Summary
Deze studie demonstreert de productie van niet-kleverige en superzachte stemplooimodellen door een specifieke manier te introduceren om de stemplooilagen te creëren, een gedetailleerde beschrijving van de productieprocedure te geven en de eigenschappen van de modellen te karakteriseren.
Abstract
Deze studie heeft tot doel superzachte, niet-plakkerige stemplooimodellen te ontwikkelen voor stemonderzoek. Het conventionele fabricageproces van op siliconen gebaseerde stemplooimodellen resulteert in modellen met ongewenste eigenschappen, zoals plakkerigheid en reproduceerbaarheidsproblemen. Die stemplooimodellen zijn gevoelig voor snelle veroudering, wat leidt tot een slechte vergelijkbaarheid tussen verschillende metingen. In deze studie stellen we een wijziging van het productieproces voor door de volgorde van het aanbrengen van het siliconenmateriaal te veranderen, wat leidt tot de productie van niet-plakkerige en zeer consistente stemplooimodellen. We vergelijken ook een model dat met deze methode is geproduceerd met een conventioneel vervaardigd stemplooimodel dat nadelig wordt beïnvloed door het kleverige oppervlak. We beschrijven het productieproces en karakteriseren de eigenschappen van de modellen voor mogelijke toepassingen. De resultaten van de studie tonen de werkzaamheid van de gemodificeerde fabricagemethode aan, wat de superieure kwaliteiten van onze niet-kleverige stemplooimodellen benadrukt. De bevindingen dragen bij aan de ontwikkeling van realistische en betrouwbare stemplooimodellen voor onderzoek en klinische toepassingen.
Introduction
Stemplooimodellen worden gebruikt om de menselijke stemproductie onder normale en pathologische omstandigheden te simuleren en te onderzoeken 1,2. Een van de grootste uitdagingen bij het maken van stemplooimodellen is het bereiken van een realistische zachtheid en flexibiliteit die die van mensen nauw benadert. Om deze eigenschappen te bereiken, worden vaak siliconenelastomeren gebruikt, die worden verdund met grote hoeveelheden siliconenolie om de overeenkomstige elasticiteitsmoduli 3,4 te bereiken. Een andere cruciale factor bij het maken van realistische stemplooimodellen is gelaagdheid, aangezien stemplooien bestaan uit meerdere lagen van verschillende zachtheid, die het patroon van door stroming geïnduceerde trillingen en de frequentie bepalen waarmee trillingen mogelijk zijn.
In deze studie hebben we een typisch stemplooimodel gemaakt. We gebruikten de gemeenschappelijke geometrie van Scherer5, die typische afmetingen weergeeft voor mannelijke stemplooien met een lengte van 17 mm volgens Zhang6 en bestaat uit drie lagen: een laag voor de vocalis-spier (lichaamslaag), een voor de hele slijmvlieslaag (deklaag) en een voor het epitheel. Deze structuur is te zien in de coronale dwarsdoorsnede in figuur 1.
Figuur 1: Coronale doorsnede van de strottenhoofdmodules. Coronale dwarsdoorsnede van de strottenhoofdmodules die de breedste breedte van de stemplooien illustreert (8,5 mm). Elke stemplooi bestaat uit een lichaamslaag, een deklaag en een epitheellaag. Dit cijfer is gewijzigd van13. Overgenomen uit Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Effect van golvende luchtpijpwanden op de oscillatiedruk van siliconen stemplooien. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) met toestemming van de Acoustical Society of America. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Andere publicaties gebruiken gedeeltelijk slechts één laag7, twee lagen zonder epitheel laag2 of modelleren het slijmvlies met meerdere lagen3. Meestal worden de lagen van binnen naar buiten gegoten, d.w.z. beginnend met de diepste laag. Het epitheel, dat zeer dun is met een dikte van 30 μm, wordt aan het uiteinde over het hele lichaam gegoten om het te omhullen met een stevige huid8.
