Model Vocal Fold Polip'in Neden Olduğu Üç Boyutlu Akış Ayrımının Araştırılması

Summary

Vokal katlama polipleri ses katlama dinamiklerini bozabilir ve bu nedenle hastanın iletişim kurma yeteneği üzerinde yıkıcı sonuçlar doğurabilir. Duvara monte model polip tarafından indüklenen üç boyutlu akış ayrımı ve duvar basıncı yüklemesi üzerindeki etkisi parçacık görüntü velosimetrisi, cilt sürtünme hattı görselleştirmesi ve duvar basıncı ölçümleri kullanılarak incelenir.

Abstract

Normal konuşma için sıvı yapısı enerji değişim süreci kapsamlı bir şekilde incelenmiştir, ancak patolojik durumlar için iyi anlaşılamamıştır. Ses kıvrımlarının medial yüzeyinde oluşan geometrik anormallikler olan polipler ve nodüller, ses kıvrım dinamiklerini bozabilir ve böylece hastanın iletişim kurma yeteneği üzerinde yıkıcı sonuçlar doğurabilir. Laboratuvarımız, in vitro tahrikli bir vokal katlama modelinin medial yüzeyinde bulunan ve böyle bir geometrik anormalliğin glottal jet davranışını önemli ölçüde bozduğunu gösteren bir model polip üzerinde yapılan bir araştırmada parçacık görüntü velosimetrisi (PIV) ölçümlerini bildirmektedir. Bu akış alanı ayarı, polipli hastalarda ses kalitesinin ciddi şekilde bozulmasının muhtemel bir nedenidir. Bu patolojik durumun tedavisini ilerletmede, ses katlama polip gibi geometrik bir çıkıntıdan vortik yapıların oluşumunun ve yayılmasının ve vokal kıvrım dinamiklerini yönlendiren aerodinamik yüklemeler üzerindeki etkisinin daha eksiksiz anlaşılması gereklidir. Mevcut araştırma, bir yağ filmi görselleştirme tekniği kullanılarak çapraz akışta 2:1 en boy oranına sahip duvara monte prolat hemisferoidin, yani bir model vokal kat polipinin neden olduğu üç boyutlu akış ayrımı ile ilgilidir. Dengesiz, üç boyutlu akış ayrımı ve duvar basıncı yüklemesinin etkisi, cilt sürtünme hattı görselleştirmesi ve duvar basıncı ölçümleri kullanılarak incelenir.

Introduction

Ses kıvrımları, ses hava yolu boyunca uzanan iki doku grubudur. Sesli konuşma, kritik bir akciğer basıncı elde edildiğinde üretilir ve havayı eklenmiş ses kıvrımlarından zorlar. Vokal kıvrımları birçok doku katmanından oluşur ve genellikle basitleştirilmiş iki katmanlı bir vücut kapağı sistemi ile temsil edilir¹. Kapak tabakasının çoğunluğunu oluşturan hücre dışı matris, kollajen ve elastin liflerinden oluşur ve vokal kıvrımlarının uygun hareketi için önemli olan doğrusal olmayan stres-gerinim özellikleri sağlar^1,2. Aerodinamik kuvvetler, ses kıvrımlarının dokusuna enerji vermekte ve kendi kendine devam eden salınımları heyecanlandırmak³. Vokal salınımlı olarak, aralarındaki açıklık, glottis olarak adlandırılır, bir yakınsamaktan üniformaya ve daha sonra^4,6döngüsünü kapatmadan ve tekrarlamadan önce farklı bir geçide geçiş yapan zamansal olarak değişen bir delik oluşturur. Normal konuşma için titreşim frekansları tipik olarak erkeklerde ve kadınlarda sırasıyla 100-220 Hz’e yayılır ve glottis^7’dengeçen pulsatil bir akış alanı oluşturur. Normal konuşma için akışkan yapısı enerji değişim süreci kapsamlı bir şekilde çalışılmıştır^8-12; ancak bazı patolojiler için bu sürecin aksaması iyi anlaşılamamıştır. Ses kıvrımlarının patolojik koşulları dinamiklerinde dramatik değişikliklere neden olabilir ve sesli konuşma üretme yeteneğini etkileyebilir.

Polipler ve nodüller, ses kıvrımlarının medial yüzeyinde oluşan geometrik anormalliklerdir. Bu anormallikler hastanın iletişim kurma yeteneğini etkileyebilir¹³. Bununla birlikte, sadece son zamanlarda polip gibi geometrik bir çıkıntı nedeniyle akış alanının bozulması¹⁴. Bu çalışma, konuşmanın “normal” akışkan yapısı enerji değişim sürecinin büyük ölçüde değiştirildiğini ve polip ve nodül hastalarında ses kalitesinin ciddi şekilde bozulmasının en olası nedeninin akış alanının değiştirilmesi olduğunu göstermiştir. Üç boyutlu akış ayrımı ile üretilen akış yapılarının pulsatil akışta bir polipten kapsamlı bir şekilde anlaşılması sağlanmamıştır. Bir polipten vortik yapıların üretilmesi ve yayılması ve daha sonra ses kıvrım dinamiklerini yönlendiren aerodinamik yüklemeler üzerindeki etkileri, hastalarda poliplerin cerrahi olarak düzeltilmesini ilerletmek için gerekli bir kritik bileşendir.

