JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Biology

Hemi-larynx Setup for at studere Vocal Fold vibrationer i tre dimensioner

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

Dette papir introducerer en protokol i præparation af hemi-strubehovedet prøver at lette en multi-dimensionelle opfattelse af vocal fold vibrationer, for at undersøge forskellige biofysiske aspekter af stemme produktion i mennesker og ikke-menneskelige pattedyr.

Abstract

Stemme af mennesker og de fleste ikke-menneskelige pattedyr er genereret i strubehovedet gennem selvbærende svingning af vokal folder. Direkte visuel dokumentation af vocal fold vibrationer udfordrende, især i ikke-menneskelige pattedyr. Som et alternativ giver skåret strubehovedet eksperimenter mulighed for at undersøge vocal fold vibrationer under kontrollerede fysiologiske og fysiske forhold. Brug af en fuld strubehovedet giver imidlertid blot en ovenfra af vokal folder, undtagen afgørende dele af oscillerende strukturer fra observation under deres interaktion med aerodynamiske kræfter. Denne begrænsning kan overvindes ved at udnytte en hemi-strubehovedet setup, hvor halvdelen af strubehovedet er mid-sagittally fjernet, giver både en overlegen og lateral udsigt over de resterende vocal fold under selvbærende svingning.

Her gives en trinvis vejledning til den anatomiske forberedelse af hemi-larynx strukturer og deres montering på laboratoriebænk. Eksemplarisk phonation hemi-strubehovedet forberedelse er dokumenteret med high-speed video data fanget af to synkroniserede kameraer (overlegne og laterale visninger), viser tredimensionale vocal fold bevægelse og tilsvarende tidsvarierende kontaktområde. Dokumentation af hemi-strubehovedet opsætning i denne publikation vil lette anvendelse og pålidelige repeterbarhed ved eksperimentel forskning, giver stemme forskere med potentiale for bedre at forstå biomekanik af stemme produktion.

Introduction

Stemme er typisk lavet af vibrerende larynx væv (hovedsagelig vokal folder), som konverterer en konstant luftstrøm, leveret af lungerne, i en sekvens af luftstrømmen impulser. Akustisk tryk bølgeform (dvs, den primære lyd) vej ud af denne sekvens af flow pulser akustisk ophidser den ansatsrøret, som filtrerer dem, og den resulterende lyd er udstrålede fra munden og (til en vis grad) fra næse1 . Den spektrale sammensætning af den genererede lyd er i høj grad påvirket af kvaliteten af vocal fold vibrationer, styret af larynx biomekanik og interaktioner med luftrør luftstrømmen2. Både i en klinisk og forskningsmæssig sammenhæng er dokumentation og vurdering af vocal fold vibration således først og fremmest interesse når man studerer stemme produktion.

Hos mennesker er direkte endoskopisk undersøgelse af strubehovedet under lyd produktion i vivo er udfordrende, og det er næsten umuligt i rettighedsbegrebet pattedyr, nuværende teknologiske midler. Derfor, og for at garantien omhyggeligt kontrolleret fysisk og/eller fysiologiske eksperimentelle randbetingelser, brugen af skåret larynges3,4 er i mange tilfælde en passende erstatning for undersøgelsen af in vivo stemme produktion mekanismer.

Vocal fold vibrationer er en kompliceret tredimensionel fænomen5. Mens konventionelle undersøgelsesmetoder som giver larynx endoskopi (i vivo) eller skåret strubehovedet præparater typisk kun en overlegen visning af den vibrerende vokal folder6, de tillader ikke komplet tre-dimensionelle analyse af Vocal fold bevægelse. Især i visningen superior lavere (caudale) margenerne af vokal folder er usynlig under en stor del af den vibrerende cyklus. Dette skyldes faseforsinkelsen mellem ringere (caudale) og den overlegne (kranie) kant af vokal folder, et fænomen, som typisk ses under vocal fold svingning5. Som direkte empiriske beviser for sikkerhedskopiering af resultaterne fra fysiske og matematiske modeller er knappe, viden om geometri og bevægelse af de lavere vocal fold kanten7, og således geometri af subglottal kanal8,9 , 10 er afgørende for bedre forståelse samspil mellem larynx luftstrøm, vocal fold væv og den resulterende kræfter og pres11,12. Et andet aspekt af vocal fold vibrationer, der er skjult fra de sædvanlige overlegen opfattelse er den lodret (caudo-kraniel) dybde af kontakten mellem de to vokal folder. Den lodrette kontakt dybde er relateret til den lodrette tykkelsen af vokal folder, som er en potentiel indikator for det vokale register bruges i sang (“bryst” vs “falset” register)13,14.

