantly benefit voice care, including clinical prevention, diagnosis, and treatment of voice disorders.

Existing methods for studying voice production include in vivo experimentation using human and animal subjects, in vitro experimentation using excised larynges and synthetic models, and computational modeling. Owing to hazardous and difficult instrument access, in vivo experiments are severely limited in scope. Excised larynx experiments have the benefit of anatomical and some physiological realism, but parametric studies involving geometric and material property variables are limited. Further, they are typically only able to be vibrated for relatively short periods of time (typically on the order of minutes).

Overcoming some of the limitations of excised larynx experiments, synthetic vocal fold models are emerging as a complementary tool for studying voice production. Synthetic models can be fabricated with systematic changes to geometry and material properties, allowing for the study of healthy and unhealthy human phonatory aerodynamics, structural dynamics, and acoustics. For example, they have been used to study left-right vocal fold asymmetry ^3,4, clinical instrument development ⁵, laryngeal aerodynamics ^6-9, vocal fold contact pressure ¹⁰, and subglottal acoustics ¹¹ (a more comprehensive list can be found in Kniesburges et al. ¹²)

Existing synthetic vocal fold models, however, have either been homogenous (one-layer models) or have been fabricated using two materials of differing stiffness (two-layer models). This approach does not allow for representation of the actual multi-layer structure of the human vocal folds ¹ that plays a central role in governing vocal fold flow-induced vibratory response. Consequently, one- and two-layer synthetic vocal fold models have exhibited disadvantages ^3,6,8 such as higher onset pressures than what are typical for human phonation (onset pressure is the minimum lung pressure required to initiate vibration), unnaturally large inferior-superior motion, and lack of a "mucosal wave" (a vertically-traveling wave that is characteristic of healthy human vocal fold vibration).

In this paper, fabrication of a model with multiple layers of differing material properties is described. The model layers simulate the multi-layer structure of the human vocal folds, including epithelium, superficial lamina propria (SLP), intermediate and deep lamina propria (i.e., ligament; a fiber is included for anterior-posterior stiffness), and muscle (i.e., body) layers ¹. Results are included that show that the model exhibits improved vibratory characteristics over prior one- and two-layer synthetic models, including onset pressure closer to human onset pressure, reduced inferior-superior motion, and evidence of a mucosal wave.

Protocol

تسلسل تلفيق (انظر الشكل 1) ويتكون من صنع قوالب للطبقات الصوتية طراز أضعاف ، صب بالتسلسل طبقات السيليكون ، وتركيب نماذج للاختبار. نموذج من أربع طبقات متميزة هي : الجسم ، والرباط ، وسطحية الصفيحة المخصوصة ، وظهارة ، بالإضافة إلى واحد من الألياف. تتم إضافة طبقة دعم لتسهيل توظيف دقيق لطبقات الفردية في تصميم نموذج لحظيرة الصوتية. وتظهر تعريفات نموذج المعلمة في الشكل الهندسي. 2 ، مع القيم المعلمة للنموذج الحالي الوارد في الجدول رقم 1. في المقاطع التالية ، يتم تحديد نسب خلط للسيليكون مختلف طبقات مختلفة ، وهذه المواد التي تنتج خصائص مشابهة لتلك التي أبلغت عن الأنسجة البشرية أضعاف الصوتية في نظام السلالة الصغيرة ¹³ (انظر الجدول 2).

