التحقيق في فصل التدفق ثلاثي الأبعاد الناجم عن نموذج بوليب أضعاف الصوتية
Summary
يمكن أن تعطل الاورام الحميدة أضعاف الصوتية ديناميات أضعاف الصوتية، وبالتالي يمكن أن يكون لها عواقب مدمرة على قدرة المريض على التواصل. يتم فحص فصل التدفق ثلاثي الأبعاد الناجم عن البوليب نموذج محمول على الحائط وتأثيره على تحميل ضغط الجدار باستخدام قياس جسيمات الصورة، وتصور خط الاحتكاك الجلد، وقياسات ضغط الجدار.
Abstract
تمت دراسة عملية تبادل الطاقة ذات الهيكل السائل للكلام العادي على نطاق واسع ، ولكنها ليست مفهومة جيدا للحالات المرضية. يمكن أن تعطل الاورام الحميدة والعقيدات ، وهي تشوهات هندسية تتشكل على السطح الوسطي للطيات الصوتية ، ديناميات الطي الصوتي وبالتالي يمكن أن يكون لها عواقب مدمرة على قدرة المريض على التواصل. أبلغ مختبرنا عن قياسات قياس معدل الجسيمات (PIV) ، ضمن تحقيق في نموذج متعدد الأضلاع يقع على السطح الوسطي لنموذج أضعاف صوتي مدفوع في المختبر ، والذي يظهر أن مثل هذا الشذوذ الهندسي يعطل إلى حد كبير سلوك النفاثة الجلوتال. هذا التكيف حقل التدفق هو سبب محتمل للتدهور الشديد للجودة الصوتية في المرضى الذين يعانون من الاورام الحميدة. من الضروري فهم أكثر اكتمالا لتشكيل وانتشار الهياكل الهضمية من نتوء هندسي ، مثل متعدد الأضلاع الصوتي ، والتأثير الناتج على التحميلات الهوائية التي تدفع ديناميكيات الطي الصوتي ، لتعزيز علاج هذه الحالة المرضية. ويتعلق هذا التحقيق بفصل التدفق ثلاثي الأبعاد الناجم عن نصف كروي برولات مثبت على الحائط بنسبة عرض إلى ارتفاع 2:1 في التدفق العرضي، أي نموذج بوليب أضعاف صوتية، باستخدام تقنية تصور فيلم النفط. يتم فحص فصل التدفق ثلاثي الأبعاد غير المستقر وتأثيره على تحميل ضغط الجدار باستخدام تصور خط احتكاك الجلد وقياسات ضغط الجدار.
Introduction
الطيات الصوتية هي شريطان من الأنسجة التي تمتد عبر مجرى الهواء الصوتي. يتم إنتاج الكلام المعرب عنه عندما يتم تحقيق ضغط الرئة الحرجة، مما اضطر الهواء من خلال طيات الصوتية adducted. تتكون الطيات الصوتية من طبقات عديدة من الأنسجة وغالبا ما يتم تمثيلها بنظام مبسط من طبقتين لتغطية الجسم1. المصفوفة خارج الخلية، والتي تشكل غالبية طبقة الغطاء، وتتكون من الكولاجين وألياف الإيلاستين، وتوفير خصائص الإجهاد الإجهاد غير الخطية، والتي هي مهمة للحركة السليمة للطيات الصوتية1،2. القوى الهوائية نقل الطاقة إلى أنسجة طيات الصوتية وتثير التذبذبات الذاتية3. كما تتذبذب طيات الصوتية، وفتح بينهما، ويشار إليها باسم glottis، يشكل فتحة متفاوتة زمنيا أن ينتقل من متقاربة إلى موحدة ومن ثم إلى مرور متباينة قبل إغلاق وتكرار دورة4،6. ترددات الاهتزاز للكلام العادي تمتد عادة 100-220 هرتز في الذكور والإناث على التوالي، وخلق حقل تدفق النابض الذي يمر عبر glottis7. وقد درست عملية تبادل الطاقة بنية السوائل للكلام العادي على نطاق واسع8-12; ومع ذلك ، فإن تعطيل هذه العملية لبعض الأمراض غير مفهوم جيدا. يمكن أن تؤدي الظروف المرضية للطيات الصوتية إلى تغييرات جذرية في ديناميكياتها وتؤثر على القدرة على توليد الكلام المعرب عنه.
