Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

חקירת הפרדת הזרימה התלת מימדית הנגרמת על ידי מודל פוליפ קיפול ווקאלי

Published: February 3, 2014 doi: 10.3791/51080
Automatic Translation
1, 2, 1
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University, 2Department of Mechanical and Aeronautical Engineering, Clarkson University

Summary

פוליפים קיפול קולי יכול לשבש את הדינמיקה קיפול הקול ולכן יכול להיות השלכות הרסניות על היכולת של המטופל לתקשר. הפרדת זרימה תלת מימדית הנגרמת על ידי פוליפ מודל רכוב על הקיר והשפעתו על עומס לחץ הקיר נבדקים באמצעות ולוצ'ימטריה של תמונת חלקיקים, הדמיה של קו חיכוך העור ומדידות לחץ על הקיר.

Abstract

תהליך חילופי האנרגיה של מבנה הנוזלים לדיבור רגיל נחקר בהרחבה, אך הוא אינו מובן היטב לתנאים פתולוגיים. פוליפים וגושים, שהם חריגות גיאומטריות היוצרות על פני השטח המדיאליים של קפלי הקול, יכולים לשבש את הדינמיקה של קיפול הקול ובכך יכולות להיות השלכות הרסניות על יכולתו של המטופל לתקשר. המעבדה שלנו דיווחה על מדידות velocimetry תמונת חלקיקים (PIV), בתוך חקירה של פוליפ מודל הממוקם על פני השטח המדיאלי של מודל קיפול קולי מונחה במבחנה, אשר מראים כי חריגה גיאומטרית כזו משבשת במידה ניכרת את התנהגות סילון glottal. התאמת שדה זרימה זו היא סיבה סבירה לפגיעה חמורה באיכות הקול בחולים עם פוליפים. הבנה מלאה יותר של היווצרות והתפשטות של מבנים מערבולת מתוך protuberance גיאומטרי, כגון פוליפ קיפול קולי, ואת ההשפעה וכתוצאה מכך על הטעינה האווירודינמית המניעים את הדינמיקה קיפול הקול, יש צורך לקידום הטיפול במצב פתולוגי זה. החקירה הנוכחית נוגעת להפרדת הזרימה התלת מימדית הנגרמת על ידי חמיספרויד פרולט רכוב על הקיר עם יחס גובה-רוחב של 2:1 בזרימה צולבת, כלומר פוליפ קיפול קולי לדוגמה, בטכניקת הדמיה של סרט שמן. הפרדת זרימה תלת מימדית לא יציבה והשפעתה על עומס לחץ הקיר נבחנים באמצעות הדמיית קו חיכוך העור ומדידות לחץ על הקיר.

Introduction

קפלי הקול הם שתי רצועות של רקמה המשתרעות על פני דרכי הנשימה הקוליות. דיבור קולי מופק כאשר מושגת לחץ ריאות קריטי, המאלץ אוויר באמצעות קפלי קול מודבקים. קפלי הקול מורכבים משכבות רבות של רקמה ומיוצגים לעתיםקרובותעל ידי מערכת כיסוי גוף דו שכבתית פשוטה 1 . המטריצה החוץ תאית, המהווה את רוב שכבת הכיסוי, מורכבת מסיבי קולגן ואלסטין, ומספקת מאפיינים לא ליניאריים של מאמץ מתח, החשובים לתנועה הנכונה של קפלי הקול1,2. כוחות אווירודינמיים מעניקים אנרגיה לרקמה של קפלי הקול ומרגשים תנודות מתמשכות עצמית3. כאשר קפלי הקול מתנדנדים, הפתח ביניהם, המכונה glottis, יוצר פתח משתנה זמנית שעובר מהתכנסות למדים ולאחר מכן למעבר מתפצל לפני הסגירה והחזרה על המחזור4,6. תדרי רטט לדיבור רגיל משתרעים בדרך כלל על פני 100-220 הרץ אצל זכרים ונקבות בהתאמה, ויוצרים שדה זרימה פועם העובר דרך glottis7. תהליך חילופי האנרגיה של מבנה הנוזלים לדיבור רגיל נחקר בהרחבה8-12; עם זאת, ההפרעה של תהליך זה עבור כמה פתולוגיות אינו מובן היטב. התנאים הפתולוגיים של קפלי הקול יכולים לגרום לשינויים דרמטיים בדינמיקה שלהם ולהשפיע על היכולת ליצור דיבור קולי.

