JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biologie

Hemi-laryngeal Setup voor het bestuderen van de vocale Fold trillingen in drie dimensies

Published: November 25, 2017
doi:
10.3791/55303
, , , ,
1Voice Research Lab, Department of Biophysics, Faculty of Science,Palacky University Olomouc, 2Laboratory of Bio-Acoustics, Dept. of Cognitive Biology,University of Vienna, 3ENES Lab, NEURO-PSI,CNRS UMR 9197,Université Lyon/Saint-Etienne, France

Summary

Deze paper introduceert een protocol voor de bereiding van hemi-strottenhoofd specimens te vergemakkelijken van een multi-dimensionale weergave van vocale vouw trillingen, om te onderzoeken van verschillende biofysische aspecten van de productie van de stem in de mensen en niet-menselijke zoogdieren.

Abstract

De stem van de mensen en de meeste niet-menselijke zoogdieren is gegenereerd in het strottenhoofd door middel van zichzelf onderhoudende trilling van de vocal folds. Directe visuele documentatie van vocale vouw trillingen is uitdagend, met name in de niet-menselijke zoogdieren. Als alternatief bieden verwijderde strottenhoofd experimenten de mogelijkheid te onderzoeken van vocale vouw trillingen onder gecontroleerde fysiologische en fysieke omstandigheden. Het gebruik van een volledige strottenhoofd biedt echter slechts een bovenaanzicht van de vocal folds, met uitzondering van cruciale delen van de oscillerende structuren van waarneming tijdens hun interactie met aërodynamische krachten. Deze beperking kan worden overwonnen door gebruik te maken van een hemi-strottenhoofd setup waar de helft van het strottenhoofd is medio-sagittally verwijderd, bieden een superieure zowel een laterale weergave van de resterende vocale vouw tijdens zichzelf onderhoudende trilling.

Hier is een stapsgewijze handleiding voor de anatomische voorbereiding van hemi-laryngeal structuren en hun montage op de laboratorium-Bank krijgt. Voorbeeldige articulatie van de hemi-strottenhoofd voorbereiding is gedocumenteerd met high-speed video gegevens die zijn vastgelegd door twee gesynchroniseerde camera’s (superior en laterale meningen), weergegeven: driedimensionale vocale vouw beweging en bijbehorende tijd tegenover wisselende contactoppervlak. De documentatie voor de hemi-strottenhoofd setup in deze publicatie vergemakkelijkt toepassing en betrouwbare herhaalbaarheid in experimenteel onderzoek, stem wetenschappers te voorzien van de mogelijkheden om de biomechanica van stem productie beter te begrijpen.

Introduction

Stem is meestal gemaakt door trillende laryngeal weefsel (vooral de vocal folds), dat een constante luchtstroom zet, geleverd door de longen, in een reeks van pulsen van de luchtstroom. De golfvorm van de akoestische druk (dat wil zeggen, de primaire geluid) die uit deze opeenvolging van stroom pulsen akoestisch boeit het spraakkanaal die ze filtert, en het resulterende geluid is uit de mond en (tot op zekere hoogte) straalde uit de neus1 . De spectrale samenstelling van het gegenereerde geluid wordt grotendeels beïnvloed door de kwaliteit van de vocale vouw trillingen, vallende laryngeal biomechanica en interacties met de tracheale luchtstroom2. Zowel in een klinische en de context van een onderzoek is documentatie en evaluatie van vocale vouw trilling dus van vooral belang bij de studie van productie van de stem.

Bij de mens, directe Endoscopische onderzoek van het strottenhoofd tijdens geluidsproductie in vivo is uitdagend, en is het vrijwel onmogelijk in niet-menselijke zoogdieren, huidige technologische middelen gegeven. Daarom, en om garantie zorgvuldig gecontroleerd fysieke en/of fysiologische experimentele randvoorwaarden, het gebruik van verwijderde larynges3,4 is in veel gevallen een adequate vervanging voor onderzoek van in vivo stem productie mechanismen.