De deklaag in het model is het zachtste deel, met Young's modulus van ongeveer 1,1 kPa9. Voor de lichaamslaag is de geschatte Young-modulus in transversale richting met behulp van in-vitrometingen 10 2 kPa. In vivo kan de Young-modulus van de thyreoarytenoïde spier hoger zijn vanwege de aanwezigheid van vezels in de lengterichting en de mogelijke aanspanning van de spier. Om deze extreem lage Young's modulus te bereiken, is het noodzakelijk om een grote hoeveelheid siliconenolie aan het siliconenmengsel toe te voegen (ongeveer 72%). De fabrikant raadt echter ten zeerste af om een olieaandeel van meer dan 5% te gebruiken. Over het algemeen is de toevoeging van siliconenolie aan het elastomeer bedoeld om de stroom- en druppeltijd te verlengen en de krimp van het uitgeharde siliconenpolymeer te verminderen. Het helpt de siliconen gelijkmatiger uit te harden, waardoor de spanning in het materiaal wordt verminderd. Het doel is om de vormbaarheid en eigenschappen van het uitgeharde materiaal te optimaliseren, in plaats van de zachtheid te vergroten, hoewel dit ook een gevolg is. Dit komt omdat siliconenolie chemisch inert is, wat betekent dat het zichzelf niet kan polymeriseren en niet is geïntegreerd in het netwerk van het siliconenpolymeer11. In plaats daarvan blijft het als een vloeibare fase in de polymeermatrix, waardoor de polymeerstructuur op hogere niveaus verzwakt en mogelijk uit het uitgeharde materiaal oplost en zich aan het oppervlak hecht. Als gevolg hiervan zijn andere negatieve eigenschappen mogelijk, zoals genezingsstoornissen, ongelijkmatige vulkanisatie, chemische krimp en broosheid. Stemplooimodellen met een hoog gehalte aan siliconenolie werden onderzocht met betrekking tot veroudering en reproduceerbaarheid, en er werd vastgesteld dat er een grote variabiliteit is in de eigenschappen van verschillende modellen en een verandering in hun eigenschappen in de loop van de tijd11.
Bij het produceren van stemplooimodellen op de conventionele manier 7,12 kan de kleverigheid van de epitheellaag een probleem zijn, omdat dit de homogeniteit van de trillingen kan beïnvloeden en kan leiden tot breuk van het epitheel. Hoewel de siliconen die worden gebruikt om het epitheel te maken onverdund zijn, kan worden aangenomen dat de olie die uit de naburige slijmvlieslaag lekt, vergelijkbare effecten heeft op de siliconen alsof deze was verdund. Het probleem van kleverigheid werd aangepakt door verschillende poeders zoals talk of koolstofpoeder toe te voegen als tussenlaag tussen het slijmvlies en de epitheellaag12. Deze aanpak kan succesvol zijn geweest omdat de olie gedeeltelijk door het poeder werd geabsorbeerd en als gevolg daarvan de kleverigheid van het epitheeloppervlak kon worden verminderd.
In deze publicatie laten we zien dat het probleem van kleverigheid kan worden omzeild door een kleine wijziging van het proces van stemplooiproductie. Door de volgorde van de gelaagdheid te veranderen en te beginnen met de onverdunde epitheliale siliconen (zogenaamde gesloten siliconen), kunnen niet-kleverige superzachte stemplooimodellen worden geproduceerd. Deze verandering omvat ongebruikelijke soorten mallen en methoden die het beste kunnen worden gepresenteerd en uitgelegd in de vorm van een video. In dit artikel beschrijven we ons productieproces in detail en laten we zien hoe de eigenschappen van de stemplooimodellen in een toepassing kunnen worden gekarakteriseerd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Ontwerp van de stemplooimodellen en 3D-printen van onderdelen
- Creëer een meerlagige weergave van de gemeenschappelijke M5-geometrie van siliconen stemplooien met behulp van verschillende zachte siliconenmaterialen. Ontwerp de afzonderlijke onderdelen met behulp van CAD-software (Computer-Aided Design). Raadpleeg het aanvullende coderingsbestand 1, het aanvullende coderingsbestand 2, het aanvullende coderingsbestand 3, het aanvullende coderingsbestand 4, het aanvullende coderingsbestand 5, het aanvullende coderingsbestand 6, het aanvullende coderingsbestand 7, het aanvullende coderingsbestand 8 voor meer informatie. De bestanden worden benoemd naar hun functie in het model en dienen als basis voor de volgende stappen.
