Undersøke den tredimensjonale flytseparasjonen indusert av en modellvokalfold polypp

Summary

Stemmefoldpolypper kan forstyrre vokalfolddynamikken og kan dermed få ødeleggende konsekvenser for pasientens evne til å kommunisere. Tredimensjonal strømningsseparasjon indusert av en veggmontert modellpolyp og dens innvirkning på veggtrykkbelastningen undersøkes ved hjelp av partikkelbilde velocimetry, hudfriksjonslinjevisualisering og veggtrykkmålinger.

Abstract

Væskestrukturens energiutvekslingsprosess for normal tale har blitt studert mye, men det er ikke godt forstått for patologiske forhold. Polypper og knuter, som er geometriske abnormiteter som dannes på medialoverflaten av vokalfoldene, kan forstyrre vokalfolddynamikken og dermed kan ha ødeleggende konsekvenser for pasientens evne til å kommunisere. Vårt laboratorium har rapportert partikkelbilde velocimetry (PIV) målinger, i en undersøkelse av en modell polyp plassert på medial overflaten av en in vitro drevet vokal fold modell, som viser at en slik geometrisk abnormitet betydelig forstyrrer glottal jet oppførsel. Denne strømningsfeltjusteringen er en sannsynlig årsak til alvorlig nedbrytning av vokalkvaliteten hos pasienter med polypper. En mer fullstendig forståelse av dannelsen og forplantningen av vortiske strukturer fra en geometrisk fremspring, for eksempel en vokalfoldpolypp, og den resulterende innflytelsen på de aerodynamiske belastningene som driver vokalfolddynamikken, er nødvendig for å fremme behandlingen av denne patologiske tilstanden. Den nåværende undersøkelsen gjelder den tredimensjonale strømningsseparasjonen indusert av en veggmontert prolate hemispheroid med et 2: 1-størrelsesforhold i kryssstrøm, det vil si en modellvokalfoldpolypp, ved hjelp av en oljefilmvisualiseringsteknikk. Ustabil, tredimensjonal strømningsseparasjon og dens innvirkning av veggtrykkbelastningen undersøkes ved hjelp av hudfriksjonslinjevisualisering og veggtrykkmålinger.

Introduction

Vokalfoldene er to vevsbånd som strekker seg over vokalluftveien. Stemt tale produseres når et kritisk lungetrykk oppnås, og tvinger luft gjennom tilstøtende vokalfolder. Vokalfoldene består av mange lag med vev og er ofte representert av et forenklet tolags kroppsdekselsystem¹. Den ekstracellulære matrisen, som utgjør mesteparten av dekklaget, består av kollagen- og elastinfibre, og gir ikke-lineære stressstammeegenskaper, som er viktige for riktig bevegelse av vokalfoldene^1,2. Aerodynamiske krefter gir energi til vevet i vokalfoldene og begeistrer selvforsynte svingninger³. Når vokalen bretter oscillate, danner åpningen mellom dem, referert til som glottis, en temporally varierende åpning som går fra en konvergent til en uniform og deretter til en divergerende passasje før du lukker og gjentar syklusen^4,6. Frekvenser av vibrasjon for normal tale spenner vanligvis over 100-220 Hz hos henholdsvis menn og kvinner, og skaper et pulsatile strømningsfelt som passerer gjennom glottis⁷. Væskestrukturen energiutvekslingsprosess for normal tale har blitt studert mye^8-12; Imidlertid er forstyrrelsen av denne prosessen for noen patologier ikke godt forstått. Patologiske forhold i vokalfoldene kan føre til dramatiske endringer i dynamikken og påvirke evnen til å generere tale.