פוליפים וגושים הם חריגות גיאומטריות היוצרות על פני השטח המדיאליים של קפלי הקול. ליקויים אלה יכולים להשפיע על יכולתו של המטופל לתקשר13. עם זאת, רק לאחרונה יש את ההפרעה של שדה הזרימה עקב protuberance גיאומטרי כגון פוליפ נחשב14. מחקר זה הראה כי תהליך חילופי האנרגיה "הנורמלי" של מבנה הנוזלים השתנה באופן דרסטי, וכי השינוי בשדה הזרימה היה הסיבה הסבירה ביותר לפגיעה חמורה באיכות הקול בחולים עם פוליפים וגושים. לא הוקמה הבנה מקיפה של מבני הזרימה המיוצרים על ידי הפרדת זרימה תלת מימדית מפוליפ בזרימה pulsatile. הדור וההפצה של מבנים וורטיליים מפוליפ, והשפעתם לאחר מכן על הטעינה האווירודינמית המניעה את דינמיקת קיפול הקול היא מרכיב קריטי הכרחי לקידום תיקון כירורגי של פוליפים בחולים.

בעוד הפרדת זרימה מהמיספרואיד רכוב על קיר בזרימה קבועה נחקרה15-23, באופן מפתיע, יש מעט מידע לגבי הפרדת זרימה תלת מימדית לא יציבה מהמיספרואיד על קיר הכפוף לתנאי זרימה פולסאטיים או לא יציבים כפי שנמצאים בדיבור. עבודתם החשובה של אקרלר וסמית'15 סיפקה ניתוח של המבנים התלת מימדיים הקוהרנטיים שנוצרו על ידי זרימה קבועה מעל המיספרואיד רכוב על קיר בתוך שכבת גבול למינארית. אקרלר וסמית' זיהו שני סוגים של מבנים וורטיליים. מערבולת פרסה עומדת נוצרה במעלה הזרם של ההמיספרואיד פרוטוורנס והורחבה במורד הזרם של ההטיה משני הצדדים. בנוסף, מערבולות סיכת ראש נשפכו מעת לעת מהקיר רכוב hemispheroid לתוך האשכבה. התנועה המורכבת וההתקדמות של מערבולות סיכות הראש נחקרו ותוארו בפירוט.

זרימה על גבעה צירית בעלת קווי מתאר חלקים נחקרה בעבר, שבה הן מדידות לחץ סטטי על פני השטח והן הדמיית שמן פני השטח נרכשו במורד הזרם ובמורד הבליטה בתוך זרימת גזירה סוערת. טכניקות צילום שמן מאפשרות הדמיה של קווי חיכוך עור, אזורי מהירות גבוהה ונמוכה ונקודות הפרדה והצמדה בתוך זרימת משטח, ושימושיות לבדיקת בעקבות עצם המותקן על הקיר. עבור טכניקה זו, פני השטח של עניין מצופה בסרט דק של בסיס שמן ופיגמנט אבקה עדין(כלומר lampblack, אבקת גרפיט, או טיטניום דו חמצני) תערובת. בתנאי הזרימה הרצויים, כוחות חיכוך גורמים לשמן לנוע לאורך פני השטח ולגרום לאבקת הפיגמנט להיות מופקדת בפסים. נקודות קריטיות או ייחודיות, מיקומים שבהם הלחץ הגזירה הוא אפס או שניים או יותר מרכיבים של המהירות הממוצעת הם אפס, ניתן לסווג מן דפוס קו חיכוך העור וכתוצאה מכך נקודות אוכף או נקודות nodal24-26.

