Untersuchung der dreidimensionalen Strömungstrennung, die durch ein Modell Vocal Fold Polyp induziert wird

Summary

Stimmfaltenpolypen können die Stimmfaltendynamik stören und somit verheerende Folgen für die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten haben. Die dreidimensionale Strömungstrennung, die durch einen wandmontierten Modellpolypen induziert wird, und seine Auswirkungen auf die Wanddruckbelastung werden mittels Partikelbild-Velocimetrie, Hautreibungslinienvisualisierung und Wanddruckmessungen untersucht.

Abstract

Der Fluid-Struktur-Energieaustauschprozess für normale Sprache wurde ausgiebig untersucht, ist aber für pathologische Bedingungen nicht gut verstanden. Polypen und Knötchen, die geometrische Anomalien sind, die sich auf der medialen Oberfläche der Stimmfalten bilden, können die Stimmfaltendynamik stören und können daher verheerende Folgen für die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten haben. Unser Labor hat Partikelbild-Velocimetrie -Messungen (PIV) im Rahmen einer Untersuchung eines Modellpolypes gemeldet, der sich auf der medialen Oberfläche eines in vitro angetriebenen Stimmfaltmodells befindet, die zeigen, dass eine solche geometrische Anomalie das Glottalstrahlverhalten erheblich stört. Diese Durchflussfeldanpassung ist ein wahrscheinlicher Grund für den starken Abbau der Stimmqualität bei Patienten mit Polypen. Ein vollständigeres Verständnis der Bildung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einer geometrischen Protuberanz, wie z.B. einem Stimmfaltenpolypen, und der daraus resultierende Einfluss auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist notwendig, um die Behandlung dieser pathologischen Erkrankung voranzutreiben. Die vorliegende Untersuchung betrifft die dreidimensionale Strömungstrennung, die durch ein wandmontiertes Prolate-Hemispheroid mit einem Seitenverhältnis von 2:1 im Querfluss, d.h. einem Modell-Vokalfaltenpolypen, mit einer Öl-Film-Visualisierungstechnik induziert wird. Die unbeständige, dreidimensionale Strömungstrennung und deren Auswirkungen der Wanddruckbelastung werden mittels Hautreiblinienvisualisierung und Wanddruckmessungen untersucht.

Introduction

Die Stimmfalten sind zwei Gewebebänder, die sich über die stimmliche Atemwege erstrecken. Stimmsprache wird erzeugt, wenn ein kritischer Lungendruck erreicht wird, der Luft durch adduktisierte Stimmfalten erzwingt. Die Stimmfalten bestehen aus vielen Gewebeschichten und werden oft durch ein vereinfachtes zweilagiges Bodycover-System¹dargestellt. Die extrazelluläre Matrix, die den Großteil der Deckschicht ausmacht, besteht aus Kollagen- und Elastinfasern und bietet nichtlineare Spannungs-Dehnungseigenschaften, die für die richtige Bewegung der Stimmfalten^1,2wichtig sind. Aerodynamische Kräfte vermitteln dem Gewebe der Stimmfalten Energie und regen selbstgetragene Schwingungen^{an 3}. Während die Stimmfalten oszillieren, bildet die Öffnung zwischen ihnen, die als Glottis bezeichnet wird, eine zeitlich variierende Öffnung, die von einer konvergenten zu einer Uniform und dann zu einer divergierenden Passage übergeht, bevor sie den Zyklus^4,6schließt und wiederholt. Schwingungsfrequenzen für normale Sprache erstrecken sich typischerweise über 100-220 Hz bei Männern bzw. Weibchen, wodurch ein pulsatiles Strömungsfeld entsteht, das durch die Glottis⁷verläuft. Der Fluidstruktur-Energieaustauschprozess für normale Sprache wurde ausgiebig^8-12untersucht; jedoch ist die Störung dieses Prozesses für einige Pathologien nicht gut verstanden. Pathologische Bedingungen der Stimmfalten können zu dramatischen Veränderungen in ihrer Dynamik führen und die Fähigkeit beeinflussen, gesprochene Sprache zu erzeugen.

Polypen und Knötchen sind geometrische Anomalien, die sich auf der medialen Oberfläche der Stimmfalten bilden. Diese Anomalien können die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten beeinträchtigen¹³. Dennoch wurde erst vor kurzem die Störung des Strömungsfeldes aufgrund einer geometrischen Protuberanz wie ein Polyp als¹⁴betrachtet. Diese Studie zeigte, dass der “normale” Energieaustauschprozess der Flüssigkeitsstruktur drastisch verändert wurde und dass die Veränderung des Strömungsfeldes der wahrscheinlichste Grund für den starken Abbau der Stimmqualität bei Patienten mit Polypen und Knötchen war. Es wurde kein umfassendes Verständnis der Strömungsstrukturen durch dreidimensionale Strömungstrennung von einem Polypen im pulsatilen Fluss festgestellt. Die Erzeugung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einem Polypen und deren anschließende Auswirkungen auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist eine notwendige kritische Komponente, um die chirurgische Sanierung von Polypen bei Patienten voranzutreiben.

