Étude de la séparation d’écoulement tridimensionnelle induite par un polype de pli vocal modèle

Summary

Les polypes vocaux de pli peuvent perturber la dynamique de pli vocal et peuvent ainsi avoir des conséquences dévastatrices sur un patient’ capacité de s de communiquer. La séparation tridimensionnelle d’écoulement induite par un polype de modèle mural et son impact sur la charge de pression de mur sont examinés utilisant la velocimetry d’image de particule, la visualisation de ligne de friction de peau, et les mesures de pression de mur.

Abstract

Le processus d’échange d’énergie de fluide-structure pour la parole normale a été étudié intensivement, mais il n’est pas bien compris pour des conditions pathologiques. Les polypes et les nodules, qui sont des anomalies géométriques qui se forment sur la surface médiale des plis vocaux, peuvent perturber la dynamique des plis vocaux et peuvent ainsi avoir des conséquences dévastatrices sur la capacité d’un patient à communiquer. Notre laboratoire a rapporté des mesures de velocimetry d’image de particule (PIV), dans une enquête sur un polype modèle situé sur la surface médiale d’un modèle in vitro conduit de pli vocal, qui montrent qu’une telle anomalie géométrique perturbe considérablement le comportement de jet glottal. Cet ajustement de champ d’écoulement est une raison probable pour la dégradation grave de la qualité vocale dans les patients présentant des polypes. Une compréhension plus complète de la formation et de la propagation des structures vortical d’une protubérance géométrique, telle qu’un polype de pli vocal, et de l’influence résultante sur les charges aérodynamiques qui conduisent la dynamique de pli vocal, est nécessaire pour faire avancer le traitement de cet état pathologique. La présente recherche concerne la séparation tridimensionnelle d’écoulement induite par un hemispheroid prolate mur-monté avec un rapport d’aspect de 2:1 dans l’écoulement croisé, c.-à-d. un polype de pli vocal modèle, utilisant une technique de visualisation d’huile-film. La séparation d’écoulement tridimensionnelle instable et son impact de la charge de pression de la paroi sont examinés à l’aide de la visualisation de la ligne de friction de la peau et des mesures de la pression de la paroi.

Introduction

Les plis vocaux sont deux bandes de tissu qui s’étendent à travers les voies respiratoires vocales. La parole vocale est produite lorsqu’une pression pulmonaire critique est atteinte, forçant l’air à travers des plis vocaux adductés. Les plis vocaux sont composés de nombreuses couches de tissu et sont souvent représentés par un système simplifié de couverture corporelle à deux couches^1. La matrice extracellulaire, qui constitue la majorité de la couche de couverture, est composée de fibres de collagène et d’élastine, fournissant des caractéristiques de contrainte-déformation non linéaires, qui sont importantes pour le bon mouvement des plis vocaux^1,2. Les forces aérodynamiques transmettent de l’énergie au tissu des plis vocaux et excitent des oscillations auto-entretenues³. Au fur et à mesure que les plis vocaux oscillent, l’ouverture entre eux, appelée glotte, forme un orifice variant temporellement qui passe d’un passage convergent à un uniforme, puis à un passage divergent avant de fermer et de répéter le cycle^4,6. Les fréquences de vibration pour la parole normale couvrent généralement 100-220 Hz chez les mâles et les femelles respectivement, créant un champ d’écoulement pulsatile qui passe à travers la glotte⁷. Le procédé d’échange d’énergie de structure fluide pour la parole normale a été largement étudié^8-12; cependant, la perturbation de ce processus pour certaines pathologies n’est pas bien comprise. Les conditions pathologiques des plis vocaux peuvent entraîner des changements spectaculaires dans leur dynamique et affecter la capacité de générer la parole voisée.

