Artikel
Herstellung eines künstlichen Stimmlippen-Gewebephantoms auf Basis von Hydrogelen
Suche in Medline nach
Autoren
Veröffentlicht: | 13. September 2019 |
---|
Gliederung
Zusammenfassung
Hintergrund: Im Verbundprojekt „OPhonLas: OCT-geregelte Laserablation bei Stimmlippen-Phonation“ soll ein neues Laryngoskop entwickelt werden, um am wachen Patienten Läsionen zu operieren. Normalerweise werden für die Auslegung der Messsysteme tierische Stimmlippen verwendet. Um jedoch reproduzierbarere Messbedingungen zu erhalten und die Validierung zu erleichtern, sollen synthetische Stimmlippen auf Basis von Hydrogelen hergestellt werden.
Material und Methoden: Nach der Erstellung einer Anforderungsliste wurde sich für 6 verschiedene Hydrogele entschieden, welche untersucht werden sollten. Die Herstellung der Hydrogele erfolgte mit verschiedenen Konzentrationen. Der Elastizitätsmodul (E-Modul) wurde mit Hilfe von Zugversuchen qualitativ untersucht. Zusätzlich wurde ein Cover-Body-Modell hergestellt, mit dem Phonationsversuche durchgeführt wurden, um die Frequenz, die Grenzdrücke und die Auslenkungen zu bestimmen. Dies erfolgte mit 1- und 2-schichtigen Modellen.
Ergebnisse: Mittels haptischer Untersuchung und der Auswertung von Zugversuchen wurde die Suche auf die Hydrogele PEGDMA 8000 und pNIPAm eingegrenzt. Der Median der E-Module lag für PEGDMA 8000 bei 31 kPa (Q0,25: 26,5 kPa; Q0,75: 37,75 kPa) und für pNIPAm bei 6kPa (Q0,25: 4,0 kPa; Q0,75: 7,0 kPa).
Für die Phonationsversuche wurden die Onset- und Offset-Drücke für beide Modelle untersucht. Es ergaben sich Onset-Drücke von 475–750 kPa (Q0,5) für einschichtige Modelle und 776–2280 kPa (Q0,5) für zweischichtige Modelle. Die Offset-Drücke lagen beim einschichtigen Modell zwischen 362–565 kPa. Die Differenz von Onset- zu Offset-Druck betrug 56–112 kPa. Neben den Grenzdrücken wurde die maximale Glottisöffnung untersucht. Diese lag bei subglottischen Drücken von 0,4–1,2 kPa bei 0,7–6 mm. Die zusätzlich untersuchte vertikale Auslenkung erreichte Werte von 0,6–4,2 mm. Die ermittelte Frequenz lag bei 75–95 Hz.
Diskussion: Die E-Module der Hydrogele erreichten Werte im Bereich von menschlichen ex vivo Stimmlippen. Dabei eignete sich PEGDMA 8000 als Body- und pNIPAm als Cover-Ersatz. Die Phonationsversuche zeigten, dass bei geringen subglottischen Drücken die Ergebnisse der Phonationsversuche denen der menschlichen Phonation ähneln. Die Frequenz lag unterhalb der männlichen Phonation.
Fazit: Hydrogele sind grundsätzlich als Tierersatzmodelle für experimentelle Fragestellungen geeignet. Es besteht insbesondere bei den zweischichtigen Modellen noch Optimierungsbedarf.
Text
Hintergrund
Im Verbundprojekt „OPhonLas: OCT-geregelte Laserablation bei Stimmlippen-Phonation“ soll ein neues Laryngoskop entwickelt werden, um am wachen Patienten Läsionen zu operieren. Normalerweise werden für die Auslegung der Messsysteme tierische Stimmlippen verwendet. Um jedoch reproduzierbarere Messbedingungen zu erhalten und die Validierung zu erleichtern, sollen synthetische Stimmlippen auf Basis von Hydrogelen hergestellt werden.
Material und Methoden
Nach der Erstellung einer Anforderungsliste wurde sich für sechs verschiedene Hydrogele entschieden, welche untersucht werden sollten. Die Herstellung der Hydrogele erfolgte mit verschiedenen Konzentrationen. Durch die Zugabe von künstlichem Schichtsilikat (Clay) konnte dabei die Festigkeit der Hydrogele, ohne einen Verlust der Elastizität, erhöht werden. Der Elastizitätsmodul (E-Modul) wurde mit Hilfe von Zugversuchen qualitativ untersucht. Zur Validierung und zum Vergleich mit der menschlichen Phonation wurden verschiedene Schwingungsparameter in einem projektintern-entwickelten Teststand untersucht. Die zu untersuchenden Parameter waren die Frequenz, die Grenzdrücke, die maximale Glottisöffnung und die vertikale Auslenkung. Für die Phonationsversuche wurden einschichtige und zweischichtige Modelle (Cover-Body-Modell) verwendet. Um diese Schichten in der optischen Kohärenztomographie (OCT) identifizieren zu können, wurden verschiedene Additive zugemischt.
