Development and evaluation of synthetic vocal fold phantoms for anisotropic behavior
Anizotropik davranış için sentetik ses teli fantomlarının geliştirilmesi ve değerlendirilmesi
- Tez No: 948228
- Danışmanlar: DOÇ. DR. AHMET CAN ERTEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Bu tez çalışması, ayarlanabilir ve anizotropik (yön bağımlı) mekanik davranış sergileyen yenilikçi bir sentetik ses teli fantomunun tasarımını, simülasyonunu, üretimini ve deneysel değerlendirmesini kapsamlı bir şekilde sunmaktadır. Geliştirilen bu fantom, ses teli modellemesinde karşılaşılan mevcut sınırlamaları aşmayı hedeflemekte olup, özellikle insan ses tellerinin biyomekanik karmaşıklığını gerçeğe yakın şekilde temsil edebilecek yeniden kullanılabilir ve fizyolojik olarak anlamlı bir model ortaya koyma ihtiyacından doğmuştur. İnsan ses telleri, sadece yön bağımlı sertlik özellikleriyle değil, aynı zamanda kas hareketleriyle anlık olarak değişebilen mekanik tepkileri sayesinde ses üretimi sırasında oldukça dinamik ve sofistike bir işleyiş sergiler. Dolayısıyla, bu özellikleri doğru şekilde yansıtabilen bir sentetik modelin geliştirilmesi, hem klinik hem de akademik açıdan büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmanın temel motivasyonu, yalnızca statik mekanik davranışları değil, aynı zamanda fonasyon sürecini yansıtan dinamik tepkileri de fiziksel olarak taklit edebilecek, farklı deneysel senaryolarda tekrar tekrar kullanılabilecek, dayanıklı ve ayarlanabilir bir yapının tasarlanmasıdır. Günümüzde kullanılan mevcut sentetik ses teli modellerinin çoğu bu kriterleri tam olarak karşılayamamaktadır. İzotropik (yani tüm yönlerde aynı mekanik tepkiyi veren) yapılar, ses tellerinin doğal anizotropik karakterini yansıtamazken; çok katmanlı silikon yapılar veya fiber takviyeli kompozit malzemelerle oluşturulan modeller ise üretim açısından oldukça karmaşık ve zaman alıcıdır. Öte yandan, bazı modellerde kullanılan hidrojel bazlı malzemeler başlangıçta umut verici mekanik özellikler sunsa da, uzun vadeli deneysel kullanımlarda dehidrasyon, mekanik bozulma ve tekrarlanabilirliğin kaybı gibi ciddi sorunlara yol açmaktadır. Bu zorluklara alternatif olarak, bu tez çalışmasında erişilebilir, dayanıklı, uygun maliyetli ve deneysel olarak esnek bir çözüm önerilmiş; bu çözüm AKSIL®️ markasına ait platin-katalizli RTV silikon bazlı sentetik fantomlar kullanılarak gerçekleştirilmiştir. AKSIL®️ RTV silikon, yüksek elastikiyet, biyouyumluluk ve güvenilir kürlenme özellikleri sayesinde hem prototipleme hem de tekrarlanabilir testler için oldukça uygun bir malzeme olarak seçilmiştir. Bu silikon, mühendislik temelli iç yapı ve geometriyle şekillendirilmiş, farklı mekanik davranışları ortaya koyabilecek şekilde tasarlanmıştır. Çalışma kapsamında iki farklı ses teli fantomu geliştirilmiştir. İlk modelde, bir kenarı 15 mm olan yumuşak silikon bir küp kullanılmış ve bu küpün merkezine daha sert bir silindirik yapı entegre edilmiştir. Bu silindir, Smooth-On firmasına ait Mold Max®️ 14NV isimli, yaklaşık 170 kPa Young modülüne sahip ticari silikon malzemeden üretilmiştir. AKSIL®️ RTV silikonun yaklaşık 2.4 kPa Young modülü ile karşılaştırıldığında, bu malzeme kontrastı sayesinde yönsel (boyuna) sertlikte artış sağlanmış ve pasif anizotropik bir yapı elde edilmiştir. Silindirin küpün z ekseni boyunca yerleştirilmiş olması, yük altında yönsel farkların belirginleşmesine katkı sağlamıştır. Böylece yapı, hem COMSOL Multiphysics ortamında gerçekleştirilen sonlu elemanlar (FEM) analizlerinde hem de fiziksel deneylerde anizotropiyi başarıyla göstermiştir. İkinci fantom ise daha gelişmiş ve dinamik bir yapı sunmaktadır. Bu modelde, sabit bir sert yapı yerine, çıkarılabilir özellikte doğal lateks kauçuktan üretilmiş tüp, yine aynı 15 mm'lik silikon küpün merkezine yerleştirilmiştir. Tüpün içine farklı oranlarda su-hava karışımı enjekte edilerek iç sertliği istenen düzeyde ayarlanabilmiştir. Tüplerin her iki ucu