1. تصنيع القوالب وإعداد

1. خلق نماذج طبقات صلبة من ثلاثة أضعاف الصوتية : سوبrficial المخصوصة الصفيحة ، الرباط ، وطبقات الجسم. ويتم ذلك عادة عن طريق إنشاء 3D التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) مع النماذج المطلوبة هندستها ، وتصدير النماذج وكاد المجسمة (STL) الملفات ، وإرسال الملفات STL إلى متجر آلة مخصصة للالنماذج الأولية السريعة.
2. إنشاء نموذج قالب مربع الشكل باستخدام قطعة رقيقة من مادة الاكريليك. الأبعاد التقريبية (غير الحرجة) هي 2.54 سم × 5.72 سم ارتفاع × 6.35 سم واسعة عميقة. جعل الجزء السفلي من النموذج من خلال الالتزام على لوحة اكريليك المسطحة. ختم جميع الحواف الداخلية مع الشحوم فراغ.
3. وضع كمية صغيرة من الشحوم فراغ على الجانب الوحشي للنموذج متين للهندسة المطلوب (أي الجسد ، الرباط ، أو المخصوصة الصفيحة السطحية). اضغط على الجزء السفلي من نموذج في شكل تجويف القالب ، والشحوم فراغ الجانب الأسفل ، بحيث الشحوم فراغ يحمل الجزء في مكانه. شكل القالب بتحرر معطفا ونموذج متين مع وكيل الإصدار. باستخدام فرشاة الطلاء ، وضمان الافراج عن وكيل يصل الى كل ركن من أركانتجويف القالب النموذج.
4. مزيج 10 ألف وقطع جزء من طراز B - سيل السلس البلاتين 950 مطاط السيليكون (أجزاء يقاس الوزن) في وعاء يحتوي على مساحة كافية للتوسع. لإزالة الهواء العفن مكان فقاعات النموذج مع المطاط سيليكون غير مخمر في دائرة الفراغ والحد من الضغط (على سبيل المثال ، إلى حوالي 26 بوصة من الزئبق أقل من الضغط الجوي) لحوالي ثلاث دقائق (أو أقل أو أكثر حسب الضرورة). إزالة السيليكون degassed من الغرفة وتصب في تجويف شكل القالب. مكان العفن مع سيليكون غير مخمر في فراغ الغرفة وديغا مرة أخرى. إزالة من فراغ الغرفة ومكان على سطح مستو. السماح لعلاج لمدة 24 ساعة ، وإزالة العفن من شكل القالب.
5. كرر الخطوات من 1.4 إلى 1.1 من خلال إنشاء قوالب لكل من الصفيحة المخصوصة سطحية ، والرباط ، وطبقات الجسم.
6. قطع الرباط طبقة العفن في مركز السطح الإنسي في الاتجاه الأمامي الخلفي بشفرة الحلاقة مباشرة للسماح لإدخال الألياف.

2. صب سو كل طبقة

1. طبقة الجسم : تطبيق طبقة رقيقة من وكيل الافراج عن تجويف القالب الجسم مع فرشاة الطلاء. مزيج من طراز B جزء وجزء واحد من ألف Ecoflex البلاتين مفرط الليونة 00-30 سيليكون (وزنا). إضافة واحد أرق سيليكون جزء (وزنا) للحد من تصلب في نهاية المطاف شفي من المواد. المزيج معا لمدة 30 ثانية ، وتحدث في فراغ الغرفة لمدة دقيقة واحدة لإزالة الهواء المحبوسة. إزالة خليط من فراغ ، وتصب في تجويف الجسم العفن ، ولكن لا تملأ إلى الجزء العلوي من تجويف القالب بأكمله. مكان في الفرن على 250 درجة فهرنهايت لمدة 30 دقيقة. إزالة من الفرن وتبرد.
2. بدعم : B مزيج جزء واحد وجزء واحد من الجلد والتنين وإضافة واحد أرق سيليكون الجزء (حسب الوزن). مزيج بقوة لمدة 30 ثانية ، ضع في الفراغ لمدة 1 دقيقة ، وتصب في تجويف القالب حتى الجسم الكامل. مكان في الفرن على 250 درجة فهرنهايت لمدة 30 دقيقة. إزالة القالب من الفرن وتبرد. إزالة النموذج من العفن ، والسماح لتبرد إلى درجة حرارة الغرفة ، وإزالة أي وكيل الافراج عن سطحطبقة الجسم مع منشفة ورقية.
3. الرباط طبقة : تطبيق طبقة رقيقة من الافراج عن العفن وكيل الرباط سطح تجويف مع فرشاة الطلاء. وضع الصفحات 30 سم في قالب من خلال دفعه الى قطع من الشفرة على التوالي. مزيج دقيق من طراز B جزء وجزء واحد من ألف Ecoflex 00-30 وأربعة أجزاء من أرق سيليكون (وزنا). تحدث في فراغ الغرفة لإزالة فقاعات الهواء ويسكب الخليط في تجويف القالب الرباط.
4. الرباط طبقة (تابع) : اضغط على الجسم ، بدعم نموذج (من خطوات 2.1.1 و 2.1.2) في الرباط تجويف القالب. بدء الإدراج في جانب واحد والانتقال إلى أخرى برفق بحيث يدفع نموذج سيليكون الزائدة غير مخمر وفقاعات الهواء من تجويف القالب. إذا فقاعات الهواء موجودة ، إزالة النموذج من تجويف القالب ، الملء مع سيليكون غير مخمر ، وكرر الضغط على نموذج في القالب. العفن مكان في الفرن لمدة 30 دقيقة ، وإزالة ، وتبرد لدرجة حرارة الغرفة. إزالة النموذج من العفن. إزالة الزائدة وكيل الافراج مع منشفة ورقية.
5. طبقة سطحية صفيحة المخصوصة : تطبيق طبقة رقيقة من الافراج عن وكيل superifical الصفيحة المخصوصة (SLP) العفن سطح تجويف مع فرشاة الطلاء. مزيج من طراز B جزء ، جزء واحد من ألف Ecoflex 00-30 ، و 8 قطع سيليكون أرق من حيث الوزن. الفراغ كما فعلت سابقا ، وتصب في تجويف القالب SLP. استخدام نفس العملية الموصوفة في الخطوة 2.1.4 لادخال النموذج الرباط الجسم بالنسبة للدعم في تجويف الصفيحة المخصوصة سطحية العفن. مكان في الفرن على 250 درجة فهرنهايت و علاج لمدة ساعة واحدة. إزالة من الفرن والسماح لتبرد. إزالة النموذج ببطء وبعناية فائقة بحيث المخصوصة الصفيحة السطحية لا تزال سليمة.
6. طبقة ظهارة : ضع نموذج أضعاف الصوتية على سطح مستو مع التراجع. إزالة الدعم المادي بشفرة الحلاقة مستقيمة. تعليق المواضيع في الهواء من قبل إرفاقها إلى كائن أكبر من ارتفاع النموذج. مزيج من طراز B جزء وجزء واحد من جلد التنين مع جزء واحد من أرق سيليكون ، مزيج ، والفراغ ، ثم يسكب على النموذج والسماح لعلاج ليومه ساعة. كرر العملية لإنشاء طبقة أكثر سمكا. إزالة المواد الزائدة بشفرة الحلاقة مستقيمة.
7. اختياري : إذا كان المطلوب أن تكون كل طبقة بلون مختلف (للتفتيش وضوحا من طبقات مختلفة) ، إضافة إلى صبغ الجزء باء من Ecoflex إما بالجلد أو التنين أثناء عملية الخلط.
8. اختياري : إذا كان سيتم جمع البيانات الممتلكات المادية ، وخلق عينات الشد والريولوجية بالتزامن مع تصنيع كل طبقة النموذج. القيام بذلك عن طريق سكب مادة غير مخمر الاضافية الى الافراج عن وكيل قوالب المعالجة المطلوبة من المواد الملكية شكل وحجم العينة.
9. اختياري : إذا المطلوب قياس سماكة طبقة ، وقطع شريحة من طراز بشفرة الحلاقة على التوالي وتفقد مع المجهر.

