Yapışkan Olmayan Süper Yumuşak Vokal Fold Modelleri için Üretim Süreci

Özet

Bu çalışma, vokal fold katmanlarını oluşturmak için belirli bir yol sunarak, üretim prosedürünün ayrıntılı bir tanımını sağlayarak ve modellerin özelliklerini karakterize ederek yapışkan olmayan ve süper yumuşak vokal fold modellerinin üretimini göstermektedir.

Özet

Bu çalışma, ses araştırmaları için süper yumuşak, yapışkan olmayan ses teli modelleri geliştirmeyi amaçlamaktadır. Silikon bazlı ses teli modellerinin geleneksel üretim süreci, yapışkanlık ve tekrarlanabilirlik sorunları gibi istenmeyen özelliklere sahip modellerle sonuçlanır. Bu ses teli modelleri hızlı yaşlanmaya eğilimlidir ve bu da farklı ölçümlerde karşılaştırılabilirliğin zayıf olmasına neden olur. Bu çalışmada, silikon malzemenin katmanlanma sırasını değiştirerek üretim sürecinde bir değişiklik öneriyoruz, bu da yapışkan olmayan ve son derece tutarlı ses teli modellerinin üretilmesine yol açıyor. Ayrıca bu yöntem kullanılarak üretilen bir modeli, yapışkan yüzeyinden olumsuz etkilenen geleneksel olarak üretilmiş bir ses teli modeli ile karşılaştırıyoruz. Üretim sürecini detaylandırıyoruz ve potansiyel uygulamalar için modellerin özelliklerini karakterize ediyoruz. Çalışmanın sonuçları, modifiye edilmiş üretim yönteminin etkinliğini göstermekte ve yapışkan olmayan vokal fold modellerimizin üstün niteliklerini vurgulamaktadır. Bulgular, araştırma ve klinik uygulamalar için gerçekçi ve güvenilir ses teli modellerinin geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır.

Giriş

Ses teli modelleri, normal ve patolojik koşullar altında insan sesi üretimini simüle etmek ve araştırmak için kullanılır ^1,2. Ses teli modelleri oluşturmadaki en büyük zorluklardan biri, insanlarınkine çok yakın olan gerçekçi bir yumuşaklık ve esneklik elde etmektir. Bu özellikleri elde etmek için, karşılık gelen elastikiyet modülünü ^3,4 elde etmek için yüksek miktarlarda silikon yağı ile seyreltilmiş silikon elastomerler sıklıkla kullanılır. Gerçekçi ses kıvrımı modelleri oluşturmada bir diğer önemli faktör de katmanlamadır, çünkü ses kıvrımları, akışın neden olduğu titreşim modelini ve titreşimin mümkün olduğu sıklığı belirleyen, değişen yumuşaklıkta birden fazla katmandan oluşur.

Bu çalışmada tipik bir ses teli modeli oluşturulmuştur. Zhang^6'ya göre 17 mm uzunluğundaki erkek vokal kıvrımları için tipik boyutları temsil eden ve üç katmandan oluşan Scherer 5 tarafından sağlanan ortak geometriyi kullandık: vokalis kası için bir katman (vücut katmanı), biri tüm mukozal katman için (örtü katmanı) ve biri epitel için. Bu yapı, Şekil 1'deki koronal kesit görünümünde görülebilir.

Şekil 1: Larinks modüllerinin koronal kesiti. Vokal kıvrımların en geniş genişliğini (8,5 mm) gösteren gırtlak modüllerinin koronal kesiti. Her ses teli bir vücut tabakası, bir örtü tabakası ve bir epitel tabakasından oluşur. Bu rakam^13'ten değiştirildi. Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Dalgalı trakea duvarlarının silikon ses kıvrımlarının salınım başlangıç basıncı üzerindeki etkisinden alınmıştır. J Acoust Soc.149 (1), 466-475 (2021) Amerika Akustik Derneği'nin izniyle. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Diğer yayınlar kısmen sadece bir katman⁷, epitelsiz iki katman^{katman 2} kullanır veya mukozayı çoklu katman³ ile modeller. Genellikle, katmanlar içten dışa, yani en derin katmandan başlayarak dökülür. 30 μm kalınlığında çok ince olan epitel, sağlam bir deri ile sarmak için tüm vücuda uçtan dökülür⁸.

