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생물학

Hemi-laríngeo Setup para o estudo da vibração da prega Vocal em três dimensões

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

Este trabalho apresenta um protocolo para a preparação de espécimes de hemi-laringe facilitando uma visão multidimensional da vibração da prega vocal, a fim de investigar vários aspectos biofísicos da produção de voz em seres humanos e mamíferos não-humanos.

Abstract

A voz dos seres humanos e maioria dos mamíferos não-humanos é gerada na laringe através da oscilação auto-sustentável das pregas vocais. Documentação visual direta da vibração da prega vocal é um desafio, especialmente em mamíferos não-humanos. Como alternativa, laringe extirpado experimentos fornecem a oportunidade de investigar a vibração da prega vocal em condições físicas e fisiológicas controladas. No entanto, o uso de uma laringe completa apenas fornece uma vista superior das pregas vocais, excluindo partes cruciais das estruturas oscilantes de observação durante sua interação com forças aerodinâmicas. Esta limitação pode ser superada através da utilização de uma instalação de hemi-laringe onde metade da laringe é meados-essas removido, fornecendo um superior e uma vista lateral da prega vocal restante durante oscilação auto-sustentado.

Aqui, um guia passo a passo para a preparação anatômica das estruturas do hemi-laríngeo e sua montagem na bancada do laboratório é dado. Fonação exemplar da preparação hemi-laringe é documentada com dados de vídeo de alta velocidade, capturados por duas câmeras sincronizadas (vistas superiores e laterais), apresentando movimento de prega vocal tridimensional e variáveis no tempo correspondente a área de contacto. A documentação da instalação do hemi-laringe nesta publicação irá facilitar a aplicação e repetibilidade confiável em pesquisa experimental, fornecendo os cientistas de voz com o potencial para entender melhor a biomecânica da produção da voz.

Introduction

Voz é geralmente criado por vibração tecido laríngeo (principalmente as pregas vocais), que converte um fluxo de ar constante, fornecido pelos pulmões, uma sequência de pulsos de fluxo de ar. A forma de onda de pressão acústica (ou seja, o som principal) emergindo esta sequência de pulsos de fluxo acusticamente excita o trato vocal que filtra-los, e o som resultante é radiado da boca e (até certo ponto) o nariz1 . A composição espectral do som gerado é em grande parte influenciada pela qualidade da vibração da prega vocal, regulada por interações com o fluxo de ar traqueal2e biomecânica da laringe. Tanto em uma clínica e um contexto de pesquisa, documentação e avaliação da vibração da prega vocal é assim de maior interesse ao estudar a produção da voz.

Em humanos, direta investigação endoscópica da laringe durante a produção do som na vivo é um desafio, e é praticamente impossível nos mamíferos não-humanos, tendo em conta os meios tecnológicos atuais. Portanto e em ordem de garantia cuidadosamente controlada física e/ou fisiológicas limite condições experimentais, a utilização de extirpado larynges3,4 é em muitos casos uma substituição adequada para a investigação de in vivo mecanismos de produção de voz.

Vibração da prega vocal é um fenómeno tridimensional complexo5. Enquanto métodos de investigação convencionais como endoscopia laríngea (na vivo) ou laringe extirpado preparações geralmente fornecem somente uma vista superior da vibração de pregas vocais6, eles não permitem a completa análise tridimensional de movimento da prega vocal. Em particular, na vista superior as margens inferiores (caudais) das pregas vocais são invisíveis durante uma parte importante do ciclo vibratório. Isto é devido ao atraso de fase entre a inferior (caudal) e a borda superior (cranial) das pregas vocais, um fenômeno que é normalmente visto durante a oscilação de prega vocal5. Como evidência empírica direta para fazer backup de resultados de modelos matemáticos e físicos é escassa, conhecimento da geometria e do movimento o vocal inferior dobre borda7e, portanto, a geometria do canal subglottal8,9 , 10 é crucial para a melhor compreensão da interação entre o fluxo de ar na laringe, tecido de prega vocal e a resultante das forças e pressões11,12. Outro aspecto da vibração da prega vocal que é escondido do habitual vista superior é a profundidade vertical (anteriores-craniana) do contato entre as duas pregas vocais. A profundidade vertical de contato está relacionada com a espessura vertical das pregas vocais, que é um potencial indicador de registo vocal usado em canto (“peito” vs “falsetto” registo)13,14.