- Compileer en organiseer de benodigde bestanden voor elke stap in stap 2. Raadpleeg de lijst met benodigde onderdelen en hun hoeveelheden in aanvullende figuur 1. Zie een schematische weergave van de matrijsassemblage in aanvullende afbeelding 2.
- Laad de STL-bestanden in een 3D-printprogramma om G-codebestanden te genereren die door de 3D-printer kunnen worden gelezen.
- Bereid de materialen voor (zie Tabel met materialen) voor de 3D-print.
- Gebruik voor aanvullend coderingsbestand 2 en aanvullend coderingsbestand 5 een materiaal dat minder zichtbare laaglijnen veroorzaakt, zoals polymelkzuur (PLA+) of PC.
- Gebruik voor aanvullend coderingsbestand 1 een harder materiaal zoals Tough PLA of polyethyleentereftalaatglycol (PETG) vanwege de gevoeligheid voor buigspanningen. Voor de overige onderdelen gelden geen verdere beperkingen op de keuze van het drukmateriaal.
- Pas de instellingen van de 3D-printsoftware aan voor de bijbehorende geselecteerde 3D-printer.
- Stel voor Supplementary Coding File 2 en Supplementary Coding File 5 een maximale laaghoogte van 0,1 mm in.
- Voor aanvullend coderingsbestand 1 stelt u de infillwaarde in op 100% en het afdrukpatroon op ZigZag om een betere stabiliteit te bereiken. Stel ook de hechtingscategorie van de bouwplaat in op Rok in plaats van Rand, omdat de geometrie van de onderdelen het aanzienlijk moeilijker zou maken om de rand te verwijderen.
- Gebruik voor de overige onderdelen de standaardinstellingen en laaghoogtes van 0,2 mm.
- Print de genoemde onderdelen op de 3D-printer. Reinig de onderdelen en verwijder overtollig materiaal zoals rand of drukfouten. Strijk de binnenste contactvlakken glad met schuurpapier (gelijk aan of fijner dan P1000 aanbevolen).
2. Fabricage van de stemplooimodellen
- Verzamel de volgende onderdelen en materialen voor het maken van de lichaamslaag: stemplooipositie (2x), vocalis_mold-kap, vocalis_mold-hoofddeel, vocalis_mold-romp, primaire siliconen, lossingsmiddel en verdunner (zie Materiaaltabel voor details).
- Breng wat lossingsmiddel aan op de binnenoppervlakken van alle matrijsdelen.
- Monteer het hoofdgedeelte en de dop van de mal over de positieve en plaats het malpakket in de daarvoor bestemde pot. Corrigeer indien nodig de uitlijning van de twee matrijsdelen. Zorg ervoor dat het gat in de plus voor het gieten van de siliconen naar boven wijst en dat de mal stabiel op een vlakke ondergrond staat.
- Maak een mengsel van de primaire siliconen met drie delen verdunner (1:1:3), begin met het combineren van component A met de verdunner en voeg vervolgens component B toe. Meng de componenten grondig. Een totale hoeveelheid van 6 g siliconenmengsel is voldoende om de lichaamslaag uit twee stemplooihelften te gieten.
- Vacuüm het siliconenmengsel in een vacuümkamer met een onderdruk van minimaal -1 bar om te voorkomen dat er luchtbellen ontstaan in de uitgeharde siliconenbehuizing.
- Giet het opgezogen siliconenmengsel voorzichtig in de vormholte totdat het gevuld lijkt. Vul de omliggende gebieden van de vormpot om te voorkomen dat het zeer dunne siliconenmengsel door de vormverbindingen zakt. Controleer het siliconenniveau tijdens de druppeltijd en voeg indien nodig meer toe. De druppeltijd voor dit mengsel is tussen de 1-2 uur.