3. إعداد النموذج النهائي للاختبار

1. كل جبل أكمل نموذج أضعاف صخبا في لوحة اكريليك متزايدة من خلال تطبيق لأول مرة طبقة رقيقة من السيليكون الغراء على الظهر (الوحشية) والجانب (أnterior الخلفي أسطح النموذج). إدراج نموذج في خفض راحة لوحة التركيب. محاذاة سطح نموذج وسطي مع الجزء العلوي من لوحة الاكريليك. يمسح الغراء الزائد. تسمح الغراء لعلاج لمدة ساعة واحدة.
2. تنطبق التلك ومسحوق على السطح نموذج للحد من الابتذال السطح.
3. لتتبع السطح الإنسي استخدام قلم Sharpie غرامة نقطة للاحتفال النقاط على النموذج. تحدث أفضل النتائج إذا تم وضع علامات بعد تطبيق بودرة التلك.
4. مكان مسامير طويلة من خلال ثقوب في لوحة التركيب مع نهايات الخيوط مشيرا نحو النموذج الذي سيتم إقران نموذج القائمة. وضع المواضيع خلال براغي. وضع رغوة الخلية المغلقة على مسامير لإغلاق أي ثغرات الهواء.
5. الزوج هذا النموذج مع نموذج آخر على استعداد أضعاف الصوتية التي تم القيام بالمثل لصاحب الاكريليك باستخدام خطوات 3.1 و 3.2. تشديد الخناق على ضغط الرغوة وتقديم السطوح الإنسي معا حتى يتم التوصل إلى الرغبة قبل اهتزازي الفجوة. ضمان وضعت كلتا المجموعتين من المواضيع اوفإيه مغالق وتمتد إلى الخارج من لوحات الاكريليك في الاتجاه الأمامي الخلفي.
6. جبل الزوج أضعاف صخبا بشأن أنبوب إمدادات الهواء.
7. ربط المواضيع الأمامي معا لتشكل حلقة. تكرار للمواضيع الخلفي. شنق الوزن المطلوب على حلقات في نفس الوقت.
8. نماذج جاهزة الآن للفحص وجمع البيانات.