Vocale vouw vibratie is een complexe driedimensionale fenomeen5. Terwijl conventionele onderzoeksmethoden zoals geven laryngeal endoscopie (in vivo) of verwijderde strottenhoofd preparaten doorgaans slechts een superieure weergave van de trillende vocal folds6, ze doen niet toestaan voor de volledige drie-dimensionale analyse van vocale vouw beweging. In het bijzonder in de superieure weergave zijn de lagere (caudal) marges van de vocal folds onzichtbaar tijdens een groot deel van de trilling cyclus. Dit is te wijten aan de vertraging van de fase tussen de inferior (caudal) en de superieure (craniale) rand van het vocal folds, een verschijnsel dat meestal tijdens vocale vouw trilling5 gezien wordt. Als directe empirisch bewijs voor back-up bevindingen van wiskundige en fysische modellen is schaars, kennis van de geometrie en de motie van de lagere vocal vouwen rand7, en dus de geometrie van de subglottal kanaal8,9 , 10 is cruciaal voor het beter begrijpen van de interactie tussen laryngeal luchtstroom, vocale vouw weefsel en de resulterende krachten en druk11,12. Een ander aspect van de vocale vouw trillingen die is verborgen in de gebruikelijke superieure weergave is de verticale (caudo-craniale) diepte van het contact tussen de twee vocal folds. De verticale contact diepte is gerelateerd aan de verticale dikte van de vocal folds, die een mogelijke indicator van de vocale register gebruikt in zingen (“borst” vs. “falsetto” register)13,14.

Om te overwinnen van de tekortkomingen van conventionele (volledige) verwijderde strottenhoofd preparaten, een zogenaamde hemi-strottenhoofd setup kan gebruikt worden, waar de helft van het strottenhoofd wordt verwijderd, waardoor de beoordelingvan de vibrerende kenmerken van de resterende vocale vouwen in drie dimensies. Verrassend, sinds de invoering van deze opstelling in de jaren 1960-15 en een eerste validatie van het concept in 199316, niet veel laboratoria opgetreden experimenten met deze veelbelovende experimentele aanpak17,18 ,19,20,21,22,23. Een verklaring hiervoor kan gevonden worden in de moeilijkheden van het creëren van een levensvatbare hemi-strottenhoofd voorbereiding. Terwijl de conventionele verwijderde (volledige) strottenhoofd voorbereiding goed gedocumenteerd4 is, zijn geen dergelijke diepgaande instructies nog beschikbaar voor het maken van een hemi-strottenhoofd setup. Daarom is het doel van deze paper om een tutorial voor het opzetten van een betrouwbaar reproduceerbare hemi-strottenhoofd setup, aangevuld met een experimentele resultaten uit edelhert monsters.

Een hemi-strottenhoofd setup deelt vele kenmerken met een “conventionele” verwijderde strottenhoofd setup, zoals meetapparatuur, high-speed of andere imaging technologie om de trillingen van de laryngeal structuren adequaat document tijdens het geluid genereren, of goede toevoer van verwarmde, bevochtigde lucht. Deze algemene overwegingen zijn in detail beschreven in zowel een boek hoofdstuk4 en een technisch verslag van het nationale centrum van stem en spraak24. Herhaling van deze instructies zou buiten het bestek van dit manuscript. Hier, worden alleen de gespecialiseerde richtlijnen voor het genereren van een hemi-strottenhoofd setup gepresenteerd.

Protocol

De dierlijke specimens die in dit artikel geanalyseerd werden behandeld overeenkomstig de standaard ethische eisen van de Turin Universiteit in Olomouc, Tsjechië. Zij vloeien voort uit edelhert, wild leven in de bossen, die werden tijdens een reguliere jachtseizoen gejaagd door de Tsjechische leger Forest Service. 1. bereiding van het monster Hemi-strottenhoofd Opmerking: Alleen goed bereide monsters moeten worden gebruikt, zoals aangegeven in4</sup…

Representative Results

Illustraties van het preparaat hemi-strottenhoofd en de montage ervan op de luchtslang voor levering, waarnaar wordt verwezen in de vorige sectie, worden gegeven in Figuur 1 en Figuur 2, respectievelijk. Documentatie van vocale vouw trillingen vanuit twee hoeken Luchtstroom-geïnduceerde zelfv…

Discussion

De hemi-strottenhoofd voorbereiding deelt de voordelen van de “conventionele” (volledige) verwijderde strottenhoofd setup: In dergelijke experimentele aanpak, fysieke en fysiologische randvoorwaarden en parameters (zoals subglottal druk en vocale vouw rek) kunnen redelijk goed gecontroleerd. Het gedrag van de hemilarynx is homoloog aan die van een volledige strottenhoofd met een perfecte lateraal symmetrie, met de uitzondering dat magnitude van enkele parameters (bv., lucht debiet, geluidsdruk) met ongeveer 50% …

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd gesteund door de toekenning van een APART van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen (CTH), het Bureau van de technologie van de Tsjechische Republiek project neen. TA04010877 (CTH, VH en JGS), en de Tsjechische Science Foundation (GACR) project geen GA16-01246S (tot JGS). Wij danken W. Tecumseh Fitch voor zijn suggestie om gebruik gebit kleefpoeders crème, en Ing. P. Liska uit de Tsjechische leger Forest Service voor zijn hulp bij het verwerven van de verwijderde herten larynges.