Modeldeki kapak katmanı, Young'ın yaklaşık 1.1 kPa⁹ modülü ile en yumuşak kısımdır. Vücut tabakası için, in vitro ölçümler¹⁰ kullanılarak enine yönde yaklaşık Young modülü 2 kPa'dır. İn vivo, tiroaritenoid kasın Young modülü, uzunlamasına yönde liflerin varlığı ve kasın olası gerilmesi nedeniyle daha yüksek olabilir. Bu son derece düşük Young modülünü elde etmek için, silikon karışımına yüksek miktarda silikon yağı eklemek gerekir (yaklaşık% 72). Bununla birlikte, üretici% 5'ten daha yüksek bir yağ oranının kullanılmamasını şiddetle tavsiye eder. Genel olarak, elastomere silikon yağı ilavesi, akış ve damlama süresini arttırmanın yanı sıra kürlenmiş silikon polimerinin büzülmesini azaltmayı amaçlamaktadır. Silikonun daha düzgün kürlenmesine yardımcı olur, böylece malzemedeki stresi azaltır. Amacı, yumuşaklığını arttırmaktan ziyade, kürlenmiş malzemenin kalıplanabilirliğini ve özelliklerini optimize etmektir, ancak bu aynı zamanda bir sonuçtur. Bunun nedeni, silikon yağının kimyasal olarak inert olması, yani kendini polimerize edememesi ve silikon polimerin¹¹ ağına entegre olmamasıdır. Bunun yerine, polimer matrisinde sıvı bir faz olarak kalır, polimer yapısını daha yüksek seviyelerde zayıflatır ve potansiyel olarak kürlenmiş malzemeden çözünmesine ve yüzeye yapışmasına neden olur. Sonuç olarak, kürlenme bozuklukları, düzensiz vulkanizasyon, kimyasal büzülme ve kırılganlık gibi diğer olumsuz özellikler mümkündür. Silikon yağı içeriği yüksek olan ses teli modelleri yaşlanma ve tekrarlanabilirlik açısından incelenmiş ve farklı modellerin özelliklerinde yüksek değişkenlik ve zaman içinde özelliklerinde değişiklik olduğu bulunmuştur¹¹.

Konvansiyonel şekilde ses teli modelleri^{üretilirken 7,12}, epitel tabakasının yapışkanlığı, titreşimin homojenliğini etkileyebileceği ve epitelin yırtılmasına yol açabileceği için bir sorun olabilir. Epitel yapmak için kullanılan silikon seyreltilmemiş olmasına rağmen, komşu mukoza tabakasından sızan yağın silikon üzerinde seyreltilmiş gibi benzer etkilere sahip olduğu varsayılabilir. Mukoza ile epitel tabakası arasına ara tabaka olarak talk veya karbon tozu gibi çeşitli pudralar eklenerek yapışkanlık sorunu giderildi¹². Bu yaklaşım başarılı olmuş olabilir, çünkü yağ toz tarafından kısmen emilmiştir ve sonuç olarak epitel yüzeyinin yapışkanlığı azaltılabilir.

Bu yayında, yapışkanlık sorununun vokal fold üretim sürecinde küçük bir değişiklikle aşılabileceğini gösteriyoruz. Katmanlama sırasını değiştirerek ve seyreltilmemiş epitelyal silikondan (kapalı silikon olarak adlandırılır) başlayarak, yapışkan olmayan süper yumuşak vokal fold modelleri üretilebilir. Bu değişiklik, en iyi şekilde bir video şeklinde sunulan ve açıklanan alışılmadık kalıp türlerini ve yöntemleri içerir. Bu yazıda, üretim sürecimizi ayrıntılı olarak açıklıyoruz ve ses teli modellerinin özelliklerinin bir uygulamada nasıl karakterize edilebileceğini gösteriyoruz.