Les polypes et les nodules sont des anomalies géométriques qui se forment sur la surface médiale des plis vocaux. Ces anomalies peuvent affecter la capacité d’un patient à communiquer¹³. Néanmoins, ce n’est que récemment que la perturbation du champ d’écoulement due à une protubérance géométrique telle qu’un polype a été considérée comme¹⁴. Cette étude a prouvé que le processus « normal » d’énergie-échange de fluide-structure de la parole a été radicalement changé, et que la modification du champ d’écoulement était la raison la plus probable pour la dégradation grave de la qualité vocale dans les patients présentant des polypes et des nodules. Aucune compréhension complète des structures d’écoulement produites par la séparation tridimensionnelle d’écoulement d’un polype dans l’écoulement pulsatile n’a été établie. La génération et la propagation des structures vortical d’un polype, et leur impact suivant sur les charges aérodynamiques qui conduisent la dynamique de pli vocal est un composant critique nécessaire pour faire avancer la correction chirurgicale des polypes dans les patients.

Tandis que la séparation d’écoulement d’un hemispheroid mural dans l’écoulement régulier a été étudiée^15-23,étonnamment, il y a peu d’informations concernant la séparation instable d’écoulement tridimensionnel d’un hemispheroid sur un mur soumis aux conditions d’écoulement pulsatile ou instables comme on le trouve dans la parole. Les travaux fondateurs d’Acarlar et Smith¹⁵ ont fourni une analyse des structures cohérentes tridimensionnelles générées par un écoulement constant sur un hémisphéroïde mural dans une couche limite laminaire. Acarlar et Smith ont identifié deux types de structures vortical. Un vortex debout en fer à cheval s’est formé en amont de la protubérance hémisphéroïde et s’est prolongé en aval de la protubérance de chaque côté. En outre, des tourbillons en épingle à cheveux ont été jetés périodiquement de l’hémisphéroïde mural dans le sillage. Le mouvement complexe et la progression des tourbillons d’épingle à cheveux ont été étudiés et décrits en détail.

L’écoulement sur une colline axisymétrique à contour lisse a été précédemment étudié dans lequel les mesures de pression statique de surface et la visualisation de l’huile de surface ont été acquises sur et en aval de la bosse dans un flux de cisaillement turbulent. Les techniques de film d’huile permettent la visualisation des lignes de frottement de la peau, des régions à grande et basse vitesse, et des points de séparation et de fixation dans un flux de surface, et sont utiles pour étudier le sillage d’un objet mural. Pour cette technique, la surface d’intérêt est recouverte d’un film mince d’un mélange de pigment à base d’huile et de poudre fine(c’est-à-dire lampblack, poudre de graphite ou dioxyde de titane). Dans les conditions d’écoulement souhaitées, les forces de frottement provoquent le déplacement de l’huile le long de la surface, ce qui provoque le dépôt de la poudre pigmentaire dans les stries. Les points critiques ou de singularité, les endroits où la contrainte de cisaillement est nulle ou deux ou plusieurs composantes de la vitesse moyenne sont nulles, peuvent être classés à partir du motif de ligne de frottement de la peau résultant en tant que points de selle ou points nodaux^24-26.

Pour la géométrie de la colline, aucune singularité causée par la séparation n’a été trouvée en amont; ceci a été attribué à la découpe doucement ascendante de la bosse, qui n’a pas généré le gradient de pression défavorable qui se produit avec une protubérance hémisphéroïde. Par conséquent, il a été constaté que l’écoulement s’accélérait jusqu’au sommet de la bosse, après quoi, des points de séparation instables de mise au point de la selle se sont développés peu de temps après l’axe de la bosse, comme on pouvait s’y attendre de la formation d’un vortex en épingle à cheveux^27,28. Dans une étude utilisant des techniques expérimentales similaires avec une géométrie murale différente, la visualisation du film d’huile autour d’un cube monté en surface en flux constant effectuée par Martinuzzi et Tropea²⁹ a montré deux lignes de frottement de peau claires en amont de l’objet. La première ligne de frottement de peau correspondait à la ligne de séparation primaire causée par le gradient de pression défavorable et la ligne de frottement de la deuxième peau a marqué l’emplacement moyenné dans le temps du vortex de fer à cheval. Les mesures de pression de surface effectuées en amont de l’objet ont montré un minimum local le long de la ligne de vortex en fer à cheval et une pression maximale locale entre les lignes de séparation primaire et de vortex en fer à cheval. Des lignes de séparation en amont similaires sont formées avec d’autres géométries montées en surface, y compris un cylindre circulaire, une pyramide et un cône^29-31. La visualisation de surface en aval d’objets muraux affiche typiquement deux foyers causés par la région de recirculation derrière l’objet^30. Deux tourbillons sont générés aux positions des foyers et correspondent au « type arc » ou vortex en épingle à cheveux vu dans le sillage d’un hémisphéroïde mural^32.