الاورام الحميدة والعقيدات هي تشوهات هندسية تتشكل على السطح الوسطي للطيات الصوتية. هذه التشوهات يمكن أن تؤثر على قدرة المريض على التواصل13. ومع ذلك، إلا في الآونة الأخيرة قد اضطراب في مجال التدفق بسبب protuberance هندسية مثل ورم اعتبر14. وأظهرت تلك الدراسة أن عملية تبادل الطاقة “العادية” ذات الهيكل السائل للكلام قد تغيرت بشكل كبير، وأن تعديل مجال التدفق كان السبب الأكثر احتمالا للتدهور الشديد للجودة الصوتية لدى المرضى الذين يعانون من الاورام الحميدة والعقيدات. ولم يتم الانتهاء من فهم شامل لهياكل التدفق الناتجة عن فصل التدفق ثلاثي الأبعاد عن ورم في التدفق النابض. إن توليد وانتشار الهياكل الهضمية من ورم ، وتأثيرها اللاحق على التحميلات الهوائية التي تدفع ديناميكيات الطي الصوتي هو عنصر حاسم ضروري لتعزيز المعالجة الجراحية للاورام الحميدة في المرضى.
في حين تم التحقيق في فصل التدفق من جدار مثبت في نصف الكرة الأرضية في تدفق ثابت15-23، من المستغرب ، هناك القليل من المعلومات المتعلقة بفصل التدفق ثلاثي الأبعاد غير المستقر عن نصف الكرة الأرضية على جدار يخضع لظروف التدفق النابض أو غير المستقر كما هو موجود في الكلام. قدم العمل الأساسي ل Acarlar و Smith15 تحليلا للهياكل المتماسكة ثلاثية الأبعاد الناتجة عن التدفق المطرد فوق جدار مثبت في نصف الكرة الأرضية داخل طبقة حدود صفح. حدد أكارلار وسميث نوعين من الهياكل الهجائية. تشكلت دوامة حدوة حصان دائمة في المنبع من نتوء نصف الكرة الأرضية وامتدت إلى المصب من protuberance على كلا الجانبين. بالإضافة إلى ذلك ، تم إلقاء دوامات دبوس الشعر بشكل دوري من نصف الكرة الأرضية المثبت على الحائط في أعقابه. تم التحقيق في الحركة المعقدة والتقدم من دوامات دبوس الشعر ووصفها بالتفصيل.
وقد درس التدفق فوق تلة محورية محيطة بسلاسة في السابق حيث تم الحصول على كل من قياسات الضغط الثابت السطحي وتصور زيت السطح على ومصب النتوء داخل تدفق القص المضطرب. تقنيات النفط فيلم تمكين التصور من خطوط الاحتكاك الجلد، والمناطق عالية ومنخفضة السرعة، ونقاط الفصل والتعلق داخل تدفق السطح، ومفيدة للتحقيق في أعقاب كائن محمولة على الحائط. لهذه التقنية، سطح الاهتمام هو المغلفة مع فيلم رقيقة من النفط قاعدة ومسحوق الصباغ غرامة(أي lampblack، مسحوق الجرافيت، أو ثاني أكسيد التيتانيوم) خليط. في ظروف التدفق المطلوبة ، تتسبب القوى الاحتكاكية في تحرك الزيت على طول السطح مما يتسبب في ترسب مسحوق الصباغ في الشرائط. نقاط الحرجة أو التفرد، والمواقع التي يكون فيها الإجهاد القص هو صفر أو اثنين أو أكثر من مكونات السرعة المتوسطة هي صفر، يمكن تصنيفها من نمط خط الاحتكاك الجلد الناتجة كنقاط السرج أو نقاطالعقدة 24-26.
