Исследование трехмерного разделения потока, вызванного моделью Vocal Fold Polyp

Summary

Вокальные полипы складок могут нарушить динамику голосовых складок и, таким образом, могут иметь разрушительные последствия для способности пациента общаться. Трехмерное разделение потока, вызванное полипом модели, установленной на стене, и его влияние на нагрузку давления на стене изучаются с использованием велоциметрии изображения частиц, визуализации линии трения кожи и измерений давления стены.

Abstract

Процесс обмена энергией жидкостной структуры для нормальной речи был изучен широко, но это не очень хорошо понимается для патологических состояний. Полипы и узелки, которые являются геометрическими аномалиями, которые образуются на медиальной поверхности голосовых складок, могут нарушить динамику голосовых складок и, таким образом, могут иметь разрушительные последствия для способности пациента общаться. Наша лаборатория сообщила измерения изображения частиц (PIV), в рамках исследования модели полипа, расположенного на медиальной поверхности модели вокальной складки, управляемой in vitro, которые показывают, что такая геометрическая аномалия значительно нарушает поведение глоттальной струи. Эта регулировка поля потока является вероятной причиной серьезной деградации качества вокала у пациентов с полипами. Для продвижения лечения этого патологического состояния необходимо более полное понимание формирования и распространения вортичных структур из геометрического выступа, таких как полип голосовой складки, и полученное в результате влияние на аэродинамические нагрузки, которые управляют динамикой голосовой складки. Настоящее исследование касается трехмерного разделения потока, вызванного настенным пролатом-полушарием с соотношением сторон 2:1 в поперечном потоке, т.е. моделью вокального полипа, используя технику визуализации масляной пленки. Неустойчивое, трехмерное разделение потока и его влияние нагрузки давления стены рассматриваются с помощью визуализации линии трения кожи и измерения давления стены.

Introduction

Вокальные складки две полосы ткани, которые простираются по вокальным дыхательным пути. Озвученная речь производится, когда критическое давление легких достигается, заставляя воздух через аддукционные голосовые складки. Вокальные складки состоят из многих слоев ткани и часто представлены упрощенной двухслойной системой покрытия тела^1. Внеклеточная матрица, которая составляет большую часть слоя крышки, состоит из коллагеновых и эластиновых волокон, обеспечивая нелинейные стресс-стрейновые характеристики, которые важны для правильного движения голосовых^{складок 1,2}. Аэродинамические силы придают энергию тканям голосовых складок и возбуждают самоокупосадоченные колебания^3. По мере того как вокальные складки колеблются, отверстие между ими, именуемое glottis, формирует височно-различное отверстие которое переходит от конвергентного к форме и после этого к дивергенту проходу перед закрывать и повторять^{цикл 4.6}. Частоты вибрации для нормальной речи обычно охватывают 100-220 Гц у мужчин и женщин соответственно, создавая пульсирующее поле потока, которое проходит через glottis⁷. Процесс обмена энергией жидкостной структуры для нормальной речи был изучен широко^8-12; однако, нарушение этого процесса для некоторых патологий не очень хорошо понимается. Патологические состояния вокальных складок могут привести к резким изменениям в их динамике и повлиять на способность генерировать озвученную речь.

Полипы и узелки являются геометрическими аномалиями, которые образуются на медиальной поверхности голосовых складок. Эти аномалии могут повлиять на способность пациента общаться¹³. Тем не менее, только недавно имеет нарушение потока поля из-за геометрического выступа, таких как полип считается¹⁴. Это исследование показало, что “нормальный” жидкостной структуры энергосбытих процесс речи был резко изменен, и что изменение потока поле является наиболее вероятной причиной серьезного ухудшения качества вокала у пациентов с полипами и узелками. Не было установлено всеобъемлющего понимания структур потока, производимых трехмерным отделением потока от полипа в пульсирующем потоке. Генерация и распространение вортических структур из полипа, а также их последующее воздействие на аэродинамические нагрузки, которые управляют динамикой голосовых складок, является необходимым важнейшим компонентом для продвижения хирургического восстановления полипов у пациентов.

В то время как разъединение потока от стены установлен полушария в^{устойчивый поток был исследован 15-23}, удивительно, что мало информации о нестационарных трехмерных разъединения потока от полушария на стене при условии пульсирующих или нестационарных условий потока, как это находится в речи. Семенная работа Акарлара и Смита^{15 обеспечила} анализ трехмерных когерентных структур, порожденных устойчивым потоком через стену, установленную полушарием в ламинарном пограничном слое. Акарлар и Смит определили два типа вортических структур. Постоянный вихрь подковы был сформирован вверх по течению от выступа полушария и расширен ниже по течению от выступа с обеих сторон. Кроме того, шпильки вихри были периодически пролить от стены установлен полушария в результате. Сложное движение и прогрессирование шпильки вихри были исследованы и описаны в деталях.