- Na een uithardingstijd van ongeveer 1 dag, maar minimaal 8 uur, verwijder je de vorm, inclusief de positieve, uit de pot. Verwijder de siliconen tussen de mal en de pot voordat u de mal opent.
- Verwijder bij het openen van de mal eerst voorzichtig het deksel, beginnend vanaf de achterkant van het positief. Verwijder vervolgens het hoofdgedeelte van de mal. Verwijder voorzichtig overtollige siliconen met een scalpel of een zijkniptang.
- Bereid de musosa_mold-back-, musosa_mold-main-part en musosa_mold-hull-delen voor, evenals de secundaire siliconen en het lossingsmiddel voor de productie van de epitheellaag. (Zie tabel met materialen).
OPMERKING: Stappen 2.1 en 2.2 (lichaam en epitheellaag) kunnen tegelijkertijd worden uitgevoerd.- Monteer de twee maldelen en plaats ze in de romp. Bereid de binnenkant van de mal voor met wat lossingsmiddel en zorg ervoor dat de binnenwanden worden gecoat volgens de gebruiksaanwijzing van het betreffende lossingsmiddel. Laat het onderdeel kort aan de lucht drogen voordat u verder gaat.
- Meng een batch van de secundaire siliconen zonder verdunner te gebruiken (1:1:0). Als er tijdens het mengen luchtbellen in het siliconenmengsel zijn gekomen, ontgas het mengsel dan zoals in stap 2.1.4.
NOTITIE: Houd rekening met de korte druppeltijd van dit mengsel, die ongeveer 15 minuten is. - Giet wat van het mengsel in de vorm en draai het rond (laat de vorm in de romp) totdat alle binnenoppervlakken bedekt zijn met siliconen.
- Draai de mal om en laat overtollige siliconen eruit lopen. Zet de mal in deze positie vast boven een gaas, rooster of onder een hoek die verdere siliconendrainage mogelijk maakt.
- Voorkom de vorming van uitsteeksels in de siliconen tijdens het uithardingsproces door deze regelmatig glad te strijken, vooral in het gebied waar het luchtkanaal zich zal bevinden.
LET OP: Deze kunnen later ook voorzichtig met een tang worden verwijderd.
- Bereid u voor op de productie van de tussenlaag van het slijmvlies door de positieve voor te bereiden met de vocalis-siliconenlaag uit stap 2.1, de mal bereid met de epitheellaag uit stap 2.2 en de siliconen en verdunner zoals vermeld in de Materiaaltabel.
- Maak een mengsel van de primaire siliconen met vijf delen verdunner (1:1:5), begin met het combineren van component A met de verdunner en voeg vervolgens component B toe. Een totale hoeveelheid van 4 g siliconenmengsel is voldoende.
- Vacumeer het siliconenmengsel in een vacuümkamer zoals in stap 2.1.4.
- Vul een deel van het siliconenmengsel in de slijmvliesvorm met de voorbereide epitheliale siliconen. Kantel de mal totdat alle binnenoppervlakken van de epitheliale siliconen bedekt zijn met een dun laagje olie om het inbrengen van het positief te vergemakkelijken.
OPMERKING: Optioneel: Door het hoge aandeel verdunningsmiddel heeft het mengsel een lange druppeltijd van enkele uren waarin het mengsel door verdamping kan krimpen. Wacht daarom ongeveer 2-3 uur voordat u doorgaat met de volgende stappen. - Steek het positief met het stemlichaam voorzichtig in de mal. Zet de positief vast in de mal, bijvoorbeeld met een klem, als de positief op de siliconen drijft. Afhankelijk van de hoeveelheid siliconen die eerder is toegevoegd, kan het ontsnappen bij de vulpunten.
- Vul de mal op dezelfde manier als voor het gieten van de vocalis-laag en vul dienovereenkomstig bij als het materiaal zinkt.
- Wacht 24 uur nadat de druppeltijd is verstreken totdat de siliconen volledig zijn uitgehard.