La vélocimétrie d’image de particules (PIV) a déjà été utilisée pour étudier le flux en aval des modèles de pli vocal synthétique^33-35. PIV est une technique de visualisation non invasive qui image le mouvement des particules traceurs de flux dans un plan pour capturer la dynamique des fluides spatio-temporelle^36. Les structures cohérentes tridimensionnelles qui forment en aval des plis vocaux oscillants ont été étudiées par Neubauer et al. ³⁷; On a observé la génération et la convection de vortex et le battement de jet. Récemment, Krebs et al. ³⁸ a étudié la tridimensionnalité du jet glottal à l’aide de PIV stéréoscopique et les résultats démontrent la commutation de l’axe du jet glottal. Erath et Plesniak¹⁴ ont étudié l’effet d’un polype de pli vocal modèle sur la surface médiale d’un modèle de pli vocal dynamiquement mis à l’échelle 7,5 fois. Une région de recirculation a été formée en aval du polype et la dynamique de jet ont été affectées dans tout le cycle phonatoire. Les études précédentes, à l’exception de l’étude de polype de pli vocal conduit par Erath et Plesniak¹⁴, n’ont pas exploré la dynamique fluide induite par un polype ou un nodule médial de pli vocal.

Il est important de comprendre l’effet dynamique fluide du polype modèle dans les champs d’écoulement stables et pulsatiles avant d’inclure la complexité supplémentaire des parois mobiles du pli vocal, les gradients de pression induits, le volume géométrique confiné et d’autres subtilités. Les travaux actuels se concentrent sur la signature des structures d’écoulement sur la paroi en aval dans des conditions d’écoulement stables et instables. Les interactions entre les structures vortical qui sont jetées d’une saillie et la paroi en aval est d’un grand intérêt pour l’étude des polypes de pli vocal aussi bien que d’autres considérations biologiques, car ces interactions obtiennent une réponse biologique.

Protocol

Dans ce travail, un hémisphéroïde prolate mural, c’est-à-dire un polype de pli vocal modèle, est positionné sur le plancher de la section d’essai d’une soufflerie de type aspiration avec un rapport de contraction de 5:1. La séparation instable et tridimensionnelle de l’écoulement et son effet sur la charge de pression de la paroi sont étudiés à l’aide de la visualisation de l’écoulement d’huile, des mesures de la pression de la paroi et de la vélocimétrie d’image de particules. Les …

Representative Results

Des travaux antérieurs utilisant un modèle de pli vocal dynamiquement mis à l’échelle 7,5 fois ont démontré que la présence d’une protubérance géométrique, le polype de pli vocal modèle, perturbe la dynamique normale du jet glottal tout au long du cycle phonatoire. Les résultats représentatifs de l’étude précédente du modèle de pli vocal sont présentés à la figure 2 et à la vidéo 2. La vidéo montre le mouvement des plis vocaux entraînés alors qu’ils passe…

Discussion

Comprendre la formation et la propagation des structures vortical d’une protubérance géométrique et leur effet suivant sur les charges aérodynamiques qui conduisent la dynamique de pli vocal, est nécessaire pour fournir la perspicacité et les modèles afin d’avancer le traitement des polypes et des nodules vocaux de pli. Les variations des charges aérodynamiques causées par le polype modèle dans cette expérience devraient contribuer à la dynamique irrégulière des plis vocaux observée chez les patients a…

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