Polypper og knuter er geometriske abnormiteter som dannes på medialoverflaten av vokalfoldene. Disse abnormitetene kan påvirke pasientens evne til å kommunisere¹³. Likevel har bare nylig forstyrrelsen av strømningsfeltet på grunn av en geometrisk fremspring som en polypp blitt ansett som¹⁴. Denne studien viste at den “normale” energiutvekslingsprosessen for væskestruktur ble drastisk endret, og at modifikasjonen av strømningsfeltet var den mest sannsynlige årsaken til alvorlig nedbrytning av vokalkvalitet hos pasienter med polypper og knuter. Det er ikke etablert noen omfattende forståelse av strømningskonstruksjonene som produseres ved tredimensjonal strømningsseparasjon fra en polypp i pulsatolstrøm. Generering og forplantning av vortiske strukturer fra en polypp, og deres påfølgende innvirkning på de aerodynamiske belastningene som driver vokalfolddynamikk, er en nødvendig kritisk komponent for å fremme kirurgisk utbedring av polypper hos pasienter.

Mens strømningsseparasjon fra en veggmontert halvkuleformet i jevn strømning har blitt undersøkt^15-23, overraskende nok er det lite informasjon om ustabil tredimensjonal strømningsseparasjon fra en halvkuleformet på en vegg utsatt for pulsatile eller ustabile strømningsforhold som finnes i tale. Det banebrytende arbeidet til Acarlar og Smith¹⁵ ga en analyse av de tredimensjonale sammenhengende strukturene generert av jevn strømning over en veggmontert halvkuleformet innenfor et laminært grenselag. Akarlar og Smith identifiserte to typer vortiske strukturer. En stående hesteskovirvel ble dannet oppstrøms for hemisfæroid-fremspringet og utvidet nedstrøms for fremspringet på hver side. I tillegg ble hårnålsvortices kastet periodisk fra den veggmonterte halvkuleoiden i kjølvannet. Den komplekse bevegelsen og progresjonen av hårnålsvortices ble undersøkt og beskrevet i detalj.

Strømning over en jevnt konturert aksisymmetrisk ås har tidligere blitt studert der både overflatestatiske trykkmålinger og overflateoljevisualisering ble oppnådd på og nedstrøms av støtet i en turbulent skjærstrøm. Oljefilmteknikker muliggjør visualisering av hudfriksjonslinjer, områder med høy og lav hastighet og separasjons- og festepunkter i en overflatestrøm, og er nyttige for å undersøke kjølvannet av et veggmontert objekt. For denne teknikken er overflaten av interesse belagt med en tynn film av en oljebase og fint pulverpigment (dvs. lampblack, grafittpulver eller titandioksid) blanding. Ved de ønskede strømningsforholdene fører friksjonskrefter til at oljen beveger seg langs overflaten, noe som fører til at pigmentpulveret deponeres i striper. Kritiske eller singularitetspunkter, steder der skjærspenningen er null eller to eller flere komponenter av gjennomsnittlig hastighet er null, kan klassifiseres fra det resulterende hudfriksjonslinjemønsteret som salpunkter eller nodalpunkter^24-26.

For åsgeometrien ble det ikke funnet singularitet forårsaket av separasjon oppstrøms; Dette ble tilskrevet den jevnt stigende konturen av støtet, som ikke genererte den negative trykkgradienten som oppstår med en halvkuleformet fremspring. Følgelig ble strømmen funnet å akselerere til toppen av støtet, hvoretter ustabile sadelfokus separasjonspunkter utviklet seg kort tid forbi bump-midtlinjen, som forventet fra dannelsen av en hårnålvirvel^27,28. I en studie som brukte lignende eksperimentelle teknikker med en annen veggmontert geometri, viste oljefilmvisualisering rundt en overflatemontert kube i jevn strømning utført av Martinuzzi og Tropea²⁹ to klare hudfriksjonslinjer oppstrøms for objektet. Den første hudfriksjonslinjen korresponderte med den primære separasjonslinjen forårsaket av den negative trykkgradienten og den andre hudfriksjonslinjen markerte den tidsgjennomsnittte plasseringen av hesteskovirvelen. Overflatetrykkmålinger utført oppstrøms for objektet viste et lokalt minimum langs hesteskovirvellinjen og et lokalt trykk maksimalt mellom de primære separasjons- og hesteskovirvellinjene. Lignende oppstrøms separasjonslinjer dannes med andre overflatemonterte geometrier, inkludert en sirkulær sylinder, pyramide og kjegle^29-31. Overflatevisualisering nedstrøms for veggmonterte objekter viser vanligvis to foci forårsaket av resirkuleringsområdet bak objektet³⁰. To vortices genereres i foci-posisjonene og tilsvarer “arch-type” eller hårnålvirvel sett i kjølvannet av en veggmontert hemisfæroid³².

