《Journal of Biomechanics》：Effects of infraglottal implantation on voice production in type I thyroplasty: a computational study
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下位植入物通過增加垂直剛度梯度促進(jìn)聲帶振動，提升聲壓級和聲帶效率，但需結(jié)合更多樣本驗證。
江偉麗|查爾斯·法博斯·德·盧贊|里蘭·奧倫|埃弗雷姆·古特馬克|鄭旭東|薛倩
美國紐約州羅切斯特市羅切斯特理工學(xué)院機(jī)械工程系，郵編14623
摘要
I型甲狀腺成形術(shù)（TT1）是治療單側(cè)聲帶麻痹的主要聲外科手術(shù)方法之一。本研究通過數(shù)值模擬探討了在TT1手術(shù)中植入聲門下植入物對聲音產(chǎn)生的影響。喉部和植入物的幾何形狀是根據(jù)犬類喉部的計算機(jī)斷層掃描結(jié)果，并使用手工雕刻的硅膠植入物重建的。通過將連續(xù)介質(zhì)有限元聲帶模型和植入物模型與基于伯努利方程的一維聲門流動模型相結(jié)合的流固耦合模擬，評估了在不同植入物硬度、插入深度和垂直位置下的聲帶振動情況。分析了植入物參數(shù)對發(fā)聲前聲帶形狀和硬度、聲門流動及聲帶動力學(xué)以及聲音結(jié)果的影響。結(jié)果表明，當(dāng)插入深度超過某一閾值時，聲門下植入物可以提升聲壓級（SPL）和聲效（VE）。SPL和VE的提高歸因于植入物引起的聲帶垂直硬度梯度的增加，這導(dǎo)致聲帶開合時的力不對稱性增大，從而促進(jìn)了聲門氣流向聲帶的更有效能量傳遞。更大的聲帶振動使得SPL升高，也可能有助于提高VE。當(dāng)前的模擬基于對單個犬類喉部的研究，未來納入更多受試者的研究將有助于推廣這些發(fā)現(xiàn)。
引言
在人類發(fā)聲過程中，聲帶的振動將穩(wěn)定的氣流轉(zhuǎn)化為脈動氣流，這是主要的聲學(xué)來源。單側(cè)聲帶麻痹（UVFP）是由于一個聲帶的神經(jīng)輸入中斷引起的，導(dǎo)致聲門閉合不全和振動不對稱，從而產(chǎn)生氣息聲、聲音微弱以及聲音疲勞（Liu等人，2014年；Rubin和Sataloff，2007年；Schwarz等人，2006年）。I型甲狀腺成形術(shù)（TT1）（Isshiki等人，1974年）是治療UVFP的主要外科方法，該方法涉及插入一個內(nèi)側(cè)化植入物以改善聲門閉合并恢復(fù)振動功能。最佳植入物配置因個體喉部解剖結(jié)構(gòu)而異，通常在手術(shù)過程中通過聲音評估和試錯方法確定。
最近的一些臨床報告表明，將植入物放置在聲門下位置（而非標(biāo)準(zhǔn)的中膜位置）可能會獲得更好的聲音效果（Desuter等人，2020年；Laccourreye等人，2021年）。支持這一觀察結(jié)果的是，后續(xù)使用離體人類和犬類喉部的實驗研究（Cohen等人，2024年；Oren等人，2024年；Zhang和Chhetri，2019年）也顯示了聲門下植入物的聲音改善效果。提出了幾種可能的機(jī)制。Zhang和Chhetri（2019年）在離體人類喉部實驗中發(fā)現(xiàn)，與相同內(nèi)側(cè)化程度相比，聲門下植入物可以改善聲門閉合并增強(qiáng)聲學(xué)指標(biāo)（例如高階諧波和倒譜峰值突出度（CPP））。他們將這種改善歸因于有效聲帶厚度的增加。然而，在另一項研究中（Cameron等人，2020年），他們發(fā)現(xiàn)雖然較硬的植入物也增加了內(nèi)側(cè)表面厚度，但并未帶來明顯的聲學(xué)益處，這表明僅憑垂直厚度可能無法完全解釋聲音的改善。Farbos De Luzan等人（2025年）在切除的犬類喉部比較了不同植入物位置，發(fā)現(xiàn)盡管聲門下植入物在發(fā)聲前的垂直厚度較小，但在振動過程中產(chǎn)生的動態(tài)厚度更大。這促進(jìn)了更有效的黏膜波傳播和更大的聲門閉合角度，這些都與聲效（VE）的提高有關(guān)（Farbos de Luzan等人，2021a；Kirsh等人，2017年；Michaud-Dorko等人，2024b）。這些研究共同表明，聲門下植入物帶來的聲音改善可能源于流固耦合（FSI）控制的振動動力學(xué)變化，而不僅僅是發(fā)聲前的幾何結(jié)構(gòu)變化。