بالنسبة لهندسة التل ، لم يتم العثور على تفرد ناجم عن الانفصال في المنبع ؛ ويعزى هذا إلى كفاف تصاعدي بسلاسة من عثرة، والتي لم تولد الانحدار الضغط السلبي الذي يحدث مع بروتوبرانس نصف الكرة الأرضية. وبالتالي ، تم العثور على تدفق لتسريع حتى ذروة عثرة وبعد ذلك ، غير مستقر السرج التركيز نقاط الفصل وضعت بعد فترة وجيزة من خط الوسط عثرة ، كما هو متوقع من تشكيل دوامة دبوس الشعر2728. في دراسة باستخدام تقنيات تجريبية مماثلة مع هندسة مختلفة محمولة على الحائط ، وعرض تصور النفط فيلم حول مكعب محمولة على السطح في تدفق ثابت التي يؤديها مارتينوزي وS tropea29 خطين الاحتكاك الجلد واضحة المنبع من الكائن. يتوافق خط احتكاك الجلد الأول مع خط الفصل الأساسي الناجم عن تدرج الضغط السلبي وخط احتكاك الجلد الثاني الذي يمثل الموقع المتوسط زمنيا لدوامة حدوة الحصان. وأظهرت قياسات الضغط السطحي التي أجريت في المنبع من الجسم الحد الأدنى المحلي على طول خط دوامة حدوة الحصان والحد الأقصى للضغط المحلي بين الفصل الأساسي وخطوط دوامة حدوة الحصان. تتشكل خطوط فصل المنبع مماثلة مع غيرها من الأشكال الهندسية المثبتة على السطح بما في ذلك اسطوانة دائرية، الهرم، ومخروط29-31. عرض التصور السطحي المصب للكائنات المثبتة على الحائط عادة بؤرتين بسبب منطقة إعادة التدوير خلف الكائن30. يتم إنشاء دوامتين في مواقع بؤر وتتوافق مع “قوس من نوع” أو دوامة دبوس الشعر ينظر في أعقاب نصف الكرة الأرضية المثبتة على الحائط32.
وقد استخدمت سابقا velocimetry صورة الجسيمات (PIV) لدراسة تدفق المصب من نماذج أضعاف الصوتيةالاصطناعية 33-35. PIV هو تقنية التصور غير الباضعة التي تتدفق الصور حركة الجسيمات التتبع داخل طائرة في لالتقاط ديناميات السوائل الصدغية ملعقة36. وقد درست هياكل متماسكة ثلاثية الأبعاد التي تشكل المصب من طيات الصوتية المتذبذبة من قبل Neubauer وآخرون. 37; ولوحظ توليد الدوامة الحمل الحراري والرفرفة النفاثة. في الآونة الأخيرة، كريبس وآخرون. 38 درس ثلاثي الأبعاد للطائرة glottal باستخدام PIV مجسمة والنتائج تظهر تبديل محور النفاثة glottal. حقق إيراث وبلزنياك14 في تأثير نموذج بوليب أضعاف الصوتية على سطح وسيط من 7.5 مرات تحجيم متابعة نموذج أضعاف الصوتية مدفوعة ديناميكيا. تشكلت منطقة إعادة تدوير المصب من البوليب وتأثرت ديناميات النفاثة طوال الدورة الصوتية. الدراسات السابقة، باستثناء دراسة متعددة أضعاف الصوتية مدفوعة من قبل إيراث وبليسنياك14،لم تستكشف ديناميات السوائل الناجمة عن بوليب أضعاف الصوتية الوسيطة أو العقيدات.
من المهم فهم التأثير الديناميكي للسائل من البوليب النموذجي داخل حقول التدفق الثابتة والنبضية قبل تضمين التعقيد الإضافي للجدران المتحركة للطية الصوتية ، وتدرجات الضغط المستحثة ، والحجم الهندسي المحصور وغيرها من التعقيدات. ويركز العمل الحالي على توقيع هياكل التدفق على الجدار السفلي في ظل ظروف تدفق ثابتة وغير مستقرة على حد سواء. التفاعلات بين الهياكل vortical التي يتم تسليطها من نتوء وجدار المصب هو ذات أهمية كبيرة للتحقيق في الاورام الحميدة أضعاف الصوتية، فضلا عن الاعتبارات البيولوجية الأخرى، وهذه التفاعلات تثير استجابة بيولوجية.
