Investigare la separazione tridimensionale del flusso indotta da un modello di polipo piega vocale

Summary

I polipi di piega vocale possono interrompere la dinamica della piega vocale e quindi possono avere conseguenze devastanti sulla capacità di comunicazione di un paziente. La separazione tridimensionale del flusso indotta da un polipo modello montato a parete e il suo impatto sul carico della pressione della parete vengono esaminati utilizzando la velocimetria dell’immagine delle particelle, la visualizzazione della linea di attrito della pelle e le misurazioni della pressione della parete.

Abstract

Il processo di scambio energetico della struttura dei fluidi per il linguaggio normale è stato studiato ampiamente, ma non è ben compreso per le condizioni patologiche. Polipi e noduli, che sono anomalie geometriche che si formano sulla superficie mediale delle pieghe vocali, possono interrompere la dinamica della piega vocale e quindi possono avere conseguenze devastanti sulla capacità di comunicazione di un paziente. Il nostro laboratorio ha riportato misurazioni della velocimetria delle immagini delle particelle (PIV), nell’ambito di un’indagine su un polipo modello situato sulla superficie mediale di un modello di piega vocale guidato in vitro, che mostrano che una tale anomalia geometrica interrompe notevolmente il comportamento del getto gngolato. Questa regolazione del campo di flusso è una probabile ragione per la grave degradazione della qualità vocale nei pazienti con polipi. Una comprensione più completa della formazione e della propagazione delle strutture vortiche da una protuberanza geometrica, come un polipo di piega vocale, e la conseguente influenza sui carichi aerodinamici che guidano la dinamica della piega vocale, è necessaria per far avanzare il trattamento di questa condizione patologica. La presente indagine riguarda la separazione tridimensionale del flusso indotta da un emisferoide prolato montato a parete con un rapporto di aspetto 2:1 nel flusso incrociato, cioè un modello di polipo di piega vocale, utilizzando una tecnica di visualizzazione a film d’olio. La separazione del flusso tridimensionale instabile e il suo impatto del carico della pressione della parete vengono esaminati utilizzando la visualizzazione della linea di attrito cutaneo e le misurazioni della pressione della parete.

Introduction

Le pieghe vocali sono due bande di tessuto che si estendono attraverso le vie aeree vocali. Il linguaggio sonoro viene prodotto quando si ottiene una pressione polmonare critica, forzando l’aria attraverso pieghe vocali addotte. Le pieghe vocali sono composte da molti strati di tessuto e sono spesso rappresentate da un sistema semplificato di copertura corporea a due strati¹. La matrice extracellulare, che costituisce la maggior parte dello strato di copertura, è composta da fibre di collagene ed elastina, fornendo caratteristiche di stress-deformazione non lineari, che sono importanti per il corretto movimento delle pieghe vocali^1,2. Le forze aerodinamiche conferiscono energia al tessuto delle pieghe vocali ed eccitano oscillazioni autosostenute³. Quando le pieghe vocali oscillano, l’apertura tra di esse, indicata come glottide, forma un orifizio che varia temporaneamente che passa da un convergente a un uniforme e quindi a un passaggio divergente prima di chiudere e ripetere il^{ciclo 4,6}. Le frequenze di vibrazione per il linguaggio normale in genere si estendono rispettivamente a 100-220 Hz nei maschi e nelle femmine, creando un campo di flusso pulsatile che passa attraverso la glottide⁷. Il processo di scambio energetico a struttura fluida per il linguaggio normale è stato ampiamente^{studiato 8-12;} tuttavia, l’interruzione di questo processo per alcune patologie non è ben compresa. Le condizioni patologiche delle pieghe vocali possono portare a cambiamenti drammatici nelle loro dinamiche e influenzare la capacità di generare la parola sonora.