- Haal na 24 uur het lichaam uit de mal. Verwijder eerst de mal uit de schaal. Begin vervolgens met het achterste gedeelte, open de mal en verwijder ook het grootste deel van de mal.
- Verwijder voorzichtig overtollige siliconen, was het oppervlak en laat het lichaam drogen.
- Monteer de twee stemplooihelften op de daarvoor bestemde plaatsen op de meet- en montagemodule in aanvullend coderingsbestand 8. De verbinding is ontworpen voor twee M3-schroeven en M3-vierkante moeren (DIN 562), maar deze zijn niet verplicht.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het gefabriceerde stemplooimodel werd geïntegreerd in de meetopstelling die is afgebeeld in aanvullende figuur 3 op de positie van de stemplooien. De opstelling, uitgebreid beschreven in een eerdere publicatie13, bestaat uit een meertraps regelbare luchtstroombron die de stemplooimodellen tot oscillatie stimuleert, samen met een reeks meetinstrumenten die gegevens registreren zoals geluidsdruk, statische druk op specifieke posities en volumesnelheid. Voor de metingen nam de luchtstroom geleidelijk toe totdat het stemplooimodel begon te oscilleren. Vervolgens werd de luchtdruk met 200 Pa boven de aanvangsdruk verhoogd om een stabiele en robuuste oscillatie te bereiken. Een extra hogesnelheidscamera werd toegevoegd en boven het stemkanaalmodel geplaatst, die de oscillatiebewegingen van de stemplooi vastlegde met een maximale framesnelheid van 2304 frames per seconde.
Een lamp die in de long is geïntegreerd, zendt licht uit door het subglottale kanaal, waardoor de glottis wit lijkt. Figuur 2 toont twee reeksen oscillatiebeelden, elk bestaande uit zes frames, die een typische close-open-close-cyclus illustreren. De bovenste rij (Figuur 2A) toont de oscillatie van stemplooien die volgens de gepresenteerde methode zijn vervaardigd, terwijl de onderste rij (Figuur 2B) een extreem voorbeeld laat zien van een conventioneel stemplooimodel, gemaakt tijdens het voorbereidende werk13, dat niet in staat is om stabiele oscillatie te genereren vanwege het kleverige oppervlak. Voor de laatste zorgt de kleverigheid van het oppervlak ervoor dat de glottis eerst aan de voorste en achterste uiteinden opengaat en dat het centrale deel later opengaat. Het oppervlak van het model is op een bepaald punt al licht beschadigd door hechting.
Afbeelding 2: Opeenvolging van afzonderlijke frames vastgelegd door de hogesnelheidscamera. Opeenvolging van individuele frames vastgelegd door de hogesnelheidscamera, met een close-open-close-cyclus van stemplooitrillingen. (A) Stemplooien vervaardigd volgens de voorgestelde methode. (B) Trilling van een conventioneel stemplooimodel met kleverig oppervlak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3 en Figuur 4 tonen de tijdfuncties van respectievelijk het glottale gebied van het voorgestelde model en het conventionele (sticky) model. De oppervlaktegolfvorm (linkerdeel in elk van de figuren) werd berekend met behulp van de GlottalImageExplorer-software14 uit de beschikbare beeldsequenties. De rechterdelen van de figuren tonen de magnitudespectra van de tijdfuncties om hun mate van periodiciteit aan te geven. De fundamentele frequentie werd geëxtraheerd uit de tijdfuncties met behulp van de Praat-software15. Uit figuur 3 blijkt dat het voorgestelde stemplooimodel een stabiele oscillatie laat zien over de geselecteerde duur, waardoor de fundamentele frequentie nauwkeurig kan worden berekend. Figuur 4 toont daarentegen een atypische en chaotische glottale gebiedsfunctie met inconsistente minima en maxima, samen met verschillende artefacten. De extractie van de fundamentele frequentie wordt in dit scenario een uitdaging of zelfs onhaalbaar.