Ergebnisse
Mittels haptischer Untersuchung und der Auswertung von Zugversuchen wurde die Suche auf die Hydrogele PEGDMA 8000 und pNIPAAm eingegrenzt. Der Median der E-Module lag für PEGDMA 8000 bei 31 kPa (Q0,25: 26,5 kPa; Q0,75: 37,75 kPa) und für pNIPAAm bei 6 kPa (Q0,25: 4,0 kPa; Q0,75: 7,0 kPa).
Für die Phonationsversuche wurden die Onset- und Offset-Drücke für beide Modelle untersucht. Es ergaben sich Onset-Drücke von 475–750 kPa (Q0,5) für einschichtige Modelle und 776–2280 kPa (Q0,5) für zweischichtige Modelle. Die Offset-Drücke lagen beim einschichtigen Modell zwischen 362–565 kPa. Die Differenz von Onset- zu Offset-Druck betrug 56–112 kPa. Neben den Grenzdrücken wurde die maximale Glottisöffnung untersucht. Diese lag bei subglottischen Drücken von 0,4–1,2 kPa bei 0,7–6 mm. Die zusätzlich untersuchte vertikale Auslenkung erreichte Werte von 0,6–4,2 mm. Die ermittelte Frequenz lag bei 75–95 Hz. Bei der Auswahl der Additive zeigte India Ink vielversprechende Ergebnisse.
Diskussion
Die E-Module der Hydrogele erreichten Werte im Bereich von menschlichen ex vivo Stimmlippen [1], [2], [3], [4]. Dabei eignete sich PEGDMA 8000 als Body- und pNIPAAm als Cover-Ersatz. Die Phonationsversuche zeigten, dass bei geringen subglottischen Drücken die Ergebnisse der Phonationsversuche denen der menschlichen Phonation ähneln [5], [6], [7], [8]. Jedoch beeinflusst die Austrocknung der Hydrogele die Werte der Phonationsparameter entscheidend. Die Frequenz lag unterhalb der männlichen Phonation [9]. Um die Verwendung des India Inks zu optimieren, sollte dessen Konzentration erhöht werden.
Fazit
Hydrogele sind grundsätzlich als Tierersatzmodelle für experimentelle Fragestellungen geeignet. Es besteht jedoch insbesondere bei den zweischichtigen Modellen noch Optimierungsbedarf.
Literatur
- 1.
- Chhetri DK, Zhang Z, Neubauer J. Measurement of Young’s modulus of vocal folds by indentation. J Voice. 2011;25(1):1-7. DOI: 10.1016/j.jvoice.2009.09.005
- 2.
- Alipour F, Finnegan EM, Jaiswal S. Phonatory characteristics of the excised human larynx in comparison to other species. J Voice. 2013;27(4):441-7. DOI: 10.1016/j.jvoice.2013.03.013
- 3.
- Hsiao TY, Wang CL, Chen CN, Hsieh FJ, Shau YW. Elasticity of human vocal folds measured in vivo using color Doppler imaging. Ultrasound Med Biol. 2002;28(9):1145-52
- 4.
- Alipour F, Vigmostad S. Measurement of vocal folds elastic properties for continuum modeling. J Voice. 2012;26(6):816.e21-9. DOI: 10.1016/j.jvoice.2012.04.010
- 5.
- Boessenecker Arno, David A Berry, Lohscheller Joerg, Eysholdt Ulrich, Doellinger Michael. Mucosal Wave Properties of a Human Vocal Fold. Acta Acustica united with Acustica. 2007;93(5):815–23.
- 6.
- Doellinger M, Berry DA. Visualization and quantification of the medial surface dynamics of an excised human vocal fold during phonation. J Voice. 2006;20(3):401-13. DOI: 10.1016/j.jvoice.2005.08.003
- 7.
- Plant RL, Freed GL, Plant RE. Direct measurement of onset and offset phonation threshold pressure in normal subjects. The Journal of the Acoustical Society of America. 2004;116(6):3640-6. DOI: 10.1121/1.1812309
- 8.
- Jiang J, O’Mara T, Conley D, Hanson D. Phonation threshold pressure measurements during phonation by airflow interruption. The Laryngoscope. 1999;109(3):425-32.
- 9.
- Merati A, Bielamowicz S. Textbook of Laryngology. San Diego; 2006.