Partikkelbilde velocimetry (PIV) har tidligere blitt brukt til å studere strømmen nedstrøms syntetiske vokalfoldmodeller^33-35. PIV er en ikke-invasiv visualiseringsteknikk som bilder flyter sporstoffpartikkelbevegelse i et plan på for å fange romlig-temporal væskedynamikk^36. Tredimensjonale sammenhengende strukturer som dannes nedstrøms for de oscillerende vokalfoldene har blitt studert av Neubauer et al. ³⁷; vortexgenerering og konveksjon og jet flapping ble observert. Nylig, Krebs et al. ³⁸ studerte tredimensjonaliteten til glottalstrålen ved hjelp av stereoskopisk PIV, og resultatene viser glottal jetakseveksling. Erath og Plesniak¹⁴ undersøkte effekten av en modellvokalfoldpolypp på medialoverflaten til en 7,5 ganger skalert opp dynamisk drevet vokalfoldmodell. En resirkuleringsregion ble dannet nedstrøms for polyppen og jetdynamikken ble påvirket gjennom hele phonatory syklusen. De tidligere studiene, som forbyr den drevne vokalfoldpolyppstudien av Erath og Plesniak¹⁴, har ikke utforsket væskedynamikken indusert av en medial vokalfold polypp eller knute.

Det er viktig å forstå den flytende dynamiske effekten av modellens polypp innenfor stabile og pulsatile strømningsfelt før du inkluderer den ekstra kompleksiteten til vokalfoldens bevegelige vegger, induserte trykkgradienter, begrenset geometrisk volum og andre vanskeligheter. Det nåværende arbeidet fokuserer på signaturen til strømningsstrukturene på nedstrømsveggen under både stabile og ustabile strømningsforhold. Samspillet mellom de virveliske strukturene som kastes fra et fremspring og nedstrømsveggen er av stor interesse for undersøkelse av vokalfoldpolypper så vel som andre biologiske hensyn, da disse interaksjonene fremkaller en biologisk respons.

Protocol

I dette arbeidet er en veggmontert prolate hemispheroid, det vil si en modellvokalfoldpolypp, plassert på testseksjonen i en sugetype vindtunnel med et 5: 1 sammentrekningsforhold. Ustabil, tredimensjonal strømningsseparasjon og dens effekt på veggtrykkbelastningen undersøkes ved hjelp av oljestrømningsvisualisering, veggtrykkmålinger og partikkelbildehastighet. De ustabile trykkmålingene oppnås ved hjelp av en sekstenkanals skannetrykktransduser med piezoresistive trykksensorer. Trykksensorene har en fr…

Representative Results

Tidligere arbeid med en 7,5 ganger skalert opp dynamisk drevet vokalfoldmodell har vist at tilstedeværelsen av en geometrisk fremspring, modellvokalfoldpolyp, forstyrrer den normale dynamikken i glottalstrålen gjennom hele phonatory-syklusen. Representative resultater fra den forrige drevne modellstudien for vokalfold vises i figur 2 og video 2. Videoen demonstrerer bevegelsen til de drevne vokalfoldene når de endres fra en konvergent til en divergerende geometri. Vokalfoldmodellene b…

Discussion

Å forstå dannelsen og forplantningen av vortiske strukturer fra en geometrisk fremspring og deres påfølgende effekt på de aerodynamiske belastningene som driver vokalfolddynamikk, er nødvendig for å gi innsikt og modeller for å fremme behandlingen av vokalfoldpolypper og knuter. Variasjonene i aerodynamiske belastninger forårsaket av modellpolyppen i dette eksperimentet forventes å bidra til uregelmessig stemmefolddynamikk observert hos pasienter med polypper^13,41. Fremtidig arbeid inkluderer å unde…

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