Während die Strömungstrennung von einem wandmontierten Halbkugeloid im stetigen Fluss^15-23untersucht wurde, gibt es überraschenderweise wenig Informationen über eine unbeständige dreidimensionale Strömungstrennung von einem Hemispheroid an einer Wand, die pulsatilen oder unbeständigen Strömungsbedingungen ausgesetzt ist, wie sie in der Sprache zu finden sind. Die bahnbrechende Arbeit von Acarlar und Smith¹⁵ lieferte eine Analyse der dreidimensionalen kohärenten Strukturen, die durch stetigen Fluss über ein wandmontiertes Hemispheroid innerhalb einer laminaren Grenzschicht erzeugt werden. Acarlar und Smith identifizierten zwei Arten von vortical Strukturen. Vor der halbkugelförmigen Protuberanz bildete sich ein stehender Hufeisenwirbel, der sich flussabwärts der Protuberanz auf beiden Seiten erstreckte. Zusätzlich wurden Haarnadelwirbel periodisch von der Wand montiert Hemispheroid in die Wache vergossen. Die komplexe Bewegung und das Fortschreiten der Haarnadelwirbel wurde untersucht und detailliert beschrieben.

Der Fluss über einen glatt konturierten axisymmetrischen Hügel wurde zuvor untersucht, in dem sowohl oberflächenstatische Druckmessungen als auch Oberflächenölvisualisierungen an und nach der Beule innerhalb eines turbulenten Scherflusses erfasst wurden. Ölfilmtechniken ermöglichen die Visualisierung von Hautreibungslinien, Hoch- und Niedriggeschwindigkeitsbereichen sowie Trenn- und Befestigungspunkten innerhalb eines Oberflächenflusses und sind nützlich, um die Nachfuhr eines wandmontierten Objekts zu untersuchen. Für diese Technik wird die Oberfläche von Interesse mit einem dünnen Film aus einer Ölbasis und feinem Pulverpigment(d.h. Lampenschwarz, Graphitpulver oder Titandioxid) Gemisch beschichtet. Bei den gewünschten Strömungsbedingungen führen Reibungskräfte dazu, dass sich das Öl entlang der Oberfläche bewegt, wodurch sich das Pigmentpulver in Streifen ablagert. Kritische oder Singularitätspunkte, Positionen, an denen die Scherspannung Null oder zwei oder mehr Komponenten der mittleren Geschwindigkeit null ist, können aus dem resultierenden Hautreibungslinienmuster als Sattelpunkte oder Knotenpunkte^24-26klassifiziert werden.

Für die Hügelgeometrie wurde keine Durchtrennung verursachte Singularität flussaufwärts gefunden; dies wurde auf die sanft aufsteigende Kontur der Beule zurückgeführt, die nicht den negativen Druckgradienten erzeugte, der bei einer halbkugelförmigen Protuberanz auftritt. Folglich beschleunigte sich der Fluss bis zum Höhepunkt der Beule, nach der sich kurz hinter der Stoßmittellinie unbeständige Sattelfokus-Trennpunkte entwickelten, wie es bei der Bildung eines Haarnadelwirbels^27,28zu erwarten wäre. In einer Studie mit ähnlichen experimentellen Techniken mit einer anderen Wandgeometrie zeigte die Ölfilm-Visualisierung um einen oberflächenmontierten Würfel im stetigen Fluss, durchgeführt von Martinuzzi und Tropea^29, zwei klare Hautreibungslinien vor dem Objekt. Die erste Hautreibungslinie entsprach der primären Trennlinie, die durch den ungünstigen Druckgradienten verursacht wurde, und die zweite Reibungslinie der Haut markierte die zeitgemittelte Position des Hufeisenwirbels. Oberflächendruckmessungen, die vor dem Objekt durchgeführt wurden, zeigten ein lokales Minimum entlang der Hufeisenwirbellinie und ein lokales Druckmaximum zwischen der primären Trennung und hufeisenwirbellinien. Ähnliche vorgelagerte Trennlinien werden mit anderen oberflächenmontierten Geometrien einschließlich eines Kreisförmigen Zylinders, einer Pyramide und eines Kegels^29-31gebildet. Die Oberflächenvisualisierung nach den Wandobjekten zeigt in der Regel zwei Brennpunkte an, die durch den Rezirkulationsbereich hinter dem Objekt³⁰verursacht werden. Zwei Wirbel werden an den Brennpunkten erzeugt und entsprechen dem “Arch-Typ” oder Haarnadelwirbel, der im Gefolge eines wandmontierten Hemispheroids³²zu sehen ist.