yapıştırıcı ile kapatılarak sızdırmazlık sağlanmış, böylece yapı hem tekrarlanabilir hem de deney sonrası yeniden yapılandırılabilir bir platforma dönüşmüştür. Bu sistem, sadece iç sıvı oranı değiştirilerek aynı fiziksel yapı üzerinde çok sayıda test yapılabilmesine olanak tanımıştır. Her iki modelin performansını değerlendirmek için COMSOL Multiphysics yazılımı ile sayısal simülasyonlar gerçekleştirilmiş, uygun sınır koşulları tanımlanmış ve Katı Mekanik (Solid Mechanics) modülü kullanılmıştır. Simülasyonlar, uygulanan yük altındaki deformasyonları ve stres dağılımını analiz etmek üzere kurgulanmıştır. Daha sonra, 3D yazıcı ve kalıplama teknikleri kullanılarak fiziksel prototipler üretilmiş, her yükleme öncesi ve sonrası yüksek çözünürlüklü görüntüler alınmış ve bu görüntüler ImageJ yazılımı ile analiz edilmiştir. Elde edilen yer değiştirme verileri doğrultusunda, Young modülü değerleri hesaplanmış ve deneysel sonuçlarla simülasyonlar arasında uyumlukta olduğu gözlemlenmiştir. Bu tez çalışmasında, geliştirilen sentetik ses teli fantomunun dinamik performansını değerlendirmek amacıyla, statik mekanik testlere ek olarak bir titreşim testi de gerçekleştirilmiştir. Bu testin temel amacı, iç sertlikteki değişimlerin – özellikle sıvı içeriği modülasyonu yoluyla elde edilen farklılıkların – fantomun salınım davranışına olan etkisini değerlendirmek ve bu bağlamda insan fonasyonunu daha gerçekçi şekilde taklit edebilme kapasitesini incelemektir. Titreşim testi, tek katmanlı bir ses teli fantomu üzerine, akciğerlerden gelen hava basıncını taklit eden aralıklı hava akımı (nabızlı akış) uygulanarak gerçekleştirilmiştir. İçinde doğal lateks kauçuk tüp bulunan fantom, özel olarak tasarlanmış bir deney düzeneğine dikey olarak monte edilmiş ve fantomun alt kısmı sabitlenmiş, üst kısmı ise serbest bırakılarak serbestçe titreşmesi sağlanmıştır. Deney düzeneği ayrıca yüksek yoğunlukta bir ışık kaynağı ve yüksek hızlı bir CMOS kamera içermekteydi. Kamera, fantomun üst kenarındaki salınımları hassas bir şekilde kaydetmek üzere hizalanmış ve görüntüleme verileri, daha sonra zaman-frekans analizleri için Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) yöntemi ile işlenmiştir. Titreşim testi sırasında, doğal lateks tüpün içindeki sıvı-hava oranı %60 su içeriğine ayarlanmıştır. Bu yapı, ses teli fantomunun dinamik davranışını simüle edilen hava akışı koşulları altında değerlendirmek amacıyla kullanılmıştır. Bu konfigürasyonda ölçülen temel frekans yaklaşık 101 Hz olarak bulunmuş ve bu değer insan fonasyon aralığı içinde yer almıştır. Elde edilen bulgular, fantom modelinin dinamik geçerliliğini desteklemektedir. Ayrıca, deneysel statik mekanik testler kapsamında elde edilen sonuçlar, ilk fantomun yönsel sertlik farklarını başarıyla sergilediğini doğrulamıştır. Bu ilk model, AKSIL® RTV silikon kullanılarak üretilmiş 15 mm kenar uzunluğunda yumuşak bir küp yapıya, merkezi kısma yerleştirilmiş daha sert Mold Max® 14NV isimli silikon silindir ile tamamlanmıştır. Bu malzeme kombinasyonu, merkezdeki yüksek sertlik sayesinde boyuna yönde 21.77 kPa, enine yönde ise 3.94 kPa Young modülü elde edilmesine olanak sağlamıştır. COMSOL Multiphysics yazılımı kullanılarak gerçekleştirilen simülasyonlarla birlikte yapılan fiziksel testler, bu pasif anizotropi tasarımının doğruluğunu ve güvenilirliğini göstermiştir. Ancak bu modelin önemli bir dezavantajı vardır: üretim sonrası ayarlanabilirliğe sahip değildir. Yani her sertlik konfigürasyonu için tüm modelin baştan üretilmesi gerekmekte ve bu durum hem zaman hem de kaynak açısından ciddi kısıtlamalar doğurmaktadır. İkinci fantom ise bu sınırlamaları aşmak üzere tasarlanmış ve hem anizotropik davranış hem de üretim sonrası ayarlanabilirlik özelliklerini aynı yapı içerisinde bir araya getiren yenilikçi bir çözüm sunmuştur. Aynı silikon küp içerisine yerleştirilen doğal lateks kauçuk tüp, çıkarılabilir ve yeniden doldurulabilir yapısı sayesinde farklı sıvı-hava