Синтетические, Multi-Layer, автоколебательных голосовых связок Изготовление моделей

Резюме

Методология для изготовления синтетических голосовых связок модели описывается. Модели в натуральную величину и имитировать многослойную структуру человеческой голосовых складок. Результаты показывают, модели самостоятельно колебаться при давлениях, сравнимых с легкого давления и продемонстрировать, возбуждаемых потоком вибрационные ответы, которые аналогичны человека голосовых складок.

Аннотация

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.

протокол

Изготовление последовательности (см. рис. 1) состоит из изготовления форм для голосовых связок слоев модели, последовательно литья силиконовых слоев, и монтаж моделей для тестирования. Модель имеет четыре различных слоев: тела, связки, поверхностный собственная пластинка, и эпителия, в дополнение к одному волокну. Защитный слой добавлен для облегчения точного размещения отдельных слоев, чтобы голосовых связок модели. Модель определения геометрических параметров представлены на рис. 2, со значениями параметров для текущей модели приведены в таблице 1. В следующих разделах, различные силиконовые пропорции смешивания указаны для разных слоев, эти производят материальные свойства, которые аналогичны тем, которые сообщили на человека голосовых складок ткани в небольшом режима штамм ¹³ (см. таблицу 2).

1. Изготовление пресс-форм и подготовка

1. Создание твердотельных моделей из трех голосовых связок слоев: Супеrficial собственная пластинка, связки, и тело слоев. Обычно это делается путем создания 3D компьютерного проектирования (CAD) моделей с требуемой геометрии, экспорт CAD моделей, как стереолитографии (STL) файлов, а также отправлять файлы STL Custom Shop машина для быстрого прототипирования.
2. Создать коробчатого плесень форму, используя тонкие кусочки акрилового материала. Приблизительные размеры (не критично) являются 2,54 см × 5,72 см × 6,35 см в глубину. Сделать нижней части формы, придерживаясь ее плоской пластине акрила. Закройте все внутренние ребра с вакуумной смазкой.
3. Нанесите небольшое количество смазки вакуумного на боковой стороне твердотельной модели желаемой геометрии (то есть тела, связки, или поверхностный собственная пластинка). Пресс модели в нижней части формы формы полости, вакуумные смазки стороной вниз, так что вакуумная смазка содержит часть на месте. Обильно пальто форма плесени и твердотельной модели с выпуском агента. Использование кисти, обеспечить выпуск агент проникает во все уголкиполости формы формы.
4. Смешать 10 частей и одна часть В Smooth-Sil 950 платиновых силиконовой резины (части измеряется по весу) в контейнере, который имеет достаточно места для расширения. Для удаления пузырьков воздуха место плесень форме с неотвержденного силиконовой резины в вакуумной камере и уменьшить давление (например, около 26 дюймов ртутного столба ниже атмосферного давления) в течение примерно трех минут (или более или менее по мере необходимости). Удалить дегазированной силиконовые от камеры и вылить в форму полости формы. Место формы с силиконовой неотвержденного в вакуумной камере и дегазации снова. Удалить из вакуумной камеры и положите на ровную поверхность. Разрешить вылечить в течение 24 часов и удалить плесень плесени форме.
5. Повторите шаги 1.1 через 1,4 до создания пресс-формы для каждого из поверхностных собственная пластинка, связки, и тело слоев.
6. Вырезать форму связки слой в центре медиальной поверхности в передне-заднем направлении с опасной бритвой, чтобы для волоконно-вставки.