Materials

Surgical blades Surgeon Jai Surgical Ltd., New Delhi, India
Saw Hand saw (Lux, 150 mm length) Lux, Wermelskirchen, Germany
Thermometer Testo 922 Testo Ltd., Hampshire, UK K-type Probe, Operating temperature -20 to +50 °C
Autoclave bags Autoclave bags vwr.com, VWR International s.r.o., Stribrna Skalice, Czech republic
Conductive glass plates Custom made UPOL – Joint laboratory of Optics
Trida 17. listopadu 50A, 772 07 Olomouc, the Czech Rep.
Fixative cream Denture fixative cream Blend-a-dent Natural
Prongs and fastening system Customized Kanya Al eloxed profiles Distributor: VISIMPEX a.s.. Seifertova 33, 750 02 Prerov, the Czech Rep.;  Combination of Kanya RVS and PVS fastening systems (http://www.kanya.cz/) + custom made prongs
Mounting tube Custom made UPOL – Joint laboratory of Optics,
Trida 17. listopadu 50A, 772 07 Olomouc, the Czech Rep.
LED Light Verbatim 52204 LED Lamp Mitsubishi Chemical Holdings Corporation, Tokyo, Japan
Camera Canon EOS1100D Canon Inc. 18-55 mm lens
Airpump Resun LP100 Resun
Strobe light ELMED Helio-Strob micro2 ELMED Dr. Ing. Mense GmbH, Heiligenhaus, Germany
Humidifier Custom made Voice Research Lab, Dept. Biophysics, Faculty of Sciences, Palacky University Olomouc, Czech republic
Subglottic tract Custom made adjustable subglottic tract Voice Research Lab, Dept. Biophysics, Faculty of Sciences, Palacky University Olomouc, Czech republic Hampala, V., Svec, Jan, Schovanek, P., and Mandat, D. Uzitny vzor c. 25585: Model subglotickeho traktu. [Utility model no. 25585: Model of subglottal tract] (In Czech) Soukup, P. 2013-27834(CZ 25505 U1), 1-7. 24-6-2013. Praha, Urad prumysloveho vlastnictvi
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Story, B. H. An overview of the physiology, physics and modeling of the sound source for vowels. Acoust Sci Technol. 23 (4), 195-206 (2002).
  2. Titze, I. R. . Principles of voice production (second printing). , (2000).
  3. Cooper, D. S., Cummings, C. W., Fredrickson, J. M., Harker, L. A., Schuller, D. E., Krause, C. J. Ch. 95. Otolaryngology – head and neck surgery. 3, 1728-1737 (1986).
  4. Titze, I. R., Titze, I. R. . The myoelastic aerodynamic theory of phonation. , 1-62 (2006).
  5. Baer, T. . Investigation of phonation using excised larynxes (Doctoral dissertation). , (1975).
  6. Bless, D. M., Patel, R. R., Connor, N., Fried, M. P., Ferlito, A. Ch. 11. The Larynx. I, 181-210 (2009).
  7. Berke, G. S., et al. Laryngeal modeling: theoretical, in vitro, in vivo. Laryngoscope. 97, 871-881 (1987).
  8. Scherer, R. C., Titze, I. R., Curtis, J. F. Pressure-flow relationships in two models of the larynx having rectangular glottal shapes. J Acoust Soc Am. 73 (2), 668-676 (1983).
  9. Sidlof, P., et al. Geometry of human vocal folds and glottal channel for mathematical and biomechanical modeling of voice production. J Biomech. 41 (5), 985-995 (2008).
  10. Scherer, R. C., Torkaman, S., Kuehn, D. P., Afjeh, A. A. Intraglottal pressures in a three-dimensional model with a non-rectangular glottal shape. J Acoust Soc Am. 128 (2), 828-838 (2010).
  11. Titze, I. R. The physics of small-amplitude oscillation of the vocal folds. J Acoust Soc Am. 83 (4), 1536-1552 (1988).
  12. Horacek, J., Svec, J. G., Paidoussis, M. P. Ch. 2. , 1043-1054 (2002).
  13. Vilkman, E., Alku, P., Laukkanen, A. M. Vocal-fold collision mass as a differentiator between registers in the low-pitch range. J Voice. 9 (1), 66-73 (1995).
  14. Herbst, C. T., Svec, J. G. Adjustment of glottal configurations in singing. J Singing. 70 (3), 301-308 (2014).