Sabit akışta duvara monte edilmiş bir yarıküreden akış ayrımı^15-23araştırılmış olsa da, şaşırtıcı bir şekilde, konuşmada bulunduğu gibi titrek veya kararsız akış koşullarına tabi bir duvardaki bir yarıküreden kararsız üç boyutlu akış ayrımı hakkında çok az bilgi vardır. Acarlar ve Smith^15’in ufuk açıcı çalışmaları, laminer bir sınır tabakası içinde duvara monte edilmiş bir yarıküre üzerinde sabit akış ile oluşturulan üç boyutlu tutarlı yapıların analizini sağladı. Acarlar ve Smith iki tür vortical yapı tanımladılar. Ayakta duran bir at nalı girdabı, hemisferoid çıkıntısının yukarısında oluştu ve her iki taraftaki çıkıntının aşağı doğru genişledi. Ek olarak, saç tokası girdapları duvara monte edilmiş hemisferoidden periyodik olarak uyandırığa döküldü. Saç tokası girdaplarının karmaşık hareketi ve ilerlemesi ayrıntılı olarak araştırılmış ve tanımlanmıştır.

Düzgün konturlanmış bir eksenmetrik tepenin üzerindeki akış, daha önce hem yüzey statik basınç ölçümlerinin hem de yüzey yağı görselleştirmesinin çalkantılı bir kesme akışı içinde tümsek üzerinde ve aşağı akışında elde edildiği incelenmiştir. Yağ filmi teknikleri, cilt sürtünme çizgilerinin, yüksek ve düşük hızlı bölgelerin ve yüzey akışı içindeki ayırma ve bağlanma noktalarının görselleştirilmesini sağlar ve duvara monte edilmiş bir nesnenin uyanışını araştırmak için yararlıdır. Bu teknik için, ilgi yüzeyi bir yağ bazlı ve ince toz pigment(örneğin lampblack, grafit tozu veya titanyum dioksit) karışımının ince bir filmi ile kaplanır. İstenilen akış koşullarında sürtünme kuvvetleri yağın yüzey boyunca hareket etmesine neden olarak pigment tozlarının çizgiler halinde birikmesine neden olur. Kritik veya tekillik noktaları, kesme stresinin sıfır olduğu yerler veya ortalama hızın iki veya daha fazla bileşeni sıfırdır, ortaya çıkan cilt sürtünme çizgisi deseninden eyer noktaları veya nodal noktalar^24-26olarak sınıflandırılabilir.

Tepe geometrisi için, yukarı akışa ayırmanın neden olduğu tekillik bulunamadı; bu, bir yarımferoid çıkıntı ile ortaya çıkan olumsuz basınç gradyanını oluşturmayan tümseğin düzgün bir şekilde yükselen konturuna atfedildi. Sonuç olarak, akışın tümseğin zirvesine kadar hızlanması tespit edildi, bundan sonra, sabit olmayan eyer odak ayırma noktaları, bir saç tokası girdabının oluşumundan beklenecek gibi, tümsek merkez çizgisini kısa bir süre sonra^gelişti. Duvara monte edilmiş farklı bir geometriye sahip benzer deneysel teknikler kullanılarak yapılan bir çalışmada, Martinuzzi ve Tropea²⁹ tarafından gerçekleştirilen sabit akışta yüzeye monte edilmiş bir küpün etrafındaki yağ filmi görselleştirmesi, nesnenin yukarı akışında iki net cilt sürtünme çizgisi görüntüledi. İlk cilt sürtünme hattı, olumsuz basınç gradyanının neden olduğu birincil ayırma çizgisine karşılık geldi ve ikinci cilt sürtünme hattı at nalı girdabının zaman ortalamalı konumunu işaretledi. Nesnenin yukarı akışında yapılan yüzey basıncı ölçümleri, at nalı girdap hattı boyunca yerel bir minimum ve birincil ayırma ile at nalı girdap çizgileri arasında maksimum yerel bir basınç gösterdi. Benzer yukarı akış ayırma çizgileri, dairesel silindir, piramit ve koni^29-31dahil olmak üzere yüzeye monte edilmiş diğer geometrilerle oluşur. Duvara monte nesnelerin yüzey görselleştirme aşağı akışı genellikle nesne^30’unarkasındaki devridaim bölgesinin neden olduğu iki odak görüntüler. Odak konumlarında iki girdap üretilir ve duvara monte edilmiş bir yarıkürenin ardından görülen “kemer tipi” veya saç tokası girdabına karşılık gelir³².