Figuur 3: Oppervlaktegolfvorm voor een stemplooimodel vervaardigd met behulp van de gepresenteerde methode. Weergave van de oppervlaktegolfvorm verkregen uit de beeldgegevens van de hogesnelheidscamera met behulp van (A) de GlottalImageExplorer, evenals (B) het afgeleide magnitudespectrum voor een stemplooimodel dat is vervaardigd met behulp van de gepresenteerde methode. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Oppervlaktegolfvorm voor een stemplooimodel met kleverig oppervlak. Weergave van de oppervlaktegolfvorm verkregen uit de beeldgegevens van de hogesnelheidscamera met behulp van (A) GlottalImageExplorer, evenals (B) het magnitudespectrum met behulp van een conventioneel stemplooimodel met kleverig oppervlak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullende figuur 1: Lijst van essentiële onderdelen voor het vervaardigen van een stemplooihelft. Lijst met essentiële componenten voor het vervaardigen van een stemplooihelft. 1 - Draagstructuren voor één stemplooihelft, 2a-c - Vormcomponenten voor het maken van de lichaamslaag, 3a-c - Vormcomponenten voor het maken van de afdeklaag, 4 - Ondersteuningsstructuren voor bevestiging. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende afbeelding 2: Schematische weergave van de matrijsassemblage. Schematische weergave van de matrijsmontage. Links - Vorm voor het maken van de lichaamslaag, Rechts - Vorm voor het maken van de afdeklaag. Labels komen overeen met de onderdelenlijst in aanvullende afbeelding 1. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende afbeelding 3: Volledige installatie van het meetsysteem. Volledige installatie van het meetsysteem. Dit cijfer is gewijzigd van13. Overgenomen uit Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Effect van golvende luchtpijpwanden op de oscillatiedruk van siliconen stemplooien. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) met toestemming van de Acoustical Society of America. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 1: Ondersteunende structuren voor één stemplooihelft. Dit is het bestand om stemplooi-positiv te produceren. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 2: Vormcomponent 1 voor het maken van de lichaamslaag. Dit is het bestand dat vocalis_mold-main-part moet produceren. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 3: Vormcomponent 2 voor het maken van de lichaamslaag. Dit is het bestand om vocalis_mold-cap te produceren. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 4: Vorm de romp voor het maken van de carrosserielaag om lekkage van siliconen te voorkomen. Dit is het bestand om vocalis_mold-romp te produceren. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 5: Vormcomponent 1 voor het maken van de afdeklaag. Dit is het bestand dat mucosa_mold hoofdonderdeel moet worden geproduceerd. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 6: Vormcomponent 2 voor het maken van de afdeklaag. Dit is het bestand dat mucosa_mold-back moet worden geproduceerd. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 7: Vorm de romp voor het maken van de afdeklaag om lekkage van siliconen te voorkomen. Dit is het bestand om mucosa_mold-romp te produceren. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 8: Ondersteunende structuren voor het bevestigen van de stemplooihelften. Dit is het bestand om de meet-druk-tap-adapter te produceren. Draagconstructies voor het bevestigen van de stemplooihelften inclusief drukmeetkraan. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het hier gepresenteerde productieproces omvat cruciale stappen die een aanzienlijke invloed hebben op het succes ervan. Ten eerste moet worden opgemerkt dat het gepresenteerde fabricageproces het probleem van olieverzadiging in het lichaamsmateriaal van de stemplooi niet oplost, maar eerder bepaalde negatieve bijwerkingen omzeilt. De ontgassing en de daarmee gepaard gaande krimp en oppervlaktegolven blijven bestaan, zij het in mindere mate. Een oplossing voor deze problemen zou het gebruik van een ultrazachte siliconen of alternatief materiaal zijn dat de elasticiteitsmodulus van echte stemplooien combineert met een stabiele en duurzame polymeerstructuur. Het ontbreken van dergelijk materiaal onderstreept echter de voortdurende beperkingen bij het bereiken van een alomvattende oplossing voor deze kwesties.