oranları ile test edilebilmiştir. İçeriğe %0'dan %80'a kadar artan su oranları eklenerek her bir durumda boyuna yöndeki Young modülü su yüzdesindeki değişikliklerle değişti, enine yönde ise bu değer yaklaşık 2.5 kPa seviyesinde sabit kalmıştır. Bu sayede sadece boyuna yönde değişen sertlik elde edilmiş ve modelin hem anizotropik hem de ayarlanabilir bir karaktere sahip olduğu doğrulanmıştır. Aynı küp, tüm deneylerde tekrar kullanılmış, yalnızca tüp içeriği değiştirilmiştir. Bu yaklaşım, deneylerin maliyetini düşürmüş, zaman tasarrufu sağlamış ve deneysel tutarlılığı önemli ölçüde artırmıştır. İkinci fantom üzerinde gerçekleştirilen titreşim testi, statik mekanik özelliklerinin yanı sıra modelin titreşimsel tepki açısından da başarılı bir performans sergilediğini ortaya koymuştur. Bu durum, modelin gerçek ses teli davranışını temsil etme yeteneğini daha da güçlendirmektedir. Geliştirilen fantom, yüksek düzeyde esneklik, doğruluk ve biyolojik uygunluk sunmakta; farklı senaryoların tek bir model üzerinden test edilebilmesine olanak sağlamaktadır. Bu tez çalışmasının sunduğu en önemli yeniliklerden biri, hem yönsel sertlik (anizotropi) hem de üretim sonrası ayarlanabilirlik gibi iki temel fonksiyonu, sade ve kompakt bir ses teli fantomunda bir araya getirmesidir. AKSIL® RTV silikon ve doğal lateks gibi ulaşılabilir, düşük maliyetli ve biyouyumlu malzemeler kullanılarak inşa edilen bu yapı, kompleks çok katmanlı veya hidrojel bazlı modellere göre üretimi daha kolay, dayanıklılığı daha yüksek ve deneysel olarak daha esnek bir alternatif sunmaktadır. Modelin sunduğu mekanik doğruluk, yeniden kullanılabilirlik ve modüler tasarımı, onu fonasyon biyomekaniği, ses patolojileri, ses protezi geliştirme ve preklinik testler gibi pek çok alanda güçlü bir aday hâline getirmektedir. Ayrıca, bu çalışma ileride geliştirilebilecek yeni nesil sentetik ses teli modelleri için sağlam bir temel oluşturmakta ve anatomik biçimlendirme, gerçek zamanlı sertlik kontrolü, aktif malzeme entegrasyonu ve gömülü sensör sistemleri gibi ileri teknolojilerin bu modele entegre edilebilmesine olanak tanımaktadır. Bu sayede, hem akademik araştırmalarda hem de klinik uygulamalarda kullanılabilecek, daha gerçekçi ve etkili bir sentetik ses teli platformu ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the design, simulation, fabrication, and evaluation of a novel synthetic vocal fold phantom with tunable and anisotropic mechanical behavior, developed to address existing limitations in vocal fold modeling. The motivation for this work stems from the need to create a reusable and physiologically relevant model that can replicate the direction-dependent stiffness of human vocal folds while allowing tunable mechanical responses. Most existing synthetic models are either isotropic, composed of multilayered or fiber-reinforced structures that are complex to fabricate, or are made from hydrogel-based materials that are prone to dehydration and degradation. In contrast, this study introduces an accessible, durable, and experimentally flexible solution using AKSIL®️ silicone phantoms with engineered geometries and internal configurations. In this study, two vocal fold phantoms were developed. The first phantom featured a soft cubic platinum-cure RTV silicone base with a side of 15 mm, which represents vocal fold dimensions, embedded with a central cylinder made of a stiffer silicone to passively induce anisotropy via material contrast. The second phantom was more advanced, and it incorporated a natural latex rubber tube filled with varying water-to-air ratios. This phantom enabled post-fabrication tunability of stiffness levels in the longitudinal direction. Both phantoms were first modeled using COMSOL Multiphysics with appropriate boundary conditions. The selected physics module was Solid Mechanics for mechanical testing. By conducting physical experiments, including uniaxial compression in lab settings, the models were