Parçacık görüntü velosimetrisi (PIV) daha önce sentetik vokal katlama modellerinin akış aşağı akışını incelemek için kullanılmıştır^33-35. PIV, görüntülerin uzayo-zamansal akışkan dinamiklerini yakalamak için bir düzlem içinde izleyici parçacık hareketini akışa aldığı noninvaziv bir görselleştirme tekniğidir^36. Salınımlı vokal kıvrımlarının aşağı akışını oluşturan üç boyutlu tutarlı yapılar Neubauer ve arkadaşları tarafından incelenmiştir. ³⁷; girdap üretimi ve konveksiyon ve jet çırpma gözlendi. Son zamanlarda, Krebs ve ark. ^38, stereoskopik PIV kullanarak glottal jetin üç boyutluluğunu inceledi ve sonuçlar glottal jet ekseni geçişini gösteriyor. Erath ve Plesniak^14, bir model vokal katlama polipinin 7,5 kat ölçeklenmiş dinamik tahrikli vokal katlama modelinin medial yüzeyindeki etkisini araştırdı. Polipin aşağı yönünde bir devridaim bölgesi oluştu ve fonetuvar döngüsü boyunca jet dinamikleri etkilendi. Erath ve Plesniak¹⁴tarafından yapılan tahrikli vokal kat polip çalışmasını engelleyen önceki çalışmalar, medial vokal kat polip veya nodül tarafından indüklenen sıvı dinamiklerini araştırmamıştır.

Model polip’in sabit ve pulsatil akış alanlarındaki akışkan dinamik etkisini, vokal kat hareketli duvarların ek karmaşıklığını, indüklenmiş basınç gradyanlarını, sınırlı geometrik hacmi ve diğer incelikleri dahil etmeden önce anlamak önemlidir. Mevcut çalışma, hem sabit hem de kararsız akış koşullarında aşağı akış duvarındaki akış yapılarının imzasına odaklanır. Bir çıkıntıdan dökülen vortical yapılar ile aşağı akış duvarı arasındaki etkileşimler, vokal kat poliplerinin yanı sıra diğer biyolojik hususların araştırılması için büyük ilgi çekicidir, çünkü bu etkileşimler biyolojik bir tepki ortaya çıkarır.

Protocol

Bu çalışmada duvara monte prolat hemisferoid yani model vokal katlama polip, 5:1 kasılma oranına sahip bir emiş tipi rüzgar tünelinin test bölümü zeminine yerleştirilmiştir. Yağ akışı görselleştirme, duvar basıncı ölçümleri ve parçacık görüntü velosimetrisi kullanılarak kararsız, üç boyutlu akış ayrımı ve duvar basıncı yüklemesi üzerindeki etkisi araştırılır. Kararsız basınç ölçümleri, piezoresistive basınç sensörlerine sahip on altı kanallı tarama basınc?…

Representative Results

7,5 kat ölçeklenmiş dinamik tahrikli vokal katlama modeli kullanılarak yapılan önceki çalışmalar, geometrik çıkıntılı model vokal kat polipinin varlığının fonetuvar döngüsü boyunca glottal jetin normal dinamiklerini bozduğunu göstermiştir. Önceki tahrikli vokal katlama modeli çalışmasının temsili sonuçları Şekil 2 ve Video 2’de görüntülenir. Video, bir yakınsamadan farklı bir geometriye geçerken tahrikli vokal kıvrımlarının hareketini gösterir….

Discussion

Vortical yapıların geometrik bir çıkıntıdan oluşumunu ve yayılmasını ve bunların vokal kat dinamiklerini yönlendiren aerodinamik yüklemeler üzerindeki etkilerini anlamak, vokal kat poliplerinin ve nodüllerinin tedavisini ilerletmek için içgörü ve modeller sağlamak için gereklidir. Bu deneyde model polipin neden olduğu aerodinamik yüklemelerdeki varyasyonların polip^13,41olan hastalarda gözlenen düzensiz ses katlama dinamiklerine katkıda bulunduğu beklenmektedir. Gelecekteki çalışm…

Materials

Rapid Prototyper	Objet	Objet24	Tray Size (X×Y×Z): 240 × 200 × 150 mm Build layer thickness =  28 µm  Accuracy = 0.1 mm Build Resolution: X-axis: 600 dpi, Y-axis: 600 dpi, Z-axis: 900 dpi
Rapid Prototyper Model Material	Objet	VeroWhite Plus Fullcure 835
Rapid Prototyper Support Material	Objet	FullCure 705 Support
Copy Toner	Xerox
Kerosene	Sunnyside
Baby Oil	Johnson's
Adhesive Paper	Con-Tact Brand		White adhesive covering
Tygon Tubing	Tygon	PVC Tubing	1/16" ID, 3/16"OD
Pressure Scanner (16 channel)	Scanivalve	DSA3217	Used for gas pressure measurements Pressure range = +/- 5" H2O Full scale accuracy = +/-0.3% full scale accuracy.  Maximum scan rate = 500 Hz/channel
Stainless Steel Tubulations	Scanivalve	TUBN-063-1.0	0.063" Diameter and 1" Length