Onderzoek naar de driedimensionale stroomscheiding geïnduceerd door een model vocal fold poliep

Summary

Vocal fold poliepen kunnen de vocale plooidynamiek verstoren en kunnen dus verwoestende gevolgen hebben voor het vermogen van een patiënt om te communiceren. Driedimensionale stromingsscheiding veroorzaakt door een aan de muur gemonteerde modelpoliep en de impact ervan op de belasting van de wanddruk worden onderzocht met behulp van deeltjesbeeld velocimetry, visualisatie van de huidwrijvingslijn en wanddrukmetingen.

Abstract

Het vloeistofstructuur energie-uitwisselingsproces voor normale spraak is uitgebreid bestudeerd, maar het is niet goed begrepen voor pathologische omstandigheden. Poliepen en knobbeltjes, geometrische afwijkingen die zich vormen op het mediale oppervlak van de stemplooien, kunnen de dynamiek van de vocale plooi verstoren en kunnen dus verwoestende gevolgen hebben voor het vermogen van een patiënt om te communiceren. Ons laboratorium heeft deeltjesbeeld velocimetry (PIV) metingen gerapporteerd, binnen een onderzoek van een modelpoliep op het mediale oppervlak van een in vitro aangedreven vocal fold model, waaruit blijkt dat een dergelijke geometrische afwijking het glottal jet gedrag aanzienlijk verstoort. Deze aanpassing van het stroomveld is een waarschijnlijke reden voor de ernstige afbraak van de vocale kwaliteit bij patiënten met poliepen. Een vollediger begrip van de vorming en voortplanting van vortical structuren van een geometrische uitsteeksel, zoals een vocale vouwpoliep, en de resulterende invloed op de aerodynamische belasting die de vocale vouwdynamiek aandrijft, is noodzakelijk voor het bevorderen van de behandeling van deze pathologische aandoening. Het onderhavige onderzoek heeft betrekking op de driedimensionale stromingsscheiding veroorzaakt door een aan de muur gemonteerde prolaathemisferoïde met een beeldverhouding van 2:1 in dwarsstroom, d.w.z. een model vocal fold polyp, met behulp van een oliefilmvisualisatietechniek. Onvaste, driedimensionale stromingsscheiding en de impact ervan op de belasting van de wanddruk worden onderzocht met behulp van visualisatie van de huidwrijvingslijn en wanddrukmetingen.

Introduction

De vocale plooien zijn twee banden weefsel die zich uitstrekken over de vocale luchtweg. Stem spraak wordt geproduceerd wanneer een kritische longdruk wordt bereikt, waardoor lucht door adducted vocal folds wordt gedwongen. De vocale plooien bestaan uit vele lagen weefsel en worden vaak vertegenwoordigd door een vereenvoudigd tweelaags body-cover systeem¹. De extracellulaire matrix, die het grootste deel van de dekkingslaag vormt, bestaat uit collageen- en elastinevezels, die niet-lineaire stress-stamkenmerken bieden, die belangrijk zijn voor de juiste beweging van de stemplooien^1,2. Aerodynamische krachten geven energie aan het weefsel van de stemplooien en wekken zelfvoorzienende oscillaties op³. Terwijl de vocale plooien oscilleren, vormt de opening ertussen, de glottis genoemd, een tijdelijk variërende opening die overgaat van een convergent naar een uniform en vervolgens naar een divergente passage voordat de cyclus^4,6wordt gesloten en herhaald. Trillingsfrequenties voor normale spraak omvatten meestal respectievelijk 100-220 Hz bij mannen en vrouwen, waardoor een pulsatile stromingsveld ontstaat dat door de glottis⁷gaat. Het vloeistofstructuur energie-uitwisselingsproces voor normale spraak is uitgebreid bestudeerd^8-12; de verstoring van dit proces voor sommige pathologieën is echter niet goed begrepen. Pathologische omstandigheden van de stemplooien kunnen leiden tot dramatische veranderingen in hun dynamiek en het vermogen om spraak te genereren beïnvloeden.