Protocol
Representative Results
Discussion
فهم تشكيل وانتشار الهياكل vortical من protuberance هندسية وتأثيرها اللاحق على التحميلات الهوائية التي تدفع ديناميات أضعاف الصوتية، أمر ضروري لتوفير البصيرة والنماذج من أجل النهوض بمعالجة الاورام الحميدة أضعاف الصوتية والعقيدات. ومن المتوقع أن الاختلافات في التحميلات الهوائية الناجمة عن نموذج ب?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وتدعم هذا العمل المؤسسة الوطنية للعلوم، غرانت رقم CBET-1236351 ومركز GW للكيميائيات الحيوية والهندسة الحيوية (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 |
References
- Hirano, M., Kakita, Y. . Cover-body theory of vocal fold vibration. Speech science–recent advances. , 1-46 (1985).
- Gray, S. D., Titze, I. R., Alipour, F., Hammond, T. H. Biomechanical and histologic observations of vocal fold fibrous proteins. Ann. Otol. Rhinol. Laryngol. 109 (1), 77-85 (2000).
- Titze, I. R. The physics of small-amplitude oscillation of the vocal fold. J. Acoustic. Soc. Am. 83 (4), 1536-1552 (1988).
- Boessenecker, A., Berry, D. A., Lohscheller, J., Eysholdt, U., Döllinger, M. Mucosal wave properties of a human vocal fold. Acta Acustica. 93 (5), 815-823 (2007).
- Shaw, H. S., Deliyski, D. D. Mucosal wave: a normophonic study across visualization techniques. J. Voice. 22 (1), 23-33 (2008).
- Krausert, C. R., Olszewski, A. E., Taylor, L. N., McMurray, J. S., Dailey, S. H., Jiang, J. J. Mucosal wave measurement and visualization techniques. J. Voice. 25 (4), 395-405 (2010).
- Fant, G. Acoustic Theory of Speech Production. Mouton and Co. N. V.: The Hague. , 15-79 (1960).
- Wegel, R. L. Theory of vibration of the larynx. J. Acoustic. Soc. Am. 1, 1-21 (1930).
- Den Berg, J. V. a. n., Zantema, J. T., Doornenbal, P. On the air resistance and the Bernoulli effect of the human larynx. J. Acoustic. Soc. Am. 29 (5), 626-631 (1957).
- Scherer, R. C., Shinwari, D., De Witt, K. J., Zhang, C., Kucinschi, B. R., Afjeh, A. A. Intraglottal pressure profiles for a symmetric and oblique glottis with a divergence angle of 10 degrees. TJ. Acoustic. Soc. Am. 109 (4), 1616-1630 (2001).
- Thomson, S. L., Mongeau, L., Frankel, S. H. Aerodynamic transfer of energy to the vocal folds. TJ. Acoustic. Soc. Am. 118 (3), 1689-1700 (2005).
- Erath, B. D., Plesniak, M. W. An investigation of asymmetric flow features in a scaled-up driven model of the human vocal folds. Exp. Fluids. 49 (1), 131-146 (2010).
- Petrović-Lazić, M., Kosanović, R. Acoustic analysis findings in patients with vocal fold polyp. Acta Med. Saliniana. 38 (2), 63-66 (2009).
- Erath, B. D., Plesniak, M. W. Three-dimensional laryngeal flow fields induced by a model vocal fold polyp. Int. J. Heat Fluid Flow. 35, 93-101 (2012).
- Acarlar, M. S., Smith, C. R. A study of hairpin vortices in a laminar boundary layer. Part 1. Hairpin vortices generated by a hemisphere protuberance. J. Fluid Mech. 175, 1-41 (1987).
- Kawanisi, K., Maghrebi, M. F., Yokosi, S. An instantaneous 3-D analysis of turbulent flow in the wake of a hemisphere. Boundary-Layer Meteorol. 64, 1-14 (1992).
- Savory, E., Toy, N. Hemisphere and hemisphere-cylinders in turbulent boundary layers. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 23, 345-364 (1986).
- Tamai, N., Asaeda, T., Tanaka, N. Vortex structures around a hemispheric hump. Boundary-Layer Meteorol. 39, 301-314 (1987).
- Savory, E., Toy, N. The separated shear layers associated with hemispherical bodies in turbulent boyndary layers. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 28, 291-300 (1988).
- Ogawa, T., Nakayama, M., Murayama, S., Sasaki, Y. Characteristics of wind pressures on basic structures with curved surfaces and their response in turbulent flow. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 38, 427-438 (1991).