עבור הגיאומטריה של הגבעה, לא נמצאה סינגולריות הנגרמת על ידי ההפרדה במעלה הזרם; זה יוחס לקווי המתאר העולים בצורה חלקה של הבליטה, אשר לא ליצור את שיפוע הלחץ השלילי המתרחשת עם protuberance hemispheroid. כתוצאה מכך, הזרימה נמצאה להאיץ עד פסגת הבליטה שלאחריה, נקודות הפרדת אוכף-מיקוד לא יציבות התפתחו זמן קצר לאחר קו האמצע של הבליטה, כצפוי מהיווצרות מערבולת סיכת ראש27,28. במחקר באמצעות טכניקות ניסיוניות דומות עם גיאומטריה שונה המותקנת על הקיר, הדמיה של סרט שמן סביב קובייה המותקנת על פני השטח בזרימה קבועה שבוצעה על ידי מרטינוצי וטרופאה29 הציגה שני קווי חיכוך עור ברורים במעלה הזרם של האובייקט. קו החיכוך הראשון של העור התאים לקו ההפרדה העיקרי שנגרם על ידי שיפוע הלחץ השלילי וקו החיכוך השני של העור סימן את המיקום הממוצע בזמן של מערבולת הפרסה. מדידות לחץ פני השטח שבוצעו במעלה הזרם של האובייקט הראו מינימום מקומי לאורך קו מערבולת הפרסה ומקסימום לחץ מקומי בין ההפרדה העיקרית לבין קווי מערבולת הפרסה. קווי הפרדה דומים במעלה הזרם נוצרים עם גיאומטריות אחרות המותקנות על פני השטח, כולל גליל עגול, פירמידה וקונוס29-31. תצוגה חזותית של פני השטח במורד הזרם של אובייקטים המותקנים על הקיר מציגה בדרך כלל שני מוקדים הנגרמים על-ידי אזור ההסתעפות שמאחורי האובייקט30. שני מערבולות נוצרות בעמדות המוקדים ומתאימים למערבולת "סוג הקשת" או סיכת הראש שנראתה בעקבות המיספרואיד רכוב על הקיר32.

velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) שימש בעבר כדי ללמוד את הזרימה במורד הזרם של מודלים קיפול קולי סינתטי33-35. PIV היא טכניקת הדמיה לא פולשנית אשר תמונות זורמות תנועת חלקיקי מעקב בתוך מישור ב כדי ללכוד דינמיקה נוזל מרחבי-טמפורלי36. מבנים קוהרנטיים תלת מימדיים היוצרים במורד הזרם של קפלי הקול המתנדנדים נחקרו על ידי Neubauer ואח '. 37; 19. דור המערבולת והסעה וניפוף סילון נצפו. לאחרונה, קרבס ואח '. 38 חקר את התלת מימדי של סילון glottal באמצעות PIV סטריאוסקופי והתוצאות להדגים מיתוג ציר סילון glottal. Erath ו Plesniak14 חקרו את ההשפעה של פוליפ קיפול קולי מודל על פני השטח המדיאלי של מודל 7.5 פעמים קנה מידה דינמי קיפול קולי. אזור מחזור נוצר במורד הזרם של הפוליפ ודינמיקת הסילון הושפעה לאורך כל מחזור הזיופים. המחקרים הקודמים, חסימת מחקר פוליפ קיפול קולי מונע על ידי Erath ו Plesniak14, לא חקרו את הדינמיקה הנוזלית הנגרמת על ידי פוליפ קיפול קולי מדיאלי או גולם.

חשוב להבין את ההשפעה הדינמית הנוזלית של פוליפ המודל בתוך שדות זרימה יציבים ופועמים לפני שתכלול את המורכבות הנוספת של הקירות הנעים של קיפול הקול, שיפוע הלחץ המושרה, נפח גיאומטרי מוגבל ומורכבויות אחרות. העבודה הנוכחית מתמקדת בחתימת מבני הזרימה על הקיר במורד הזרם בתנאי זרימה יציבים ולא יציבים כאחד. האינטראקציות בין המבנים המערבולתיים שנשפכים מבלוט לבין הקיר במורד הזרם מעניינות מאוד את חקירת פוליפים קיפול הקוליים כמו גם שיקולים ביולוגיים אחרים, שכן אינטראקציות אלה מעוררות תגובה ביולוגית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

בעבודה זו, פרולט hemispheroid רכוב על הקיר, כלומר פוליפ קיפול קולי מודל, ממוקם על רצפת קטע הבדיקה של מנהרת רוח מסוג יניקה עם יחס התכווצות 5:1. הפרדת זרימה תלת מימדית לא יציבה והשפעתה על עומס הלחץ בקיר נחקרים באמצעות הדמיה של זרימת שמן, מדידות לחץ קיר וממדי תמונת חלקיקים. מדידות הלחץ הלא יציבות נרכשות באמצעות מתמר לחץ סריקת ערוץ שש עשרה עם חיישני לחץ piezoresistive. חיישני הלחץ יש תגובת תדר של 670 הרץ. ברזי לחץ סטטיים שנוצרו צינוריות נירוסטה הם סומק רכוב במעלה הזרם במורד הזרם של פוליפ קיפול קולי מודל כדי להקל על מדידות לחץ פני השטח קצר צנרת למכשיר לחץ הסריקה. הדמיית זרימת שמן ומדידות לחץ פני השטח לא ניתן לרכוש בו זמנית כי שמן יזרום לתוך ברזי הלחץ גורם עכירות.