A fim de superar as deficiências das preparações convencionais laringe extirpado (completo), pode ser utilizada uma configuração chamada hemi-laringe, onde metade da laringe é removido, facilitando assim a avaliação das características vibratórias dos restantes prega vocal em três dimensões. Surpreendentemente, desde a introdução desta configuração na década de 1960 a15 e uma validação inicial do conceito em 199316, não há muitos laboratórios realizaram experimentos com esta promissora abordagem experimental17,18 ,19,20,21,22,23. Uma explicação para isso pode ser encontrada nas dificuldades da criação de uma preparação de hemi-laringe viável. Enquanto a preparação convencional extirpado (completo) laringe é bem documentada4, sem tais instruções detalhadas ainda estão disponíveis para a criação de uma configuração de hemi-laringe. É, portanto, o objetivo deste trabalho para fornecer um tutorial para estabelecer uma configuração confiável reprodutíveis hemi-laringe, complementada por resultados experimentais de espécimes de veado-vermelho.

Uma configuração de hemi-laringe compartilha muitas características com uma configuração de laringe extirpado “convencional”, tais como equipamentos de medição, de alta velocidade ou outra tecnologia de imagem para documentar adequadamente as vibrações das estruturas da laringe durante a geração de som, ou adequada fornecimento de ar aquecido e umidificado. Estas considerações de configuração geral são descritas em detalhe em um capítulo do livro4 e um relatório técnico do centro nacional de voz e fala24. Reiteração destas instruções estaria além do escopo deste manuscrito. Aqui, apenas as directivas especializadas para gerar uma configuração de hemi-laringe são apresentadas.

Protocol

Os espécimes animais analisados neste trabalho foram tratados em conformidade com as exigências do padrão éticas da Universidade Palacky em Olomouc, República Checa. Eles derivam de red deer descontroladamente vivendo em florestas, que foram caçadas pelo exército checo floresta serviço durante uma temporada de caça regular. 1. preparação da amostra Hemi-laringe Nota: Só os espécimens correctamente preparados devem ser usados, como indicado na<sup class="x…

Representative Results

Ilustrações da preparação hemi-laringe e sua montagem do tubo de fornecimento de ar, como referenciado na seção anterior, são apresentadas na Figura 1 e Figura 2, respectivamente. Documentação da vibração da prega vocal de dois ângulos de câmera Induzida pelo fluxo de ar auto-sust…

Discussion

A preparação de hemi-laringe compartilha as vantagens da instalação do “convencional” laringe extirpado (completo): em tal abordagem experimental, físicas e fisiológicas condições de contorno e parâmetros (como pressão subglottal ou alongamento de prega vocal) podem ser controlado razoavelmente bem. O comportamento do hemilarynx é homólogo para que de uma laringe completa com um perfeito lateral simetria, com a exceção que magnitudes de alguns parâmetros (ex., taxa de fluxo de ar, pressão sonora)…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi apoiado por uma concessão de APART da Academia Austríaca de Ciências (CTH), a agência de tecnologia da República Checa projeto n. TA04010877 (CTH, VH e JGS), e a Fundação de ciência Checa (GACR) projeto não GA16-01246S (para JGS). Agradecemos a W. Tecumseh Fitch para sua sugestão de usar creme fixador de dentadura e Ing. P. Liska do serviço de floresta de exército Checa por sua ajuda na aquisição de larynges o veado extirpado.

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
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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).

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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).
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