  15. Hiroto, I. . Vibration of vocal cords: an ultra high-speed cinematographic study(Film). , (1968).
  16. Jiang, J. J., Titze, I. R. A methodological study of hemilaryngeal phonation. Laryngoscope. 103 (8), 872-882 (1993).
  17. Scherer, R. C., Druker, D. G., Titze, I. R., Fujimura, O. . Vocal physiology: voice production, mechanisms and functions. , 279-291 (1988).
  18. Jiang, J. J., Titze, I. R. Measurement of vocal fold intraglottal pressure and impact stress. J Voice. 8 (2), 132-144 (1994).
  19. Alipour, F., Scherer, R. C. Dynamic glottal pressures in an excised hemilarynx model. J Voice. 14 (4), 443-454 (2000).
  20. Berry, D. A., Montequin, D. W., Tayama, N. High-speed digital imaging of the medial surface of the vocal folds. J Acoust Soc Am. 110 (5 Pt 1), 2539-2547 (2001).
  21. Döllinger, M., Tayama, N., Berry, D. A. Empirical eigenfunctions and medial surface dynamics of a human vocal fold. Methods Inf Med. 44 (3), 384-391 (2005).
  22. Döllinger, M., Berry, D. A., Berke, G. S. Medial surface dynamics of an in vivo canine vocal fold during phonation. J Acoust Soc Am. 117 (5), 3174-3183 (2005).
  23. Döllinger, M., Berry, D. A., Kniesburges, S. Dynamic vocal fold parameters with changing adduction in ex-vivo hemilarynx experiments. J Acoust Soc Am. 139 (5), 2372-2385 (2016).
  24. Durham, P. L., Scherer, R. C., Druker, D. G., Titze, I. R. . Development of excised larynx procedures for studying mechanisms of phonation. Technical report. , (1987).
  25. Chan, R. W., Titze, I. R. Effect of postmortem changes and freezing on the viscoelastic properties of vocal fold tissues. Ann Biomed Eng. 31 (4), 482-491 (2003).
  26. Berg van den, J. W., Tan, T. S. Results of experiments with human larynxes. Practica Oto-Rhino-Laryngologica. 21, 425-450 (1959).
  27. Hampala, V., Garcia, M., Svec, J. G., Scherer, R. C., Herbst, C. T. Relationship between the electroglottographic signal and vocal fold contact area. J Voice. 30 (2), 161-171 (2016).
  28. Herbst, C. T., et al. Glottal opening and closing events investigated by electroglottography and super-high-speed video recordings. J Exp Biol. 217 (6), 955-963 (2014).
  29. Zemlin, W. R. . Speech and hearing science: Anatomy & physiology. , (1988).
  30. Lohscheller, J., Toy, H., Rosanowski, F., Eysholdt, U., Döllinger, M. Clinically evaluated procedure for the reconstruction of vocal fold vibrations from endoscopic digital high-speed videos. Med. Image Anal. 11 (4), 400-413 (2007).
  31. Wittenberg, T., Moser, M., Tigges, M., Eysholdt, U. Recording, processing, and analysis of digital high-speed sequences in glottography. Mach Vis Appl. 8 (6), 399-404 (1995).
  32. Larsson, H., Hertegard, S., Lindestad, P. A., Hammarberg, B. Vocal fold vibrations: high-speed imaging, kymography, and acoustic analysis: a preliminary report. Laryngoscope. 110 (12), 2117-2122 (2000).
  33. Wittenberg, T., Tigges, M., Mergell, P., Eysholdt, U. Functional imaging of vocal fold vibration: digital multislice high-speed kymography. J Voice. 14 (3), 422-442 (2000).
  34. Deliyski, D., Petrushev, P., Schade, G., Müller, F., Wittenberg, T., Hess, M. . AQL 2003 Hamburg: Proceeding Papers for the Conference Advances in Quantitative Laryngology, Voice and Speech Research. (CD ROM). , 1-16 (2003).
  35. Svec, J. G., Schutte, H. K. Kymographic imaging of laryngeal vibrations. Curr Opin Otolaryngol Head Neck Surg. 20 (6), 458-465 (2012).
  36. Doellinger, M., Berry, D. A. Visualization and quantification of the medial surface dynamics of an excised human vocal fold during phonation. J Voice. 20 (3), 401-413 (2006).
