非粘性超软人声折叠模型的制造工艺

Patrick Häsner; Peter Birkholz

doi:10.3791/66222

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摘要
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摘要

本研究通过介绍一种创建声带层的特定方法，提供了制造过程的详细说明，并表征了模型的特性，展示了无粘性和超软声带模型的制造。

摘要

本研究旨在开发用于语音研究的超柔和、不粘性声带模型。基于硅胶的声带模型的传统制造工艺会导致模型具有不良特性，例如粘性和可重复性问题。这些声带模型容易快速老化，导致不同测量值之间的可比性较差。在这项研究中，我们建议通过改变有机硅材料的分层顺序来修改制造工艺，从而产生不粘性和高度一致的声带模型。我们还将使用这种方法制作的模型与传统制造的声带模型进行了比较，该模型受到其粘性表面的不利影响。我们详细介绍了制造过程，并表征了模型的潜在应用特性。研究结果证明了改良制造方法的有效性，突出了我们无粘性声带模型的卓越品质。这些发现有助于开发用于研究和临床应用的逼真可靠的声带模型。

引言

声带模型用于模拟和研究正常和病理条件下的人声产生 ^1,2。创建声带模型的最大挑战之一是实现逼真的柔软度和灵活性，使其非常接近人类。为了实现这些性能，通常使用有机硅弹性体，用大量硅油稀释以达到相应的弹性模量^3,4。创建逼真的声带模型的另一个关键因素是分层，因为声带由多层不同的柔软度组成，这决定了流动引起的振动模式和可能振动的频率。

在这项研究中，我们创建了一个典型的声带模型。我们使用了 Scherer⁵ 提供的通用几何形状，它代表了 Zhang⁶ 中长度为 17 mm 的男性声带的典型尺寸，由三层组成：一层用于声带肌肉（身体层），一层用于整个粘膜层（覆盖层），一层用于上皮。这种结构可以在图1的日冕横截面图中看到。

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图 1：喉模块的冠状横截面。 喉部模块的冠状横截面显示了声带的最宽宽度（8.5 mm）。每个声带包括身体层、覆盖层和上皮层。这个数字是从¹³修改而来的。转载自 Häsner， P.， Prescher， A.， Birkholz， P. 波浪形气管壁对硅胶声带振荡起始压力的影响。 J Acoust Soc Am.149 （1）， 466-475 （2021）经美国声学学会许可。请点击这里查看此图的较大版本.

其他出版物仅部分使用一层⁷，两层没有上皮层² 或用多层³模拟粘膜。通常，这些层是从内到外铸造的，即从最深的层开始。上皮非常薄，厚度为 30 μm，末端覆盖整个身体，用坚固的皮肤包裹它⁸.

模型中的覆盖层是最柔软的部分，杨氏模量约为 1.1 kPa⁹。对于体层，使用体外测量¹⁰ 在横向上的近似杨氏模量为 2 kPa。 在体内，由于纵向纤维的存在以及肌肉的可能绷紧，甲状杓肌的杨氏模量可能更高。为了达到这种极低的杨氏模量，有必要在有机硅混合物中加入大量的硅油（约72%）。但是，制造商强烈建议不要使用大于 5% 的油比例。通常，在弹性体中添加硅油旨在增加流动和滴水时间，以及减少固化有机硅聚合物的收缩率。它有助于有机硅更均匀地固化，从而减少材料中的应力。其目的是优化固化材料的可塑性和性能，而不是增加其柔软度，尽管这也是一个结果。这是因为硅油具有化学惰性，这意味着它不能聚合自身，并且不会集成到有机硅聚合物¹¹的网络中。相反，它以液相的形式保留在聚合物基体中，在更高的水平上削弱聚合物结构，并可能导致其溶解出固化材料并粘附在表面。因此，其他负面特性，如固化障碍、硫化不均匀、化学收缩和脆性是可能的。研究了硅油含量高的声带模型的老化和再现性，发现不同模型的特性存在高度变异性，其特性随时间变化¹¹。

当以传统方式^7,12生产声带模型时，上皮层的粘性可能是一个问题，因为它会影响振动的均匀性并导致上皮破裂。尽管用于制造上皮的硅胶是未稀释的，但可以假设从邻近粘膜层泄漏的油对硅胶具有与稀释相似的影响。通过添加各种粉末（例如滑石粉或碳粉）作为粘膜和上皮层之间的中间层来解决粘性问题¹²。这种方法可能是成功的，因为油被粉末部分吸收，因此可以降低上皮表面的粘性。

在本出版物中，我们表明可以通过对声带制造过程进行轻微修改来规避粘性问题。通过改变分层顺序，从未稀释的上皮硅胶（所谓的闭合硅胶）开始，可以生产出不粘的超软声带模型。这种变化涉及不寻常的模具和方法类型，最好以视频的形式呈现和解释。在本文中，我们详细描述了我们的制造过程，并演示了如何在应用中表征声带模型的特性。