הסעיף הבא מספק את הפרוטוקול להקמה ורכישה של הדמיה של סרטי שמן ומדידות לחץ על פני השטח סביב ההמיספרואיד הפרולט המותקן על הקיר. למרות מדידות velocimetry תמונת חלקיקים בממוצע שלב וזמן נפתרים נרכשים, רכישת PIV אינה כלולה בפרוטוקול זה. המחברים מציעים את ההפניות על ידי רפל ואח '. 36 ואדריאן ווסטרוויל39 להבנה מעמיקה של התקנה ניסיונית PIV, רכישת נתונים ועיבוד נתונים.

1. צור Protuberance(כלומר פוליפ מודל)

  1. בנה מודל תכנון תלת מימדי בעזרת מחשב (CAD) עם הגיאומטריה הרצויה. צור פוליפ קיפול קולי מודל כמו hemispheroid פרולט מדידה 5.08 ס"מ אורך, 2.54 ס"מ רוחב, ו 1.27 ס"מ גובה. הר בסיס מרובע 2.54 ס"מ בעובי 0.64 ס"מ לתחתית פוליפ קיפול הקול מודל. בסיס זה ישמש לעיגון הדגם לרצפת מקטע הבדיקה.
  2. יצא את דגם ה- CAD תלת-ממדי כקובץ סטריאוליטוגרפיה (STL). תבנית הקובץ STL יוצרת את משטח הדגם כסדרה של משולשים. בחר רזולוציה מתאימה כדי להבטיח משטח חלק בפוליפ הדגם. מומלץ לקבל רזולוציה של 600 נקודות/in לפחות.
  3. העלה את קובץ ה- STL לתוכנה המתאימה והדפס את קובץ ה- STL באמצעות מדפסת תלת-ממדית ברזולוציה גבוהה או אב-טיפוס מהיר עם רזולוציית שכבת בנייה של 20 מיקרומטר לפחות.
  4. מקטע בדיקת מנהרת הרוח הוא כ-30.48 ס"מ x 30.48 ס"מ x 121.92 ס"מ עם לוח תחתון נשלף כפי שמוצג באיור 1. טחנה חור מרובע 2.54 ס"מ כ 0.85 ס"מ עמוק לתוך מנהרת הרוח מבחן קטע צלחת נשלפת כדי לטעון את פוליפ קיפול קולי מודל לבדיקה. החור צריך להיות ממוקם במרכז רוחב קטע הבדיקה ולהיות ממוקם במיקום הרצוי במורד הזרם לבדיקה.

2. הכנת הדמיה של זרימת שמן

  1. על מנת להכין את קטע הבדיקה, לכסות את משטח קטע הבדיקה בתוך מנהרת הרוח עם נייר דבק לבן. בזהירות למקם ולהחליק את נייר דבק כדי להבטיח כי רצפת סעיף הבדיקה אין בליטות עקב בועות אוויר או קמטים בנייר דבק. חותכים חור בנייר דבק מעל החור המרובע ברצפת קטע הבדיקה עבור עוגן פוליפ המודל לצרף לקיר קטע הבדיקה.
  2. הכנס את ה-protuberance (פוליפ קיפול קולי מודל) לתוך עמדת העוגן כדי להתכונן לבדיקה. ראו איור 1.
  3. הר מצלמה ברזולוציה גבוהה מעל מקטע הבדיקה מנהרת הרוח. מקד את המצלמה עבור שדה הראייה שנבחר, כולל פוליפ הדגם ואזור מקטע הבדיקה המקיף אותו. הגדר את הפרמטרים של רכישת המצלמה לבדיקה. יש להשתמש בהגדרת וידאו כדי ללכוד את החלק הארעי של ההדמיה של זרימת השמן או אם זרימות לא יציבות או pulsatile מעניינות.
  4. הכן את תערובת שמן הדמיית הזרימה על ידי שילוב שמן תינוקות, אבקת טונר העתקה ונפט ביחס של 7:1:2 לפי נפח. לדוגמה: לשלב 35 מ"ל שמן תינוקות, 5 מ"ל להעתיק אבקת טונר, ו 10 מיליליטר נפט. מערבבים את שמן התינוק ואבקת הטונר יחד במיכל ומערבבים עד שהטונר מתמוסס לחלוטין. לאחר מכן מוסיפים את הנפט ומערבבים היטב.
  5. מעבירים את התערובת לבקבוק ספריי ליישום קל למשטח קטע הבדיקה.

