モデルの声帯ポリープによる三次元流分離の調査
Summary
声帯ポリープは、声の折り目のダイナミクスを破壊することができ、したがって、患者の通信能力に壊滅的な結果をもたらすことができます。壁面取り付けモデルポリープによって誘導される3次元流れ分離と壁圧負荷への影響を、粒子画像の軌跡、皮膚摩擦線の可視化、および壁圧測定を用いて調べる。
Abstract
通常の音声のための流体構造エネルギー交換プロセスは広範囲に研究されているが、病理学的状態については十分に理解されていない。声帯の内側表面に形成される幾何学的な異常であるポリープと結節は、声の折り畳みダイナミクスを破壊し、したがって、患者の通信能力に壊滅的な結果をもたらす可能性があります。当研究室では、 インビトロ 駆動のボーカルフォールドモデルの内側表面に位置するモデルポリープの調査の中で、粒子画像のvelocimetry(PIV)測定が報告されており、このような幾何学的異常が気球ジェットの挙動を著しく破壊することを示しています。このフローフィールド調整は、ポリープ患者における声質の著しい劣化の可能性が高い理由である。声帯ポリープのような幾何学的突起からの渦構造の形成と伝播、および声の折り目のダイナミクスを駆動する空力負荷への結果の影響のより完全な理解は、この病理学的状態の治療を進める上で必要である。本研究は、クロスフローにおける2:1アスペクト比を有する壁に取り付けられたプロレート半球体、 すなわち モデルのボーカルフォールドポリープによって誘導される3次元流の分離に関する、オイルフィルム可視化技術を用いた。不安定な3次元流の分離と壁圧荷重の影響は、皮膚摩擦線の可視化と壁圧測定を使用して調べます。
Introduction
ボーカルフォールドは、ボーカル気道を横切って伸びる組織の2つのバンドです。音声音声は、クリティカルな肺圧が達成されると生成され、付加された声帯を通して空気を強制する。声の折り目は、組織の多くの層で構成され、多くの場合、簡略化された2層のボディカバーシステム1によって表されます。カバー層の大部分を構成する細胞外マトリックスは、コラーゲンとエラスチン繊維で構成され、非線形応力-ひずみ特性を提供し、声帯1,2の適切な運動に重要である。空気力学的な力は声のひだの組織にエネルギーを与え、自己持続振動3を励起する。声が揺れるにつれて、それらの間の開口部は、グロティスと呼ばれ、収束性から均一に移行し、サイクル4,6を閉じて繰り返す前に発散通路に移行する時間的に変化するオリフィスを形成する。通常の音声に対する振動の周波数は、通常、男性と女性でそれぞれ100〜220Hzに及び、グロティス7を通過する脈動性流れ場を作り出す。通常の音声のための流体構造エネルギー交換プロセスは、広範囲に研究されています8-12;しかし、いくつかの病理に対するこのプロセスの中断は十分に理解されていない。声帯の病理的状態は、そのダイナミクスの劇的な変化をもたらし、音声を生成する能力に影響を与える可能性があります。
ポリープと結節は、声帯の内側表面に形成される幾何学的な異常である。これらの異常は、患者の13を通信する能力に影響を与える可能性があります。それにもかかわらず、最近になって、ポリープのような幾何学的な突起に起因する流動界の破壊が14と考えられていた。その研究は、「正常な」流体構造の音声交換プロセスが劇的に変化し、フローフィールドの改変がポリープおよび結節患者の声質の深刻な劣化の最も可能性の高い理由であることを示した。脈動流におけるポリープからの三次元流れ分離によって生じる流れ構造の包括的な理解は確立されていない。ポリープからの渦構造の生成と伝播、および声帯力学的な動きを駆動する空気力学的負荷へのその後の影響は、患者のポリープの外科的改善を進めるために必要な重要な要素である。
安定した流れにおける壁に取り付けられた半球体からの流れの分離は15-23で調査されているが、驚くべきことに、拍動性または不安定な流れ条件に従う壁の半球状からの不安定な三次元流の分離に関する情報はほとんどない。アカラーとスミス15 の精通した研究は、層状境界層内の壁に取り付けられた半球体を横切る安定した流れによって生成された三次元のコヒーレント構造の分析を提供した。アカラーとスミスは、2種類の渦構造を特定した。立っている馬蹄渦は、半球状突起の上流に形成され、両側の突起の下流に拡張された。さらに、ヘアピン渦は、壁から定期的にヘミスフェロイドをウェイクに取り付けた。ヘアピン渦の複雑な動きと進行を調査し、詳細に説明した。