Poliepen en knobbeltjes zijn geometrische afwijkingen die zich vormen op het mediale oppervlak van de stemplooien. Deze afwijkingen kunnen van invloed zijn op het vermogen van een patiënt om te communiceren¹³. Niettemin is pas onlangs de verstoring van het stroomveld als gevolg van een geometrische uitsteeksel zoals een poliep beschouwd als¹⁴. Die studie toonde aan dat het “normale” energie-uitwisselingsproces van de vloeistofstructuur van spraak drastisch werd gewijzigd en dat de wijziging van het stroomveld de meest waarschijnlijke reden was voor de ernstige verslechtering van de vocale kwaliteit bij patiënten met poliepen en knobbeltjes. Er is geen volledig begrip van de stromingsstructuren die worden geproduceerd door driedimensionale stroomscheiding van een poliep in pulsatile stroom. Het genereren en vermeerderen van vortical structuren van een poliep, en hun daaropvolgende impact op de aerodynamische belastingen die vocale vouwdynamiek aandrijven, is een noodzakelijk cruciaal onderdeel om chirurgische sanering van poliepen bij patiënten te bevorderen.

Terwijl de stroomscheiding van een aan de muur gemonteerde hemisferoïde in constante stroom is onderzocht^15-23, verrassend genoeg is er weinig informatie over onvaste driedimensionale stroomscheiding van een hemisferoïde op een muur die onderhevig is aan pulsatile of onvaste stroomomstandigheden zoals te vinden in spraak. Het baanbrekende werk van Acarlar en Smith¹⁵ leverde een analyse op van de driedimensionale coherente structuren die werden gegenereerd door een gestage stroom over een aan de muur gemonteerde hemisferoïde binnen een laminaire grenslaag. Acarlar en Smith identificeerden twee soorten vortical structuren. Een staande hoefijzer vortex werd gevormd stroomopwaarts van de hemisferoïde uitsteeksel en uitgebreid stroomafwaarts van de uitsteeksel aan weerszijden. Bovendien werden haarspeldwervels periodiek van de aan de muur gemonteerde hemisferoïde in het kielzog geworpen. De complexe beweging en progressie van de haarspeldwervels werd onderzocht en in detail beschreven.

Flow over een glad gevormde asymmetrische heuvel is eerder bestudeerd waarbij zowel oppervlaktestatische drukmetingen als oppervlakteolievisualisatie werden verkregen op en stroomafwaarts van de hobbel binnen een turbulente afschuifstroom. Oliefilmtechnieken maken de visualisatie van huidwrijvingslijnen, gebieden met hoge en lage snelheid en scheidings- en bevestigingspunten binnen een oppervlaktestroom mogelijk en zijn nuttig om het kielzog van een aan de muur gemonteerd object te onderzoeken. Voor deze techniek is het oppervlak van belang bedekt met een dunne film van een oliebasis en fijn poederpigment(d.w.z. lampblack, grafietpoeder of titaandioxide) mengsel. Bij de gewenste stromingsomstandigheden zorgen wrijvingskrachten ervoor dat de olie langs het oppervlak beweegt, waardoor het pigmentpoeder in strepen wordt afgezet. Kritische of singulariteitspunten, locaties waar de afschuifspanning nul of twee of meer componenten van de gemiddelde snelheid is, kunnen worden geclassificeerd uit het resulterende huidwrijvingslijnpatroon als zadelpunten of nodale punten^24-26.

Voor de heuvelgeometrie werd stroomopwaarts geen singulariteit gevonden die door scheiding werd veroorzaakt; dit werd toegeschreven aan de soepel stijgende contour van de bult, die niet de ongunstige drukgradiënt genereert die optreedt met een hemisferoïde uitsteeksel. Bijgevolg bleek de stroom te versnellen tot het toppunt van de bult waarna, onvaste zadelfocusscheidingspunten zich kort voorbij de middellijn van de bult ontwikkelden, zoals te verwachten was van de vorming van een haarspeldkolk^{vortex 27,28}. In een studie met vergelijkbare experimentele technieken met een andere wandgeometrie toonde oliefilmvisualisatie rond een op het oppervlak gemonteerde kubus in steady flow uitgevoerd door Martinuzzi en^{Tropea 29} twee duidelijke huidwrijvingslijnen stroomopwaarts van het object. De eerste huidwrijvingslijn correspondeerde met de primaire scheidingslijn veroorzaakt door de ongunstige drukgradiënt en de tweede huidwrijvingslijn markeerde de tijdgemiddelde locatie van de hoefijzer vortex. Oppervlaktedrukmetingen die stroomopwaarts van het object werden uitgevoerd, toonden een lokaal minimum langs de hoefijzerkolklijn en een lokaal drukmaximum tussen de primaire scheiding en hoefijzerkolklijnen. Vergelijkbare stroomopwaartse scheidingslijnen worden gevormd met andere opbouwgeometrieën, waaronder een cirkelvormige cilinder, piramide en kegel^29-31. Oppervlaktevisualisatie stroomafwaarts van aan de muur gemonteerde objecten geeft meestal twee foci weer die worden veroorzaakt door het recirculatiegebied achter het object³⁰. Twee wervels worden gegenereerd op de foci posities en komen overeen met de “arch-type” of haarspeld vortex gezien in het kielzog van een aan de muur gemonteerde hemisferoïde³².