4. ممثل النتائج

بيانات الاستجابة الاهتزازية من نموذج واحد التي تم إنشاؤها باستخدام هذه العملية هي كما يلي تلفيق ، وهذه النتائج هي نموذجية. التوتر مع ما يقرب من 31 ز تطبيقها على الألياف ، والضغط وظهور 400 في بنسلفانيا ضغط subglottal 10 ٪ أعلى من الضغط ظهور (440 باسكال) ، ونموذج صدي في 115 هرتز مع معدل تدفق مزماري من 210 مل / ثانية. هذه القيم هي في اتفاق جيد مع القيم التي أبلغ عنها لأولئك البشر (الجدول 3). تستخدم عالية السرعة لتحليل حركة videokymography نموذج أظهرت أدلة على وجود فارق بين مرحلة من رئيس أعلىأخفى الهوامش السفلية الثانية ، أي الهامش العلوي الهامش السفلي أثناء مرحلة مفتوحة لفترة الاهتزاز (الشكل 3). وأظهرت الصور المستخرجة من المسارات ستيريو من النقاط تطبيقها على الأسطح الإنسي والسفلي للنموذج حظيرة الصوتية التي عرضها على نموذج بالتناوب متقاربة ، متباعدة التعريف الذي هو نموذجي لمعالجة حكمية الإنسان ، والمخاطية مثل حركة الموجة ، وانخفاض السفلية ، متفوقة في الحركة من النماذج السابقة (الشكل 4).

الجدول 1. قيم نموذج المعلمة هندسية.

الجدول 2. نسب الخليط من حيث الوزن والناتجة من معامل يونغ المقاطع الفردية من طراز حظيرة الصوتية. وأدلى EF DS يعين من السيليكون والجلد Ecoflex التنين، على التوالي ^14.

الجدول 3. المقارنة بين الاستجابات أضعاف الإنسان وتركيبية صوتية اهتزازي.

الشكل 1. الاصطناعية صخبا تصنيع نموذج أضعاف العملية. وتستخدم CAD المستمدة من النماذج الصلبة (اللوحة اليسرى) لإنشاء قوالب (وسط لوحة) لكل طبقة. ومن ثم يلقي كل طبقة ، بدءا من طبقة الجسم وتنتهي مع طبقة الظهارة (اللوحة اليمنى ، مع كل طبقة "مقشر الظهر" للرؤية). بعد التصنيع ، هي التي شنت نماذج لوحات الاكريليك للاختبار.

الشكل 2. الاصطناعية الصوتية عبر نموذج أضعاف القسم. متميزة الجسم ، وسطحية الصفيحة المخصوصة ، الممتازوترد أهبل ، وظهارة طبقات. تعريف الهندسة الصوتية المعلمات نموذج أضعاف. يتم تحجيم هذا الرقم لتمثيل واضح للتعاريف هندسية. وتطبيق القيم المعلمة الواردة في الجدول 1 نتيجة في شكل مختلف قليلا مما هو موضح هنا.

الشكل 3. عالي السرعة kymogram من الاهتزاز النموذج. وتظهر تقديرات للموقع من الهوامش السفلية والعلوية في الخطوط المنقطة الملونة. مرحلة الخلافات بين الهوامش السفلية والعلوية واضحة.

الشكل 4. الإنسي ملف سطح من طراز الاصطناعية أضعاف صخبا في ترتيب نصف الحنجرة ، استولت على اثنين من حالات مختلفة من الوقت ، بينما تهتز. ووضعت علامات حبر على السطح الإنسي (كما شالخاصة في الصورة على اليمين) ، تصوير باستخدام اثنين مزامنة كاميرات عالية السرعة ، وتتبع مدى دورة اهتزازي. المؤامرة اليسار يظهر المزمار متقاربة خلال مرحلة الافتتاح والمؤامرة الحق يظهر المزمار متباينة خلال المرحلة الختامية.

Discussion

هذا الأسلوب من افتعال الطية الصوتية الاصطناعية نماذج غلة نماذج السلوك الذي يحمل اهتزازي مماثلة لتلك الطيات الصوتية البشرية. نتائج مفهوم متعدد الطبقات في مزايا هامة على التصاميم السابقة نموذج واحد واثنين من طبقة ^3،6،8،15 ، من حيث خفض الضغط وتحسين ظهور الحركة طرا?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
الشحوم عالية الفراغ	داو كورنينج	01018817
بول سهولة 2300	Polytek	بول Ease2300 - 1	النسخة الوكيل
السلس سيل 950	السلس في	السلس سيل 950	مواد لصنع القالب
مضخة كهربائية	ادواردز	E2M2
فراغ الغرفة	Kartell	230
الضغط غيج	مارش Bellofram	11308252A
الحلاقة على التوالى	الأسكيمو	008-045 - HKY
Ecoflex 00-30	السلس في	Ecoflex 00-30
سيليكون أرق	السلس في	سيليكون أرق
التنين بالبشرة	السلس في	التنين بالجلد 10 FAST
الموضوع	أوميغا	OmegaCrys	استخدام الألياف الواضح الوحيد
سيليكون صبغ	السلس في	Silc خنزير أسود
غراء سيليكون	السلس في	سيل - Poxy
بودرة التلك	العائلة الغربية