2. Кастинг ое каждый слой

1. Тело слоя: нанесите тонкий слой разделительного состава в полости тела формы с кистью. Смешайте одну часть В и одну часть из Ecoflex 00-30 Supersoft платиновый силикон (по весу). Добавить одну часть Силиконовые Разбавитель (по весу), чтобы уменьшить возможные вылечить жесткость материала. Смешать в течение 30 секунд и место в вакуумной камере в течение одной минуты для удаления вовлеченного воздуха. Удалить смесь из вакуума и залить в полость формы тела, но не заполняют в начало всю полость пресс-формы. Место в духовке при температуре 250 ° F в течение 30 минут. Выньте из духовки и остудить.
2. Резервное: Смешайте одну часть В и одну часть из кожи дракона и добавить одну часть Силиконовые Thinner (по весу). Mix энергично в течение 30 секунд, место в вакууме в течение 1 минуты, и залить в полость формы тела до полного. Место в духовке при температуре 250 ° F в течение 30 минут. Удалить плесень из духовки и остудить. Удалить модель из формы, дать остыть до комнатной температуры, и удалите все релизе агента на поверхноститело слой с бумажным полотенцем.
3. Связок Слой: Нанесите тонкий слой разделительного состава на связки полость формы поверхности кисти. Место 30 см нить в форме, нажав на нее в разрез с бритвой. Тщательно перемешайте одна часть В и одну часть из Ecoflex 00-30 и четырех частей Силиконовые Thinner (по весу). Место в вакуумную камеру, чтобы удалить пузырьки воздуха и вылейте смесь в связке полости пресс-формы.
4. Связок Layer (продолжение): Пресс тела поддержкой модели (от шагов, 2.1.1 и 2.1.2) в полость формы связки. Начало вставки с одной стороны и мягко перейти к другой так, чтобы модель толкает Излишки силикона и пузырьки воздуха из полости формы. Если пузырьки воздуха, удалите модели из полости формы, залейте неотвержденного силикон, и повторить нажатия модель в форму. Место форму в духовку на 30 минут, удалить, и охладить до комнатной температуры. Удалить модель из плесени. Удалите излишки агентом выпуска с бумажным полотенцем.
5. Поверхностный слой собственной пластинки: Нанесите тонкий слой разделительного состава на superifical собственную пластинку (SLP) полость формы поверхности кисти. Смешайте одну часть В, одна часть из Ecoflex 00-30, и 8 частей Силиконовые Разбавитель по весу. Вакуумные как это было сделано ранее, и налейте в SLP полости пресс-формы. Используйте тот же процесс, описанный в шаге 2.1.4 для вставки связки-тело-поддержкой модели в поверхностные полости собственная форма пластинки. Место в духовке при температуре 250 ° F и сушите в течение одного часа. Удалите из духовки и дать остыть. Удалить модель медленно и крайне осторожно, чтобы поверхностные собственная пластинка остается неизменным.
6. Эпителий слой: Место голосовых связок модели на плоской поверхности с отступать. Удалить материальную поддержку с бритвой. Приостановить потоков в воздухе, прилагая их к объекту большую высоту, чем модель. Смешайте одну часть В и одну часть из Dragon Skin с одной частью Силиконовые растворитель, перемешать, вакуум, затем залить модели и позволяют лечения наэлектронная час. Повторите процесс, чтобы создать более толстый слой. Удалите излишки материала с бритвой.
7. Необязательно: Если каждый слой желательно быть разного цвета (для видимого инспекции разных слоев), добавить краситель в части В любом Ecoflex или Dragon Skin в процессе смешивания.
8. Дополнительно: Если данные свойство материала будет собрано, создать разрыв и реологические образцов одновременно с изготовлением каждой модели слоя. Сделайте это путем заливки дополнительных неотвержденного материала в релизе агента обработанных пресс-форм нужную форму свойств материала образца и размера.
9. Дополнительно: Если измерения толщины слоя желательны, вырезать сечение модели с бритвой и осматривать с микроскопом.

3. Завершающая подготовка моделей для тестирования

1. Горы каждый завершенный голосовых связок модели в акриловых монтажной пластине, сначала применяя тонкий слой силиконового клея на задней (боковой) и боковые (nterior-задней) поверхности модели. Вставьте встраиваемые модели в разрезе монтажной пластине. Выравнивание модели медиальной поверхности верхней части акриловой пластиной. Вытрите излишки клея. Разрешить клей для лечения в течение одного часа.
2. Применение талька порошок поверхности модели снизить липкость поверхности.
3. Для отслеживания медиальной поверхности использовании тонкой точке Sharpie перо, чтобы отметить точки на модели. Лучшие результаты достигаются, если маркировка выполняется после нанесения порошка талька.
4. Место длинных болтов через отверстия монтажной пластины с резьбой, указывающей на модель, к которой существующая модель будет работать в паре. Положите темы более болтов. Положите закрытой ячейки пены над болты, чтобы закрыть все воздушные зазоры.
5. Пара эта модель подготовлена ​​с другим голосовых связок модель, которая была так же крепится к держателю использованием акриловых Шаги 3.1 и 3.2. Затянуть винты для сжатия пены и принести медиальной поверхности вместе, пока желание предварительно вибрационный разрыв будет достигнута. Убедитесь, что оба набора потоков размещаются овэ болты и расширять наружу от акриловых пластин в передне-заднем направлении.
6. Горы голосовых связок пара на трубе подачи воздуха.
7. Свяжите передние темы вместе, чтобы сформировать петлю. Повторите эти действия для задних нитей. Повесьте желаемого веса на петлях одновременно.
8. Модели теперь готовы для тестирования и сбора данных.