另一個可能影響聲門下植入物改善聲音效果的因素是聲帶的垂直硬度梯度（VSG）。VSG的特點(diǎn)是從下到上逐漸減小，這在人類（Chhetri等人，2011年；Michaud-Dorko等人，2024a）和犬類（Cohen等人，2024年；Michaud-Dorko等人，2024a；Oren等人，2014a）的聲帶中都有觀察到。Cohen等人（2024年）在七個切除的犬類喉部三種條件下測量了VSG，包括無植入物、聲門水平植入物和聲門下植入物，發(fā)現(xiàn)聲門下植入物增加了VSG，而聲門水平植入物僅增加了整體聲帶硬度但未增強(qiáng)梯度。Geng等人（2016年）使用三維（3D）有限元模型發(fā)現(xiàn)，更大的VSG在振動過程中增加了垂直相位差和聲門閉合角度，從而導(dǎo)致更高的峰值流速、更大的閉合商數(shù)、更高的聲壓級（SPL）和更低的發(fā)聲閾值壓力。與這些發(fā)現(xiàn)一致，Cohen等人（2024年）在切除的犬類喉部觀察到使用聲門下植入物時VE更高。同一組的研究（FARBos de Luzan等人，2021a；Oren等人，2024年）進(jìn)一步使用切除的犬類喉部實驗表明，更大的VSG促進(jìn)了更大的聲門閉合角度。Oren等人（2024年）假設(shè)更大的閉合角度促進(jìn)了流動分離渦旋（FSV），這減少了聲門內(nèi)的負(fù)壓并有助于聲帶閉合（FARBos de Luzan等人，2021b；Jiang等人，2023年；Khosla等人，2009年；Khosla等人，2008年；Khosla等人，2007年；Mihaescu等人，2010年）。在他們的實驗中，與聲門水平植入物相比，聲門下植入物顯著增強(qiáng)了聲門閉合角度，產(chǎn)生了更強(qiáng)的FSV，并提高了VE，盡管未觀察到CPP的統(tǒng)計學(xué)顯著變化。
總之，多項研究報告了聲門下植入物的益處，主要?dú)w因于垂直厚度的增加和VSG的增強(qiáng)。然而，不同研究之間的結(jié)果存在差異。基于這些發(fā)現(xiàn)，本研究探討了植入物的垂直位置、插入深度和材料屬性如何共同影響聲帶生物力學(xué)和聲音效果。本研究使用了特定于受試者的犬類喉部模型，并通過在不同前后和上下位置進(jìn)行微壓痕測量來確定材料屬性，從而準(zhǔn)確表征VSG。進(jìn)行了包含虛擬植入物插入的FSI模擬（Movahhedi等人，2021年），將聲帶和植入物的有限元模型與基于伯努利方程的一維（1D）聲門流動模型相結(jié)合。該框架能夠系統(tǒng)量化不同硬度和插入深度條件下植入物位置的影響。分析了發(fā)聲前內(nèi)側(cè)表面形狀、VSG和聲音結(jié)果之間的因果關(guān)系。
方法
使用商業(yè)軟件Mimics 16.0（Materialise公司，比利時魯汶）根據(jù)計算機(jī)斷層掃描（CT）數(shù)據(jù)重建了一個切除的犬類喉部和TT1植入物（圖1a）。圖1b和圖1c分別顯示了重建的喉部和植入物模型以及與聲帶動力學(xué)相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)定義。聲帶的覆蓋層和主體層均使用了纖維增強(qiáng)材料配方進(jìn)行建模（Geng等人，2020年；Pham等人，2018年），并應(yīng)用了VSG
結(jié)果與討論
在所有模擬案例中，有三個案例在FSI模擬過程中未能收斂：硬度為S3、Loc = 0.5且D = 1.5 mm以及Loc = 0.5且D = 1.0 mm的情況，分別對應(yīng)于在最深和最上方位置插入的最硬植入物，在這些位置聲帶的上前方發(fā)生了過度變形。其余所有案例均成功完成模擬，模擬運(yùn)行時間至少為0.3秒。后續(xù)分析基于這些收斂的案例進(jìn)行。
結(jié)論
我們進(jìn)行了一項數(shù)值參數(shù)研究，探討了在重建的犬類喉部模型中，考慮插入深度和植入物硬度變化的情況下，聲門下植入物的效果。結(jié)果表明，當(dāng)插入深度超過某一閾值時，聲門下植入物可以提升聲壓級（SPL）和聲效（VE）。
進(jìn)一步分析表明，聲門下
作者貢獻(xiàn)聲明
江偉麗：方法論、研究設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、概念化。查爾斯·法博斯·德·盧贊：寫作——審稿與編輯、方法論、資金獲取、數(shù)據(jù)分析、概念化。里蘭·奧倫：寫作——審稿與編輯、項目管理、方法論、資金獲取、數(shù)據(jù)分析、概念化。埃弗雷姆·古特馬克：寫作——審稿與編輯、方法論、資金獲取、數(shù)據(jù)分析、概念化。
資助
本工作得到了美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）下屬的國家耳聾及其他溝通障礙研究所（NIDCD）的R01DC009435號資助。本工作使用了圣地亞哥超級計算中心（SDSC）的Expanse資源，該資源通過先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)：服務(wù)與支持（ACCESS）計劃（ACCESS）的CTS180004號分配獲得，該計劃得到了美國國家科學(xué)基金會（NSF）的資助，資助編號包括#2138259、#2138286、#2138307、#2137603和#2138296（Boerner等人，2023年）。
利益沖突聲明
作者聲明以下可能被視為潛在利益沖突的財務(wù)利益/個人關(guān)系：Liran Oren報告稱獲得了國家耳聾及其他溝通障礙研究所的財務(wù)支持。薛倩報告稱設(shè)備、藥物或用品由ACCESS提供。如果還有其他作者，他們聲明沒有已知的財務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本研究。