Protokol

1. Ses teli modellerinin tasarımı ve parçaların 3D baskısı

1. Çeşitli yumuşak silikon malzemeler kullanarak silikon ses kıvrımlarının ortak M5 geometrisinin çok katmanlı bir temsilini oluşturun. Bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılımını kullanarak tek tek parçaları tasarlayın. Ayrıntılar için Ek Kodlama Dosyası 1, Ek Kodlama Dosyası 2, Ek Kodlama Dosyası 3, Ek Kodlama Dosyası 4, Ek Kodlama Dosyası 5, Ek Kodlama Dosyası 6, Ek Kodlama Dosyası 7, Ek Kodlama Dosyası 8'e bakın. Dosyalar, modeldeki işlevlerine göre adlandırılır ve sonraki adımlar için temel görevi görür.
2. 2. adımdaki her adım için gerekli dosyaları derleyin ve düzenleyin. Ek Şekil 1'deki gerekli parçaların listesine ve miktarlarına bakın. Ek Şekil 2'de kalıp montajının şematik bir tasvirine bakın.
3. 3D yazıcı tarafından okunabilen G kodu dosyaları oluşturmak için STL dosyalarını bir 3D yazdırma programına yükleyin.
4. 3D baskı için malzemeleri hazırlayın ( Malzeme Tablosuna bakın).
   1. Ek Kodlama Dosyası 2 ve Ek Kodlama Dosyası 5 için, polilaktik asit (PLA+) veya PC gibi daha az görünür katman çizgilerine neden olan bir malzeme kullanın.
   2. Ek Kodlama Dosyası 1 için, eğilme gerilmelerine duyarlılığı nedeniyle Sert PLA veya Polietilen tereftalat glikol (PETG) gibi daha sert bir malzeme kullanın. Kalan parçalar için baskı malzemesi seçiminde başka bir kısıtlama uygulanmaz.
5. İlgili seçili 3D yazıcı için 3D yazdırma yazılımının ayarlarını yapın.
   1. Tamamlayıcı Kodlama Dosyası 2 ve Tamamlayıcı Kodlama Dosyası 5 için maksimum katman yüksekliğini 0,1 mm olarak ayarlayın.
   2. Ek Kodlama Dosyası 1 için, daha iyi kararlılık elde etmek için dolgu değerini %100'e ve yazdırma desenini ZigZag olarak ayarlayın. Ayrıca, yapı plakası yapışma kategorisini Siperlik yerine Etek olarak ayarlayın, çünkü parçaların geometrisi siperliğin çıkarılmasını önemli ölçüde zorlaştıracaktır.
   3. Diğer parçalar için varsayılan ayarları ve 0,2 mm'lik katman yüksekliklerini kullanın.
6. Bahsedilen parçaları 3D yazıcıda yazdırın. Parçaları temizleyin ve siperlik veya baskı hataları gibi fazla malzemeleri çıkarın. İç temas yüzeylerini zımpara kağıdı ile düzeltin (önerilen P1000'e eşit veya daha ince).