Ранее изучался поток по гладкоочертной осиметрической холму, в котором были получены как поверхностные статические измерения давления, так и визуализация поверхностного масла на и ниже по течению от шишки в пределах турбулентного потока снора. Масляная пленка методы позволяют визуализировать линии трения кожи, высокой и низкой скорости регионов, а также разделения и крепления точек в пределах поверхностного потока, и полезны для исследования следа стены установлен объект. Для этого метода поверхность интереса покрыта тонкой пленкой масляного основания и тонкого порошкового пигмента(т.е. лампового пузыря, графитового порошка или диоксида титана) смеси. При желаемых условиях потока фрикционные силы приводят к тому, что масло двигается по поверхности, в результате чего пигментный порошок откладывается в полоски. Критические или сингулярности точек, места, где стресс снятия снора равна нулю или два или более компонентов среднего скорости равна нулю, могут быть классифицированы из результирующей кожи трения линии картины, как седло точек или нордных^{точек 24-26}.

Для геометрии холма не было обнаружено сингулярности, вызванной разделением; это было связано с плавно восходящим контуром удара, который не генерирует градиент неблагоприятного давления, который возникает с выступом полушария. Следовательно, поток был найден, чтобы ускорить до вершины удара, после чего, нестационарные седло-фокус разделения точек разработаны вскоре мимо удар центральной линии, как и следовало ожидать от формирования волосяной^{вихрь 27,28}. В исследовании с использованием аналогичных экспериментальных методов с другой геометрией, установленной на стене, масляная пленка визуализации вокруг поверхностного куба в устойчивый поток в исполнении Martinuzzi и Tropea^{29 отображается} две четкие линии трения кожи вверх по течению объекта. Первая линия трения кожи соответствовала первичной линии разделения, вызванной градиентом отрицательного давления, а вторая линия трения кожи обозначила усреднее по времени расположение вихря подковы. Измерения поверхностного давления, выполненные вверх по течению объекта, показали локальный минимум вдоль линии подковового вихря и локальный максимум давления между первичным разделением и линиями вихря подковы. Аналогичные линии разделения вверх по течению образуются с другими поверхностными геометриями, включая круговой цилиндр, пирамиду и^{конус 29-31.} Визуализация поверхности ниже по течению от настенных объектов обычно отображает два очага, вызванных областью рециркуляции за объектом^30. Два вихря генерируются в foci позиции и соответствуют “арх-типа” или шпильки вихрь видели в результате стены установлен полушария³².

Частица изображения велоциметрии (PIV) ранее была использована для изучения потока вниз по течению синтетических вокальных^{моделей раза 33-35}. PIV является неинвазивной визуализации метод, который изображения потока трассировщик движения частиц в плоскости, чтобы захватить пространственно-временной динамики^{жидкости 36.} Трехмерные когерентные структуры, которые образуют вниз по течению колеблющихся голосовых складок, были изучены Neubauer et al. ³⁷лет; наблюдалось поколение вихрей, конвекция и струйное хлопание. Недавно, Кребс и др. ³⁸ изучил трехмерность глоттальной струи с помощью стереоскопического PIV и результаты демонстрируют glottal переключения оси струи. Эрат и Плесняк¹⁴ исследовали влияние полипа вокальной складки модели на медиальной поверхности 7,5-кратной динамической модели вокальной складки. Область рециркуляции была сформирована ниже по течению от полипа, и динамика струи была затронута на протяжении всего фонаторного цикла. Предыдущие исследования, за исключением приводом вокальные раза полип исследования Эрат^{и Плесняк 14}, не исследовали динамику жидкости, вызванной медиальной вокальной раз полип или узел.

Важно понимать жидкостный динамический эффект полипа модели в устойчивых и пульсирующих потоках, прежде чем включить дополнительную сложность движущихся стенок голосовой складки, индуцированные градиенты давления, ограниченный геометрический объем и другие тонкости. Текущая работа сосредоточена на сигнатурной структуре потока на стене ниже по течению как в устойчивых, так и в нестабильных условиях потока. Взаимодействия между вортическими структурами, которые проливаются от выступа и вниз по течению стены представляет большой интерес для исследования вокальных полипов раза, а также другие биологические соображения, так как эти взаимодействия вызывают биологическую реакцию.

Protocol

В этой работе на полу испытательного участка аэродинамической трубы типа всасывания расположен настенный пролат полушария, т.е. полип голосовой складки модели, то есть полип типа всасывания. Неустойчивое, трехмерное разделение потока и его влияние на нагрузку давления стены иссл?…

Representative Results

Предыдущая работа с использованием 7,5-кратной динамической модели вокальной складки показала, что наличие геометрического выступа, модели вокального полипа, нарушает нормальную динамику глоттального струи на протяжении всего фонатного цикла. Репрезентативные результаты предыдущег?…

Discussion

Понимание формирования и распространения вортических структур от геометрического выступа и их последующее влияние на аэродинамические нагрузки, которые управляют динамикой голосовых складок, необходимо для того, чтобы дать представление и модели для того, чтобы продвинуть лечение в…

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