- Manhart, M., Wengle, H. Large-eddy simulation of turbulent bounday layer flow over a hemisphere. Direct and Large-Eddy Simulation I: Selected papers from the First ERCOFTAC Workshop on Direct and Large-Eddy Simulation. , 299-301 (1994).
- Manhart, M. Vortex shedding from a hemisphere in a turbulent boundary layer. Theor. Comp. Fluid Dyn. 12, 1-28 (1998).
- Meroney, R. N., Letchford, C. W., Sarkar, P. P. Comparison of numerical and wind tunnel simulation of wind loads on smooth, rough and dual domes immersed in a boundary layer. Wind Struct. 5 (2-4), 347-358 (2002).
- Hunt, J. C. R., Abell, C. J., Peterka, J. A., Woo, H. Kinematical studies of the flows around free or surface-mounted obstacles; applying topology to flow visualization. J. Fluid Mech. 86 (01), 179 (2006).
- Legendre, R. Lignes de courant d’un ecoulement permanent: decollement et separation. La Recherche Aérospatiale. 6, 327-335 (1977).
- Merzkirch, W. Visualization of Surface Flow. Flow Visual. , 82-89 (1987).
- Simpson, R. L., Long, C. H. H., Byun, G. Study of vortical separation from an axisymmetric hill. Int. J. Heat Fluid Flow. 23 (5), 582-591 (2002).
- Byun, G., Simpson, R. L. Surface-pressure fluctuations from separated flow over an axisymmetric bump. Am. Inst. Aeronaut. Astronaut. J. 48 (10), 2397-2405 (2010).
- Martinuzzi, R., Tropea, C. The flow around surface-mounted, prismatic obstacles placed in a fully developed channel flow. J. Fluids Eng. 115, 85-92 (1993).
- Rödiger, T., Knauss, H., Gaisbauer, U., Krämer, E. Pressure and heat flux measurements on the surface of a low-aspect-ratio circular cylinder mounted on a ground plate. New Results Num. Exp. Fluid Mech. VI. , 121-128 (2007).
- Martinuzzi, R., AbuOmar, M., Savory, E. Scaling of the wall pressure field around surface-mounted pyramids and other bluff bodies. J. Fluids Eng. 129, 1147-1156 (2007).
- Taniguchi, S., Sakamoto, H., Kiya, M., Arie, M. Time-averaged aerodynamic forces acting on a hemisphere immersed in a turbulent boundary. J. Wind Eng. Indust. Aerodyn. 9, 257-273 (1982).
- Triep, M., Brücker, C. Three-dimensional nature of the glottal jet. The Journal of the Acoustic. Soc. Am. 127 (3), 1537-1547 (2010).
- Khosla, S., Murugappan, S., Paniello, R., Ying, J., Gutmark, E. Role of vortices in voice production: normal versus asymmetric tension. Laryngoscope. 119 (1), 216-221 (2009).
- Drechsel, J. S., Thomson, S. L. Influence of supraglottal structures on the glottal jet exiting a two-layer synthetic, self-oscillating vocal fold model. The Journal of the Acoustical Society of America. 123 (6), 4434-4445 (2008).
- Raffel, M., Willert, C., Kompenhans, J. . Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , (1998).
- Neubauer, J., Zhang, Z., Miraghaie, R., Berry, D. A. Coherent structures of the near field flow in a self-oscillating physical model of the vocal folds. J. Acoustic. Soc. Am. 121 (2), 1102-1118 (2007).
- Krebs, F., Silva, F., Sciamarella, D., Artana, G. A three-dimensional study of the glottal jet. Exp. Fluids. 52 (5), 1133-1147 (2011).
- Adrian, R. J., Westerweel, J. . Particle image velocimetry. 30, (2010).
- Tobak, M., Peake, D. J. Topology of three-dimensional separated flows. Ann. Rev. Fluid Mech. 14, 61-85 (1982).
- Zhang, Y., Jiang, J. J. Asymmetric Spatiotemporal Chaos Induced by a Polypoid Mass in the Excised Canine Larynx. Chaos. 18, 43102 (2008).
- Délery, J. M., Jean, M. Delery Toward the elucidation of three-dimensional separation. Ann. Rev. Fluid Mech. 33, 129-154 (2001).