2. Ses teli modellerinin imalatı

1. Vücut katmanını oluşturmak için aşağıdaki parçaları ve malzemeleri toplayın: vokal kıvrım-pozitiv (2x), vocalis_mold-başlık, vocalis_mold-ana parça, vocalis_mold-gövde, birincil silikon, ayırıcı madde ve inceltici (Ayrıntılar için Malzeme Tablosuna bakın).
   1. Tüm kalıp parçalarının iç yüzeylerine bir miktar kalıp ayırıcı uygulayın.
   2. Kalıbın ana parçasını ve kapağını pozitifin üzerine monte edin ve kalıp paketini belirtilen tencereye yerleştirin. Gerekirse iki kalıp parçasının hizalamasını düzeltin. Silikonun yukarı bakacak şekilde dökülmesi için pozitifteki deliğin olduğundan ve kalıbın düz bir yüzey üzerinde sabit bir zemine sahip olduğundan emin olun.
   3. Birincil silikonun üç parça tiner (1:1:3) ile bir karışımını oluşturun, A bileşenini tiner ile birleştirerek başlayın ve ardından B bileşenini ekleyin. Vücut tabakasını iki vokal fold yarısından dökmek için toplam 6 g silikon karışımı yeterlidir.
   4. Kürlenmiş silikon gövdesinde hava kabarcıklarının oluşmasını önlemek için silikon karışımını bir vakum odasında minimum -1 bar alt basınçta vakumlayın.
   5. Vakumlanmış silikon karışımını dolu görünene kadar dikkatlice kalıp boşluğuna dökün. Çok ince silikon karışımının kalıp bağlantılarından batmasını önlemek için kalıp kabının çevresini doldurun. Damlama süresi boyunca silikon seviyesini kontrol edin ve gerekirse daha fazlasını ekleyin. Bu karışımın damlama süresi 1-2 saat arasındadır.
   6. Yaklaşık 1 günlük bir kürlenme süresinden sonra, ancak en az 8 saat, pozitif de dahil olmak üzere kalıbı tencereden çıkarın. Kalıbı açmadan önce kalıp ile tencere arasındaki silikonu çıkarın.
   7. Kalıbı açarken, önce pozitifin arkasından başlayarak kapağı dikkatlice çıkarın. Ardından kalıbın ana gövdesini çıkarın. Bir neşter veya yan kesici kullanarak fazla silikonu dikkatlice çıkarın.
2. Epitel tabakasının üretimi için musosa_mold sırt, musosa_mold ana parça ve musosa_mold gövdeli parçaların yanı sıra ikincil silikon ve ayırıcı maddeyi hazırlayın. ( Bkz. Malzeme Tablosu).
   NOT: Adım 2.1 ve 2.2 (vücut ve epitel tabakası) aynı anda tamamlanabilir.
   1. İki kalıp parçasını birleştirin ve gövdeye yerleştirin. Kalıbın içini bir miktar ayırıcı madde ile hazırlayın ve iç duvarların ilgili kalıp ayırıcının kullanım talimatlarına göre kaplandığından emin olun. Devam etmeden önce bileşenin kısa bir süre kurumasını bekleyin.
   2. İkincil silikonun bir kısmını tiner kullanmadan karıştırın (1:1:0). Karıştırma sırasında silikon karışıma hava kabarcıkları girmişse, karışımın gazını 2.1.4 adımındaki gibi giderin.
      NOT: Bu karışımın yaklaşık 15 dakika olan kısa damlama süresine dikkat edin.
   3. Karışımın bir kısmını kalıba dökün ve tüm iç yüzeyler silikonla kaplanana kadar döndürün (kalıbı gövdede bırakarak).
   4. Kalıbı ters çevirin ve fazla silikonun dışarı akmasına izin verin. Kalıbı bu konumda bir ağ, ızgara üzerinde veya daha fazla silikon drenajına izin veren bir açıyla sabitleyin.
   5. Kürleme işlemi sırasında silikonu özellikle hava kanalının yerleştirileceği alanda düzenli olarak düzleştirerek çıkıntı oluşumunu önleyin.
      NOT: Bunlar daha sonra pense ile dikkatlice çıkarılabilir.
3. Adım 2.1'den itibaren vokalis silikon tabakası ile pozitif, adım 2.2'den epitel tabakası ile hazırlanan kalıbı ve Malzeme Tablosunda listelendiği gibi silikon ve tiner hazırlayarak mukoza ara tabakasının üretimine hazırlanın.
   1. Birincil silikonun beş parça tiner (1:1:5) ile bir karışımını oluşturun, A bileşenini tiner ile birleştirerek başlayın ve ardından B bileşenini ekleyin. Toplam 4 g silikon karışımı yeterlidir.
   2. Silikon karışımını adım 2.1.4'teki gibi bir vakum odasında vakumlayın.
   3. Silikon karışımının bir kısmını hazırlanan epitelyal silikon ile mukoza kalıbına doldurun. Pozitifin yerleştirilmesini kolaylaştırmak için epitel silikonunun tüm iç yüzeyleri ince bir yağ tabakası ile kaplanana kadar kalıbı eğin.
      NOT: İsteğe bağlı: Yüksek seyreltici oranı nedeniyle, karışımın buharlaşma yoluyla büzülebileceği birkaç saatlik uzun bir damlama süresi vardır. Bu nedenle, sonraki adımlara geçmeden önce yaklaşık 2-3 saat bekleyin.
   4. Vokal gövdesi ile pozitifi kalıba dikkatlice yerleştirin. Pozitifi kalıba sabitleyin, örneğin pozitif silikon üzerinde yüzerse, bir kelepçe ile. Daha önce eklenen silikon miktarına bağlı olarak, doldurma noktalarında kaçabilir.
   5. Kalıbı, vokal tabakasının dökümüyle aynı şekilde doldurun ve malzeme batarsa buna göre doldurun.
   6. Silikonun tamamen kürlenmesi için damlama süresi sona erdikten sonra 24 saat bekleyin.
   7. 24 saat sonra gövdeyi kalıptan çıkarın. İlk önce kalıbı kabuktan çıkarın. Ardından arka bölümden başlayarak kalıbı açın ve kalıbın ana kısmını da çıkarın.
   8. Fazla silikonu dikkatlice çıkarın, yüzeyi yıkayın ve gövdenin kurumasını bekleyin.
4. İki vokal fold yarısını, Ek Kodlama Dosyası 8'deki ölçüm ve montaj modülünde belirtilen konumlara monte edin. Bağlantı, iki M3 vida ve M3 kare somun (DIN 562) için tasarlanmıştır, ancak bunlar zorunlu değildir.

Sonuçlar

Fabrikasyon ses teli modeli, Ek Şekil 3'te gösterilen ölçüm düzeneğine ses kıvrımları pozisyonuna entegre edilmiştir. Önceki bir yayında kapsamlı bir şekilde detaylandırılan kurulum¹³, ses basıncı, belirli konumlardaki statik basınç ve hacim hızı gibi verileri kaydeden bir dizi ölçüm cihazının yanı sıra ses teli modellerini salınıma uyaran çok aşamalı kontrol edilebilir bir hava akışı kaynağı içerir. Ölçümler için, ses teli modeli salı...

Tartışmalar

Burada sunulan üretim süreci, başarısını önemli ölçüde etkileyen kritik adımları içerir. İlk olarak, sunulan üretim sürecinin, ses teli gövdesi malzemesindeki yağ doygunluğu sorununu çözmediği, bunun yerine bazı olumsuz yan etkileri ortadan kaldırdığı belirtilmelidir. Gaz çıkışı ve buna bağlı büzülme ve yüzey dalgalanması, daha az ölçüde de olsa hala devam etmektedir. Bu sorunlara bir çözüm, gerçek ses kıvrımlarının elastikiyet modülünü kararlı ve dayanıklı bir polim...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
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