  37. Kusuyama, T., Fukuda, H., Shiotani, A., Nakagawa, H., Kanzaki, J. Analysis of vocal fold vibration by x-ray stroboscopy with multiple markers. Otolaryngol Head Neck Surg. 124 (3), 317-322 (2001).
  38. Fabre, P. Un procédé électrique percuntané d’inscription de l’accolement glottique au cours de la phonation: glottographie de haute fréquence; premiers résultats [A non-invasive electric method for measuring glottal closure during phonation: High frequency glottography: first results]. Bull. Acad. Nat. Med. 141, 66-69 (1957).
  39. Baken, R. J. Electroglottography. J Voice. 6 (2), 98-110 (1992).
  40. Baer, T., Stevens, K. N., Hirano, M. . Vocal Fold Physiology. , 119-133 (1981).
  41. Pelorson, X., Hirschberg, A., van Hassel, R. R., Wijnands, A. P. J., Auregan, Y. Theoretical and experimental study of quasisteady-flow separation within the glottis during phonation. Application to a modified two-mass model. J Acoust Soc Am. 96 (6), 3416-3431 (1994).
  42. Alipour, F., Scherer, R. C. Flow separation in a computational oscillating vocal fold model. J Acoust Soc Am. 116 (3), 1710-1719 (2004).
  43. Zhang, Z. Influence of flow separation location on phonation onset. J Acoust Soc Am. 124 (3), 1689-1694 (2008).
  44. Kaburagi, T., Tanabe, Y. Low-dimensional models of the glottal flow incorporating viscous-inviscid interaction. J Acoust Soc Am. 125 (1), 391-404 (2009).
  45. Sidlof, P., Doaré, O., Cadot, O., Chaigne, A. Measurement of flow separation in a human vocal folds model. Exp Fluids. 51 (1), 123-136 (2011).
  46. Smith, S. L., Thomson, S. L. Effect of inferior surface angle on the self-oscillation of a computational vocal fold model. J Acoust Soc Am. 131 (5), 4062-4075 (2012).
  47. Khosla, S., Oren, L., Ying, J., Gutmark, E. Direct simultaneous measurement of intraglottal geometry and velocity fields in excised larynges. Laryngoscope. 124, S1-S13 (2014).
  48. Brücker, C., Kirmse, C., Triep, M. Feedback of the glottal jet flow with supraglottal wall oscillations. Acta Acustica United With Acustica. 102 (2), 240-243 (2016).
  49. Herbst, C. T., Fitch, W. T., Lohscheller, J., Svec, J. G., Deliyski, D. D. . AQL 2013, Proceedings of the 10th International Conference on Advances in Quantitative Laryngology, Voice and Speech Research. , 75-76 (2013).
  50. Berke, G. S., Gerratt, B. R. Laryngeal biomechanics: an overview of mucosal wave mechanics. J Voice. 7 (2), 123-128 (1993).
  51. Boessenecker, A., Berry, D. A., Lohscheller, J., Eysholdt, U., Doellinger, M. Mucosal wave properties of a human vocal fold. Acta Acustica United With Acustica. 93 (5), 815-823 (2007).
  52. Hirano, M. . Clinical examination of voice. 5, (1981).
  53. Jing, B., Tang, S., Wu, L., Wang, S., Wan, M. Visualizing the Vibration of Laryngeal Tissue during Phonation Using Ultrafast Plane Wave Ultrasonography. Ultrasound in Med BIol. 42 (12), 2812-2825 (2016).
  54. Herbst, C. T., Suthers, R. A., Fitch, W. T., Fay, R. R., Popper, A. N. Ch. 6. Vertebrate Sound Production and Acoustic Communication. , 159-189 (2016).

Tags

Hemi-laryngeal SetupVocal Fold VibrationExcised LarynxThree-dimensionalLarynx SpecimenDefrostingBioacoustic ResearchSupralaryngeal StructuresThyroid CartilageCricoid CartilageVocal Fold Preservation

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
Herbst, C. T., Hampala, V., Garcia, M., Hofer, R., Svec, J. G. Hemi-laryngeal Setup for Studying Vocal Fold Vibration in Three Dimensions. J. Vis. Exp. (129), e55303, doi:10.3791/55303 (2017).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image