then validated. In addition to static mechanical testing, a vibratory test was conducted using a one-layer vocal fold structure subjected to pulsatile airflow. The latex-filled phantom was mounted in a custom experimental setup that simulated phonatory conditions, and the vibration was recorded using a high-speed CMOS camera. The frequency response of the phantom was evaluated for an internal fluid content of 60% water. The measured fundamental frequency was 101 Hz, which falls within the typical human phonation range, supporting the phantom's dynamic validity and alignment with expected phonatory behavior. Experimental results demonstrated that the first phantom showed different mechanical behavior in longitudinal and transverse directions because of the stiffer silicone core, with Young's modulus values of 21.77 kPa in the longitudinal direction and 3.94 kPa in the transverse direction. The correlation between the simulation and experimental results demonstrates that the proposed method for introducing anisotropic behavior to a vocal fold model is reliable. However, this phantom lacked tunability and required full re-fabrication for each configuration. The second phantom, by contrast, offered both anisotropy and tunability: the Young's modulus in the longitudinal direction ranged from 12.18 kPa (0% water) to 47.34 kPa (80% water), while the transverse modulus remained constant (~2.7 kPa). The same cube was reused across all tests, and water-to-air ratios were modified incrementally, making this method cost-effective, time-efficient, and structurally consistent. The vibratory test conducted on the second phantom confirmed that the phantom is capable of reproducing a realistic vibratory response within the human phonation range. The novelty of this study is the integration of directional stiffness and post-fabrication tunability within a single, simplified vocal fold phantom using accessible and inexpensive materials. The mechanical behavior exhibited by the model is physiologically relevant, and its reusability and modularity make it an ideal candidate for studying phonation mechanics, vocal pathology, prosthetic development, and pre-clinical testing. This study bridges a significant research gap in vocal fold modeling and also provides a foundation for future exploration of anatomical shaping, real-time stiffness modulation, and integrated sensing technologies.
Benzer Tezler
- Türk halk oyunları oyun müziklerinin çokseselilik açısından değerlendirilmesi
Başlık çevirisi yok
ENGİN ŞAFAK GÜRLER
Sanatta Yeterlik
Türkçe
1997
Müzikİstanbul Teknik ÜniversitesiGüzel Sanatlar Ana Bilim Dalı
DOÇ. FİKRET DEĞERLİ
- Deep learning approaches for vocal tract boundary segmentation in rtMRI
MRI videolarında ses yolu kontur bölütlemesi için derin öğrenme yaklaşımları
SASAN ASADIABADI
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. ENGİN ERZİN
- Alerjik rinit tedavisinde nazal yoldan kullanılmak üzere ın situ jelleşen topikal formülasyonların geliştirilmesi ve etkinliğinin değerlendirilmesi
Development and evaluation of the effectiveness of the topical in situ gelling formulations to be used via nasal route in allergic rhinitis treatment
EBRU ALTUNTAŞ
Doktora
Türkçe
2016
Eczacılık ve Farmakolojiİstanbul ÜniversitesiFarmasötik Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA GÜLGÜN YENER
- Cilt rengini açıcı yeni krem formülasyonu geliştirilmesi ve in vitro değerlendirilmesi
Development and in vitro evaluation of A new skin whitening cream formulation
MUSTAFA KUTLU KAYTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Eczacılık ve FarmakolojiAnadolu ÜniversitesiFarmasötik Teknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT SAMİ BERKMAN
- Tarihsel süreç içerisinde organik ve sentetik klarinet kamışlarının yapısal ve akustik açıdan değerlendirilmesi
Structural and acoustic evaluation of organic and synthetic clarinet reeds in the historical process
BİLLUR SEDEF SOĞULCAKLI