4. Представитель Результаты

Вибрационные данных отклика от одной модели, созданной с помощью этого производственного процесса являются следующие: эти результаты являются типичными. При напряжении около 31 г применяться к слоям, начало давление 400 Па На находящийся ниже складок голосовой щели давление на 10% выше начала давлением (440 Па), модель вибрировал при 115 Гц с гортанной расходе 210 мл / с Эти значения находятся в хорошем согласии со значениями сообщил для тех людей (табл. 3). Использование высокоскоростных videokymography для анализа движения модели показали, свидетельство разность фаз между начальникомой уступает поля, то есть превосходный запас скрытых нижнего края во время открытой фазы период колебаний (рис. 3). Траектории, извлеченные из стерео изображения точками применяется к медиальной и нижней поверхности голосовых связок модели показали, что модель выставлена ​​переменного сходящиеся-расходящиеся профиль, который является типичным человека фонации, слизистой оболочки, волнообразно, а нижняя нижне- превосходное движение, чем в предыдущих моделях (рис. 4).

Таблица 1. Модель геометрических параметров.

Таблица 2. Смесь соотношения по весу и в результате модуля Юнга отдельных участков голосовых связок модели. EF и DS назначить силиконовые из Ecoflex и Dragon Skin, Соответственно ^14.

Таблица 3. Сравнение между человеком и синтетических голосовых связок вибрационные ответы.

Рисунок 1. Синтетический голосовых связок процесс изготовления модели. CAD-производные твердотельных моделей (левая панель) используются для создания форм (в центре панели) для каждого слоя. Каждый слой затем бросил, начиная с телом слой и заканчивая эпителия слой (правой панели, при этом каждый слой "очищенные назад" для наглядности). После изготовления, моделей крепятся к акриловых пластин для тестирования.

Рисунок 2. Синтетический голосовых связок сечение модели. Отдельное тело, поверхностный собственная пластинка, маякидиот, и эпителия слои показываются. Параметры определяют голосовых связок геометрии модели. Эта цифра масштабируется для ясное представление о геометрических определений. Применение значениях параметров, приведенных в таблице 1 приведет к несколько иной форме, чем то, что показано здесь.

Рисунок 3. Высокоскоростные кимограмма модели вибрации. Оценки для расположения верхнего и нижнего поля показаны на цветных пунктирными линиями. Разности фаз между низшие и высшие поля очевидны.

Рисунок 4. Медиальной поверхности профиля синтетических голосовых связок модели в hemilarynx договоренности, захваченных в двух различных случаях времени, пока вибрирует. Чернила маркеров были размещены на медиальной поверхности (как шсамостоятельно в правое изображение), отображаемого с помощью двух синхронизированных высокоскоростных камер, и проследить во вибрационного цикла. Левый график показывает сходящийся голосовую щель в фазе открывания и право график показывает различные голосовой щели во время заключительного этапа.

Обсуждение

Этот метод изготовления синтетических голосовых связок моделей дает моделей, которые имеют вибрационное поведение похож на человека голосовых складок. Многослойная концепция приводит к значительному преимуществ по сравнению с предыдущим одно-и двухслойные модели конструкций ^3,6,8...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Высокая Смазка вакуумная	Dow Corning	01018817
Pol-Простота 2300	Polytek	Pol-Ease2300-1	Выпуск агент
Smooth-Sil 950	Smooth-On	Smooth-Sil 950	Пресс-форм материал
Вакуумный насос	Эдвардс	E2M2
Вакуумной камерой	Kartell	230
Манометр	Марш Bellofram	11308252A
Бритвой	Husky	008-045-HKY
Ecoflex 00-30	Smooth-On	Ecoflex 00-30
Силиконовые Разбавитель	Smooth-On	Силиконовые Разбавитель
Dragon Skin	Smooth-On	Dragon Skin 10 БЫСТРЫЙ
Тема	Omega	OmegaCrys	Используйте только прозрачные волокна
Силиконовая краска	Smooth-On	SILC Свинья Черный
Силиконовый клей	Smooth-On	Sil-POXY
Тальк Порошковая	Западная семьи