Deeltjesbeeld velocimetry (PIV) is eerder gebruikt om de stroom stroomafwaarts van synthetische vocal fold modellen^33-35te bestuderen. PIV is een niet-invasieve visualisatietechniek waarbij beelden de deeltjesbeweging van tracerdeeltjes in een vlak laten stromen om spatio-temporele vloeistofdynamica vast te leggen^36. Driedimensionale coherente structuren die zich stroomafwaarts van de oscillerende stemplooien vormen, zijn bestudeerd door Neubauer et al. ³⁷; vortexgeneratie en convectie en jet flapperen werden waargenomen. Onlangs, Krebs et al. ³⁸ bestudeerde de driedimensionaliteit van de glottale straal met behulp van stereoscopische PIV en de resultaten tonen glottal jet as schakelen aan. Erath en Plesniak¹⁴ onderzochten het effect van een model vocal fold polyp op het mediale oppervlak van een 7,5 keer opgeschaald dynamisch aangedreven vocal fold model. Een recirculatiegebied werd gevormd stroomafwaarts van de poliep en de straaldynamiek werd beïnvloed tijdens de fonatory cyclus. De vorige studies, afgezien van de gedreven vocal fold polyp studie door Erath en Plesniak¹⁴, hebben de vloeistofdynamiek veroorzaakt door een mediale vocale plooipoliep of knobbel niet onderzocht.

Het is belangrijk om het vloeistofdynamische effect van de modelpoliep binnen stabiele en pulsatile stroomvelden te begrijpen voordat de extra complexiteit van de bewegende wanden van de vocale vouw, geïnduceerde drukgradiënten, beperkt geometrisch volume en andere fijne kneepjes worden opbegrepen. Het huidige werk richt zich op de signatuur van de stromingsstructuren op de stroomafwaartse muur onder zowel stabiele als wankele stromingsomstandigheden. De interacties tussen de vortical structuren die van een uitsteeksel en de stroomafwaartse muur worden afgeworpen, zijn van groot belang voor het onderzoek van vocale plooipoliepen en andere biologische overwegingen, omdat deze interacties een biologische reactie oproepen.

Protocol

In dit werk wordt een aan de muur gemonteerde prolaathemisferoïde, d.w.z. een model vocal fold poliep, geplaatst op de testsectievloer van een windtunnel van het zuigtype met een samentrekkingsverhouding van 5:1. Onvaste, driedimensionale stromingsscheiding en het effect ervan op de belasting van de wanddruk worden onderzocht met behulp van oliestroomvisualisatie, wanddrukmetingen en de velocimetry van deeltjesbeeld. De wankele drukmetingen worden verkregen met behulp van een zestienkanaals scanning drukomvorme…

Representative Results

Eerder werk met behulp van een 7,5 keer opgeschaald dynamisch aangedreven vocal fold model heeft aangetoond dat de aanwezigheid van een geometrische uitsteeksel, model vocal fold polyp, de normale dynamiek van de glottal jet gedurende de fonatory cyclus verstoort. Representatieve resultaten van de vorige studie van het vocal fold-model worden weergegeven in figuur 2 en video 2. De video toont de beweging van de aangedreven vocale plooien terwijl ze veranderen van een convergent naar een …

Discussion

Inzicht in de vorming en voortplanting van vorticale structuren vanuit een geometrische uitsteeksel en hun daaropvolgende effect op de aerodynamische belasting die de vocale vouwdynamiek aandrijft, is noodzakelijk om inzicht en modellen te bieden om de behandeling van vocale plooipoliepen en knobbeltjes te bevorderen. De variaties in aerodynamische belastingen veroorzaakt door de modelpoliep in dit experiment zullen naar verwachting bijdragen aan onregelmatige vocale plooidynamiek waargenomen bij patiënten met poliepen<…

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