For at overvinde manglerne i konventionelle (fuld) skåret strubehovedet præparater, der kan udnyttes en såkaldt hemi-strubehovedet setup, hvor halvdelen af strubehovedet er fjernet, således at lette vurderingen af de vibrerende Karakteristik af de resterende Vocal fold i tre dimensioner. Overraskende, siden indførelsen af denne opsætning i 1960s15 og en indledende validering af begrebet i 199316, har ikke mange laboratorier udført eksperimenter med denne lovende eksperimenterende tilgang17,18 ,19,20,21,22,23. En forklaring på dette kan findes i vanskelighederne med at skabe en levedygtig hemi-strubehovedet forberedelse. Mens konventionelle skåret (fuld) strubehovedet forberedelse er veldokumenteret4, er ingen sådanne grundige instruktioner endnu rådighed for at skabe en hemi-strubehovedet setup. Det er derfor formålet med dette papir til at give en tutorial for at etablere et pålideligt reproducerbare hemi-strubehovedet setup, suppleret med eksperimentelle resultater fra red deer prøver.

En hemi-strubehovedet setup deler mange træk med en “konventionelle” skåret strubehovedet opsætning, såsom måleudstyr, højhastighedstog eller andre billedteknologi tilstrækkeligt dokumentere vibrationer af larynx strukturerne under lyd generation eller ordentlig levering af opvarmet, befugtet luft. Disse generelle betragtninger er beskrevet i detaljer i både en bog kapitel4 og en teknisk rapport fra det nationale Center for stemme og tale24. Gentagelse af disse instruktioner ville være uden for rammerne af dette manuskript. Her, er kun de specialiserede direktiver til at generere en hemi-strubehovedet setup præsenteret.

Protocol

De animalske prøver analyseret i dette papir blev behandlet i overensstemmelse med de etiske krav af Palacky-universitetet i Olomouc, Tjekkiet. De stammer fra red deer lever vildt i skovene, som blev jaget af tjekkiske hær Forest Service i løbet af en regelmæssig jagtsæson. 1. forberedelse af Hemi-strubehovedet modellen Bemærk: Kun ordentligt forberedt prøver bør anvendes, som anført i4 . Hurtig nedfrysning af strubehovedet<sup class="…

Representative Results

Illustrationer af hemi-strubehovedet forberedelse og dens montering på luft forsyning rør, som der henvises til i det foregående afsnit, er fastsat i figur 1 og figur 2, henholdsvis. Dokumentation af vocal fold vibrationer fra to kameravinkler Luftmængde-induceret selvbærende svingning af…

Discussion

Hemi-strubehovedet forberedelse deler fordele ved “konventionelle” (fuld) skåret strubehovedet setup: sådan en eksperimenterende tilgang, fysiske og fysiologiske randbetingelser og parametre (f.eks. subglottal pres eller vocal fold brudforlængelse) kan være kontrolleret ganske godt. Hemilarynx adfærd er homologe til af en fuld strubehovedet med en perfekt lateral symmetri, med undtagelsen, at omfanget af nogle parametre (fx., strømningshastighed, lydtryk) er reduceret med ca. 50%, men stadig er inden for r…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af en APART grant af det østrigske akademi for Videnskaber (CTH), teknologi agenturet af Den Tjekkiske Republik projekt nr. TA04010877 (CTH, VH og JGS), og tjekkiske Science Foundation (GACR) projekt ingen GA16-01246S (til JGS). Vi takker W. Tecumseh Fitch for hans forslag til at bruge protesen Fikseringsvæske fløde og Ing. P. Liska fra tjekkiske hær Forest Service for hans hjælp i at erhverve skåret deer 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
check_url/55303?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This 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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image