Partikelbild-Velocimetrie (PIV) wurde bisher verwendet, um den Fluss nachdemzulesen von synthetischen Stimmfaltenmodellen^33-35zu untersuchen. PIV ist eine nichtinvasive Visualisierungstechnik, bei der die Bewegung von Tracer-Partikeln innerhalb einer Ebene erfasst wird, um die räumlich-zeitliche Strömungsdynamik zu erfassen^36. Dreidimensionale zusammenhängende Strukturen, die sich nach den oszillierenden Stimmfalten bilden, wurden von Neubauer et al. untersucht. ³⁷; Wirbelerzeugung und Konvektion und Jet-Schlag wurden beobachtet. Kürzlich, Krebs et al. ³⁸ untersuchte die Dreidimensionalität des Glottalstrahls mit stereoskopischem PIV und die Ergebnisse zeigen die Glottal-Jet-Achsenschaltung. Erath und Plesniak¹⁴ untersuchten die Wirkung eines Modellstimmfaltenpolypes auf die mediale Oberfläche eines 7,5-fach skalierten dynamisch angetriebenen Vokalfaltenmodells. Unterhalb des Polyp simonierte sich eine Rezirkulationsregion und die Strahldynamik wurde während des gesamten Phonationszyklus beeinflusst. Die bisherigen Studien, mit Ausnahme der getriebenen Vokalfalten-Polyp-Studie von Erath und Plesniak¹⁴, haben die Strömungsdynamik, die durch einen medialen Stimmfaltenpolyp oder Knötchen induziert wird, nicht erforscht.

Es ist wichtig, die fluiddynamische Wirkung des Modellpolypes in stetigen und pulsatilen Strömungsfeldern zu verstehen, bevor die zusätzliche Komplexität der stimmlichen Faltwände, induzierte Druckgradienten, begrenztes geometrisches Volumen und andere Feinheiten eingeschlossen werden. Die aktuelle Arbeit konzentriert sich auf die Signatur der Strömungsstrukturen an der nachgelagerten Wand unter stabilen und unbeständigen Strömungsbedingungen. Die Wechselwirkungen zwischen den vorticalen Strukturen, die aus einem Vorsprung und der nachgeschalteten Wand vergossen werden, sind von großem Interesse für die Untersuchung von Stimmfaltenpolypen sowie anderen biologischen Überlegungen, da diese Wechselwirkungen eine biologische Reaktion auslösen.

Protocol

In dieser Arbeit wird auf dem Prüfabschnittsboden eines Saugwindkanals mit einem Kontraktionsverhältnis von 5:1 ein an der Wand montiertes Halbkugelideroid, d.h. ein Modell-Stimmfaltenpolyp, positioniert. Die unbeständige, dreidimensionale Strömungstrennung und ihre Wirkung auf die Wanddruckbelastung werden mittels Ölflussvisualisierung, Wanddruckmessungen und Partikelbild-Velocimetrie untersucht. Die unbeständigen Druckmessungen werden mit einem 16-Kanal-Scandruckwandler mit piezoresistiven Drucksensoren …

Representative Results

Frühere Arbeiten mit einem 7,5-fach skalierten dynamisch angetriebenen Vokalfaltenmodell haben gezeigt, dass das Vorhandensein einer geometrischen Protuberance, Modellstimmfaltenpolypen, die normale Dynamik des Glottalstrahls während des gesamten Phonatorationszyklus stört. Repräsentative Ergebnisse der vorherigen getriebenen Vokalfaltenmodellstudie sind in Abbildung 2 und Video 2dargestellt. Das Video zeigt die Bewegung der angetriebenen Stimmfalten, während sie sich von einer konv…

Discussion

Das Verständnis der Bildung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einer geometrischen Protuberanz und deren anschließende Wirkung auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist notwendig, um Einblicke und Modelle zu liefern, um die Behandlung von Stimmfaltenpolypen und Knötchen voranzutreiben. Die Variationen der aerodynamischen Belastungen, die durch das Modell Polypen in diesem Experiment verursacht werden, dürften zu einer unregelmäßigen Stimmfaltendynamik beitragen, die bei …

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