Polipi e noduli sono anomalie geometriche che si formano sulla superficie mediale delle pieghe vocali. Queste anomalie possono influire sulla capacità di comunicazione di un paziente¹³. Tuttavia, solo di recente l’interruzione del campo di flusso a causa di una protuberanza geometrica come un polipo è stata^{considerata 14}. Lo studio ha dimostrato che il “normale” processo di scambio energetico della struttura del fluido del linguaggio è stato drasticamente alterato e che la modifica del campo di flusso era la ragione più probabile della grave degradazione della qualità vocale nei pazienti con polipi e noduli. Non è stata stabilita alcuna comprensione completa delle strutture di flusso prodotte dalla separazione tridimensionale del flusso da un polipo nel flusso pulsatile. La generazione e la propagazione di strutture vortiche da un polipo, e il loro successivo impatto sui carichi aerodinamici che guidano la dinamica della piega vocale è una componente critica necessaria per far progredire la correzione chirurgica dei polipi nei pazienti.

Mentre la separazione del flusso da un emisferoide montato a parete in flusso costante è stata^{studiata 15-23}, sorprendentemente, ci sono poche informazioni riguardanti la separazione del flusso tridimensionale instabile da un emisferoide su una parete soggetta a condizioni di flusso pulsatili o instabili come si trovano nel discorso. Il lavoro seminale di Acarlar e Smith^{15 fornì} un’analisi delle strutture coerenti tridimensionali generate dal flusso costante su un emisferoide montato a parete all’interno di uno strato limite laminare. Acarlar e Smith identificare due tipi di strutture vorticali. Un vortice a ferro di cavallo in piedi fu formato a monte della protuberanza emisferica e si estese a valle della protuberanza su entrambi i lati. Inoltre, i vortici di forcine venivano periodicamente gettati dall’emisferoide montato a parete sulla scia. Il complesso movimento e la progressione dei vortici a tornanti sono stati studiati e descritti in dettaglio.

Il flusso su una collina assimmetrica sagomata senza intoppi è stato precedentemente studiato in cui sia le misurazioni della pressione statica superficiale che la visualizzazione dell’olio superficiale sono state acquisite su e a valle dell’urto all’interno di un flusso di taglio turbolento. Le tecniche oil-film consentono la visualizzazione delle linee di attrito cutaneo, delle regioni ad alta e bassa velocità e dei punti di separazione e attacco all’interno di un flusso superficiale e sono utili per indagare la scia di un oggetto montato a parete. Per questa tecnica, la superficie di interesse è rivestita con un sottile film di una miscela di based’olio e pigmento di polvere fine (ad esempio lampblack, polvere di grafite o biossido di titanio). Alle condizioni di flusso desiderate, le forze di attrito fanno sì che l’olio si muova lungo la superficie causando il deposito della polvere di pigmento in striature. I punti critici o singolari, luoghi in cui la sollecitazione di taglio è zero o due o più componenti della velocità media sono zero, possono essere classificati dal modello di linea di attrito cutaneo risultante come punti di sella o punti^{nodali 24-26}.

Per la geometria della collina, nessuna singolarità causata dalla separazione è stata trovata a monte; questo è stato attribuito al contorno uniformemente crescente dell’urto, che non ha generato il gradiente di pressione avverso che si verifica con una protuberanza emisferica. Di conseguenza, il flusso è stato trovato per accelerare fino all’apice dell’urto dopo di che, i punti di separazione sella-messa a fuoco instazzati si sono sviluppati poco dopo l’altura dell’urto, come ci si aspetterebbe dalla formazione di un vortice di^{forcine 27,28}. In uno studio che utilizza tecniche sperimentali simili con una diversa geometria montata a parete, la visualizzazione della pellicola ad olio attorno a un cubo montato sulla superficie in flusso costante eseguito da Martinuzzi e Tropea^{29 mostrava} due linee chiare di attrito della pelle a monte dell’oggetto. La prima linea di attrito cutaneo corrispondeva alla linea di separazione primaria causata dal gradiente di pressione avverso e la seconda linea di attrito cutaneo segnava la posizione media nel tempo del vortice a ferro di cavallo. Le misurazioni della pressione superficiale eseguite a monte dell’oggetto hanno mostrato un minimo locale lungo la linea del vortice a ferro di cavallo e una pressione locale massima tra la separazione primaria e le linee del vortice a ferro di cavallo. Simili linee di separazione a monte si formano con altre geometrie montate sulla superficie tra cui un cilindro circolare, una piramide e un cono^29-31. La visualizzazione della superficie a valle degli oggetti montati a parete in genere visualizza due fuochi causati dalla regione di ricircolo dietro l’oggetto³⁰. Due vortici sono generati nelle posizioni dei fuochi e corrispondono al vortice “ad arco” o a forno visto sulla scia di un emisferoide montato a parete³².