Het fabricageproces is iets complexer dan conventionele productiemethoden voor stemplooimodellen die uit twee helften bestaan, omdat er meer componenten bij betrokken zijn, en de gebruikelijke inside-out assemblagebenadering is hier niet van toepassing. Inherente voordelen zijn onder meer de geïntegreerde overloopbeveiliging, die het werken met sterk verdunde siliconen vergemakkelijkt, en de mogelijkheid om het vulniveau en de mogelijke luchtbelvorming tijdens het uithardingsproces beter te observeren en erop te reageren. Dit is handig bij het minimaliseren van door de productie veroorzaakte variaties in de eigenschappen van modellen in een kleine serie die met dezelfde siliconenmengsels zijn geproduceerd. Bovendien verlaagt het het uitvalpercentage.
In vergelijking met conventionele stemplooimodellering biedt de gepresenteerde techniek duidelijke voordelen. Met video-opnames van het glottale gebied tijdens oscillatie werd aangetoond dat de kleverigheid van het stemplooioppervlak kon worden verminderd. Als gevolg hiervan konden stabiele, door stroming geïnduceerde oscillaties worden gegenereerd en konden schone, artefactvrije golfvormgegevens uit de beelden worden verkregen zonder dat hulpmiddelen zoals talkpoeder of wasbeurten vóór de meting nodig waren. Hoewel het gepresenteerde conventionele model (als referentie) een extreem voorbeeld is, is kleverigheid niettemin een probleem voor metingen en een risico voor de fragiele dunne epitheellaag. De gepresenteerde technische oplossing kan dit probleem omzeilen en draagt bij aan betrouwbaardere en reproduceerbare resultaten.
Vooruitkijkend is het aangepaste productieproces veelbelovend voor diverse toepassingen. De geschiktheid van de techniek voor het produceren van humanoïde robots of spraakapparaten met mensachtige stembanden16 opent wegen voor vooruitgang in kunstmatige intelligentie en robotica. Bovendien betekent de toepassing ervan in fundamenteel onderzoek naar spraakgeneratie en spraakproductie 6,17 een potentiële bijdrage aan de bredere wetenschappelijke gemeenschap.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat ze geen bekende concurrerende financiële belangen of persoonlijke relaties hebben die het werk in dit artikel zouden kunnen hebben beïnvloed.
Acknowledgments
Dit project werd ondersteund door de Duitse Stichting voor Onderzoek (DFG), subsidienr. BI 1639/9-1.
Materials
| 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 |
References
- 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).
- 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).
- Murray, P. R., Thomson, S. L. Synthetic, multi-layer, self-oscillating vocal fold model fabrication. J Vis Exp. (58), e3498 (2011).
- 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).
- 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).
- Zhang, Z. Mechanics of human voice production and control. J Acoust Soc Am. 140 (4), 2614-2635 (2016).
- Birkholz, P., Wang, L. Studientexte zur Sprachkommunikation: Elektronische Sprachsignalverarbeitung. , TUD Press. Dresden, Germany. 58-66 (2017).
- Murray, P. R. Flow-induced responses of normal, bowed, and augmented synthetic vocal fold models. , Brigham Young University. (2011).
- Alipour, F., Vigmostad, S. Measurement of vocal folds elastic properties for continuum modeling. J Voice. 26 (6), e21-29 (2012).
- Chhetri, D. K., Zhang, Z., Neubauer, J. Measurement of young's modulus of vocal folds by indentation. J Voice. 25 (1), 1-7 (2011).
- Häsner, P., Birkholz, P. Reproducibility and aging of different silicone vocal folds models. J Voice. , (2023).
- Gabriel, F., Häsner, P., Dohmen, E., Borin, D., Birkholz, P. Studientexte zur Sprachkommunikation: Elektronische Sprachsignalverarbeitung. , TUD Press. Dresden, Germnay. 221-230 (2019).
- 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).
- Birkholz, P. Studientexte zur Sprachkommunikation: Elektronische Sprachsignalverarbeitung. , TUD Press. Dresden, Germany. (2016).
- Boersma, P., Weenink, D. Praat, a system for doing phonetics by computer. Glot. Int. 5, 341-345 (2001).
- 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).
- 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).
