Summary

非粘着性超軟質ボーカルフォールドモデルの製造工程

Published: January 05, 2024
doi:

Summary

本研究では、声帯層の具体的な作成方法を紹介し、製造手順を詳細に説明し、モデルの特性を特徴付けることにより、非粘着性で超軟質の声帯モデルの製造を実証します。

Abstract

本研究は、音声研究のための超ソフトでべたつかない声帯モデルの開発を目的としています。シリコーン系声帯模型の従来の製造工程では、粘着性や再現性の問題など、望ましくない特性を持つ模型ができあがっていました。これらの声帯モデルは急速に老化する傾向があり、異なる測定値間の比較可能性が低くなります。本研究では、シリコーン材料の積層順序を変えることで製造工程を改良し、べたつかない一貫性の高い声帯モデルの作製につなげることを提案する。また、この方法で作製したモデルと、粘着面の悪影響を受ける従来製造の声帯モデルとの比較も行っています。製造プロセスを詳細に説明し、潜在的なアプリケーションのためにモデルの特性を特徴付けます。この研究の結果は、改良された作製法の有効性を実証し、粘着性のない声帯モデルの優れた品質を強調しています。この知見は、研究および臨床応用のための現実的で信頼性の高い声帯モデルの開発に貢献します。

Introduction

声帯モデルは、正常および病理学的条件下での人間の声の生成をシミュレートおよび調査するために使用されます1,2。声帯モデルを作成する上で最大の課題の1つは、人間に近いリアルな柔らかさと柔軟性を実現することです。これらの特性を達成するために、シリコーンエラストマーがしばしば使用され、それらは大量のシリコーンオイルで希釈されて、対応する弾性率3,4を達成します。声帯は柔らかさの異なる複数の層で構成されており、流れによって引き起こされる振動のパターンと振動が可能な周波数を決定するため、リアルな声帯モデルを作成する上でもう1つの重要な要素は層状化です。

本研究では、代表的な声帯モデルを作成した。Scherer5 が提供する一般的な幾何学は、Zhang6 によると長さ 17 mm の男性声帯の典型的な寸法を表し、声帯筋 (体層)、粘膜層全体 (被覆層)、上皮の 3 つの層で構成されています。この構造は、 図1のコロナ断面図で見ることができます。

Figure 1
図1:喉頭モジュールの冠状断面。 声帯の最も広い幅(8.5 mm)を示す喉頭モジュールの冠状断面。各声帯は、体層、被覆層、上皮層で構成されています。この数字は13 から変更されています。Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Effect of wavy trachea walls on the oscillation onset pressure of silicone vocal foldsより転載。 J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) 米国音響学会の許可を得て掲載。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

他の出版物は、部分的に1つの層7のみを使用し、上皮層2 のない2つの層を使用するか、または複数の層3で粘膜をモデル化します。通常、層は内側から外側に、つまり最も深い層からキャストされます。厚さ30μmと非常に薄い上皮は、先端を全身にキャストして、丈夫な皮膚包み込みます8。

モデル内の被覆層は最も柔らかい部分で、ヤング率は約 1.1 kPa9 です。ボディ層については、 in vitro 測定10 を用いた横方向の近似ヤング率は2kPaである。 生体内では、甲状披裂筋のヤング率は、縦方向の線維の存在および筋肉の緊張の可能性により、高くなる可能性があります。この極めて低いヤング率を実現するには、シリコーン混合物に大量のシリコーンオイル(約72%)を添加する必要があります。ただし、メーカーは、5%を超えるオイルの割合を使用しないことを強くお勧めします。一般に、エラストマーへのシリコーンオイルの添加は、流動およびドリップ時間を増加させるとともに、硬化したシリコーンポリマーの収縮を減少させることを目的としている。シリコーンがより均一に硬化するのに役立ち、それによって材料の応力が軽減されます。その目的は、硬化した材料の柔らかさを高めることではなく、成形性と特性を最適化することですが、これも結果です。これは、シリコーンオイルが化学的に不活性であり、それ自体を重合することができず、シリコーンポリマー11のネットワークに組み込まれていないことを意味する。代わりに、ポリマーマトリックス中に液相として残り、より高いレベルでポリマー構造を弱め、硬化した材料から溶解して表面に付着する可能性があります。その結果、硬化障害、不均一な加硫、化学的収縮、脆性などの他の負の特性が発生する可能性があります。シリコーンオイル含有量の高い声帯モデルについて、経年変化や再現性について検討したところ、モデルによって特性のばらつきが大きく、経時的な特性の変化があることがわかった11

従来の方法で声帯モデルを作製する場合7,12、上皮層の粘着性は、振動の均一性に影響を与え、上皮の破裂につながる可能性があるため、問題となり得る。上皮を作るのに使われるシリコーンは原液ですが、隣接する粘膜層から漏れ出る油分は、シリコーンを希釈したのと同様の効果があると考えられます。粘膜と上皮層12との間の中間層としてタルカムやカーボン粉末などの各種粉末を添加することで、べたつきの問題に対処した。このアプローチが成功したのは、オイルが部分的に粉末に吸収され、その結果、上皮表面のべたつきを減らすことができたからです。

この出版物では、声帯の製造プロセスを少し変更することで、粘着性の問題を回避できることを示しました。重ねる順番を変えて、原液の上皮シリコーン(いわゆるクローズドシリコーン)から始めることで、べたつかない超ソフトな声帯モデルを作ることができます。この変更には、ビデオの形で提示および説明するのが最適な珍しいタイプの金型と方法が含まれます。この論文では、当社の製造プロセスを詳細に説明し、声帯モデルの特性をアプリケーションでどのように特徴付けることができるかを示します。

Protocol

1. 声帯模型の設計と部品の3Dプリント さまざまな軟質シリコン材料を使用して、シリコン声帯の一般的な M5 形状を多層的に表現します。コンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用して個々の部品を設計します。詳細は 、補助符号化ファイル1、補助符号化ファイル2、補助符号化ファイル3、補助符号化ファイル4、補助符号化ファイル5、補助符号化ファイル6?…

Representative Results

作製した声帯モデルは、声帯の位置で 補足図3 に示した測定装置に組み込んだ。このセットアップは、以前の出版物13で詳細に説明されており、声帯モデルを振動に刺激する多段階の制御可能な気流源と、音圧、特定の位置での静圧、および体積速度などのデータを記録する一連の測定器で構成されています。測定では、声帯モデルが振動し始めるまで、気流が…

Discussion

ここで紹介する製造プロセスには、その成功に大きな影響を与える重要なステップが含まれます。第一に、提示された製造プロセスは、声帯本体材料中の油飽和の問題を解決するものではなく、むしろ特定の負の副作用を回避することに留意すべきである。ガス放出とそれに伴う収縮と表面のうねりは、程度は低いものの、依然として持続しています。これらの問題の解決策には、実際の声?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

このプロジェクトは、ドイツ研究財団(DFG)の助成を受けています。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