La velocimetria delle immagini di particelle (PIV) è stata precedentemente utilizzata per studiare il flusso a valle dei modelli di piega vocale^{sintetica 33-35}. PIV è una tecnica di visualizzazione non invasiva in cui le immagini scorrono il movimento delle particelle traccianti all’interno di un piano per catturare la fluidodinamica spazio-temporale^36. Strutture coerenti tridimensionali che si formano a valle delle pieghe vocali oscillanti sono state studiate da Neubauer et al. ^{37 ;} generazione di vortici e convezione e sbattere a getto. Recentemente, Krebs et al. ^{38 ha} studiato la tridimensionalità del getto ggonale utilizzando PIV stereoscopico e i risultati dimostrano la commutazione dell’asse del getto ggonale. Erath e Plesniak^{14 hanno} studiato l’effetto di un modello di polipo piega vocale sulla superficie mediale di un modello di piega vocale scalato dinamicamente 7,5 volte. Una regione di ricircolo si è formata a valle del polipo e la dinamica del getto è stata influenzata durante tutto il ciclo fonolatorio. Gli studi precedenti, a meno dello studio guidato del polipo a piega vocale di Erath e Plesniak^14,non hanno esplorato la fluidodinamica indotta da un polipo o nodulo mediale di piega vocale.

È importante comprendere l’effetto fluidodinamico del polipo modello all’interno di campi di flusso stazionari e pulsatili prima di includere l’ulteriore complessità delle pareti mobili della piega vocale, i gradienti di pressione indotti, il volume geometrico confinato e altre complessità. Il lavoro attuale si concentra sulla firma delle strutture di flusso sulla parete a valle in condizioni di flusso sia stazionarie che instanzate. Le interazioni tra le strutture vortiche che vengono liberate da una sporgenza e la parete a valle sono di grande interesse per l’indagine dei polipi di piega vocale e altre considerazioni biologiche, poiché queste interazioni suscitano una risposta biologica.

Protocol

In questo lavoro, un emisferoide prolato montato a parete, cioè un polipo a piega vocale modello, è posizionato sul pavimento della sezione di prova di una galleria del vento di tipo aspirazione con un rapporto di contrazione 5:1. La separazione del flusso tridimensionale instabile e il suo effetto sul carico di pressione della parete vengono studiati utilizzando la visualizzazione del flusso dell’olio, le misurazioni della pressione delle pareti e la velocimetria delle immagini delle particelle. Le misurazion…

Representative Results

Lavori precedenti che utilizzavano un modello di piega vocale scalato dinamicamente 7,5 volte ha dimostrato che la presenza di una protuberanza geometrica, modella il polipo di piega vocale, interrompe la normale dinamica del getto gngolato durante tutto il ciclo fonatore. I risultati rappresentativi dello studio del modello di piega vocale guidato in seguito sono visualizzati nella figura 2 e nel video 2. Il video mostra il movimento delle pieghe vocali guidate mentre cambiano da una ge…

Discussion

Comprendere la formazione e la propagazione delle strutture vortiche da una protuberanza geometrica e il loro successivo effetto sui carichi aerodinamici che guidano la dinamica della piega vocale, è necessario per fornire informazioni e modelli al fine di far avanzare il trattamento di polipi e noduli di piega vocale. Le variazioni nei carichi aerodinamici causate dal polipo modello in questo esperimento dovrebbero contribuire alla dinamica irregolare della piega vocale osservata nei pazienti con polipi^13,41…

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