滑らかに輪郭を描いた軸対称丘の上の流れは、表面静圧測定と表面油の視覚化の両方が乱流せん断流内のバンプの上および下流に取得された研究が以前に研究されました。オイルフィルム技術は、皮膚摩擦線、高速および低速度領域、および表面流れの中の分離およびアタッチメントポイントの可視化を可能にし、壁に取り付けられた物体のウェイクを調査するのに有用である。この技術のために、目的の表面は、油基剤と微粉末顔料(ランプ ブラック、グラファイト粉末、または二酸化チタン)混合物の薄膜でコーティングされています。所望の流れ条件では、摩擦力が表面に沿って油を動かすと、顔料粉末がストリークに沈着する。臨界点または特異点は、せん断応力が0又は2以上の成分の平均速度がゼロである場所、サドルポイントまたは節点24~26として得られた皮膚摩擦線パターンから分類することができる。
丘の幾何学では、分離によって引き起こされる特異点は上流で見つかっていない。これは、半球形突起で発生する不利な圧力勾配を生成しなかったバンプの滑らかに上昇する輪郭に起因した。その結果、その後の隆起の頂点まで流れが加速することが判明し、ヘアピン渦27,28の形成から予想されるように、バンプ中心線を過ぎて間もなく発達した不安定なサドル焦点分離点が発達した。異なる壁に取り付けられた幾何学を用いた同様の実験技術を用いた研究では、マルティンッツィとトロペア29 によって行われた安定した流れの表面に取り付けられた立方体の周りの油膜視覚化は、物体の上流に2つの明確な皮膚摩擦線を表示した。第1の皮膚摩擦線は、不利な圧力勾配に起因する一次分離線に対応し、第2の皮膚摩擦線は馬蹄渦の時間平均位置を示した。物体の上流で行われた表面圧力測定は、馬蹄渦線に沿った局所最小および一次分離と馬蹄渦線の間の局所圧力最大値を示した。同様の上流分離線は、円筒、ピラミッド、円錐29-31など、他の表面に取り付けられたジオメトリと形成されます。壁に取り付けられたオブジェクトの下流のサーフェスビジュアライゼーションは、通常、オブジェクト30の後ろの再循環領域によって引き起こされる2つのフォチを表示する。2つの渦は、病巣位置で生成され、壁に取り付けられたヘミスフェロイド32の後に見られる「アーチ型」またはヘアピン渦に対応する。
粒子画像のヴェロシメトリー(PIV)は、合成声の折り目モデル33-35の下流流を研究するために以前に使用されてきた。PIVは、画像が時空間流体力学36を捕捉するために平面内でトレーサー粒子の動きを流れる非侵襲的な視覚化技術である。振動する声の折り目の下流を形成する三次元の一貫した構造は、Neubauerらによって研究されてきた 。37;渦の発生と対流とジェットフラッピングが観察された。最近、クレブス ら38 は立体PIVを用いて眼内ジェットの三次元性を調べ、その結果、眼内ジェット軸切り替えを実証した。エラスとプレスニアック14 は、モデルボーカルフォールドポリープが7.5倍スケールアップされた動的に駆動されたボーカルフォールドモデルの内側表面に及ぼす影響を調査した。ポリープの下流に再循環領域が形成され、噴射ダイナミクスはフォナトリーサイクル全体を通して影響を受けた。エラスとプレスニアック14による駆動声帯ポリープ研究を阻止する以前の研究では、内側の声帯折りポリープまたは結節によって誘発される流体ダイナミクスを探求していない。
ボーカルフォールド移動壁の追加の複雑さ、誘導圧力勾配、限られた幾何学的体積および他の複雑さを含む前に、安定した、拍動性の流れ場内のモデルのポリープの流体動的効果を理解することが重要です。現在の作業は、安定したフロー条件と不安定なフロー条件の両方で、下流壁の流れ構造のシグネチャに焦点を当てています。突起から流される渦構造と下流壁との相互作用は、これらの相互作用が生物学的応答を引き出すので、声帯ポリープの調査と他の生物学的考察にとって大きな関心を持つ。
Protocol
Representative Results
Discussion
幾何学的突起からの渦構造の形成と伝播を理解し、その後の声帯力学的負荷に対する影響を理解することは、声帯ポリープおよび結節の治療を進めるために洞察とモデルを提供する必要がある。この実験におけるモデルポリープによって引き起こされる空力負荷の変動は、ポリープ13,41の患者に観察される不規則な声の折り目のダイナミクスに寄与すると予想される。今後の作業には…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、国立科学財団グラントNo.によってサポートされています。CBET-1236351およびGWバイオミメティクス・バイオインスピレーション工学センター(COBRE)。
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 |
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