3. מדידות הדמיה של זרימת שמן

  1. לנקות ולייבש את משטח קטע הבדיקה לפני כל יישום של תערובת השמן.
  2. השתמש בבקבוק ספריי מלא בתערובת השמן כדי לרסס שכבה דקה, אפילו של נוזל על החלק של עניין. שכבת תערובת שמן דקה ואפילו חשובה להפקת תמונות ויזואליזציה נאותות של סרטי שמן.
  3. התחל את רכישת התמונה או הווידאו במצלמה. התחל את רכישת המצלמה לפני מנהרת הרוח מופעלת על מנת ללכוד את התנועה הראשונית תערובת שמן ארעי.
  4. הגדר את מנהרת רוח היניקה למהירות הרצויה. תערובת השמן תתחיל לזרום לאורך משטח קטע הבדיקה.
  5. לאחר שתערובת השמן מפסיקה לזרום והגיעה למצב יציב(כלומר הדפוסים נייחים), או כאשר הזמן הרצוי חלף, עצרו את הקלטת המצלמה והפעילו את מנהרת הרוח.
    הערה: סרטון 1 מציג את תערובת השמן הזורמת עד לקבלת מצב יציב ודפוס החיכוך בעור הופך לנייח. בסרטון הזרימה נעה משמאל לימין.

4. הכנת מדידת לחץ משטח

  1. הכינו את משטח הרצפה של מקטע הבדיקה (צלחת נשלפת) על ידי קידוח חורים להרכבת צינוריות נירוסטה (קוטר חיצוני של 0.16 ס"מ ואורך 2.54 ס"מ) לרצפת קטע הבדיקה לבניית ברזי לחץ סטטיים. החל מקו האמצע של מיקום העוגן של ההמיספרואיד הפרולט, קדח את החורים ברשת המשתרעת על פני 8.89 ס"מ בכיוון spanwise ו- 22.86 ס"מ במורד הזרם עם מרווח רשת של 1.27 ס"מ לאורך טווח ומרווח רשת של 2.54 ס"מ במורד הזרם (ראו איור 1). צינוריות נירוסטה יש בליטה בקצה אחד לחיבור צינורות גמישים והם ישר בצד השני להרכבה.
    הערה: ניתן למקם את ברזי הלחץ הסטטי במרווחי זמן קרובים יותר עבור רשת עדינה יותר של מיקומי רכישת לחץ.
  2. הר את הצינוריות המקיפות את מיקום העוגן של הקיר רכוב פרולט hemispheroid(כלומר פוליפ קיפול קולי מודל) בתצורה הרצויה על רצפת קטע הבדיקה כדי להתכונן לבדיקה. הצינוריות צריך להיות מותקן סומק עם רצפת סעיף הבדיקה.
  3. צרף חתיכות של צינורות גמישים קצרים (6.35 ס"מ אורך, 0.159 ס"מ קוטר פנימי, 0.475 ס"מ קוטר חיצוני ברור צינורות פוליוויניל כלוריד) מן צינוריות נירוסטה רכוב ליציאות מדידת מתמר לחץ הסריקה. מתמר לחץ הסריקה יש שש עשרה יציאות לחץ.

5. רכישת מדידת לחץ משטח

  1. חבר את מתמר לחץ הסריקה למחשב וקבע את תצורת פרמטרי הרכישה באמצעות תוכנת מתמר הלחץ הסריקה. הגדר את תוכנת הרכישה לרכישת נתונים במהירות של 500 הרץ למשך הזמן הרצוי של רכישת נתונים.
    הערה: הנתונים נרכשו בקצב הדגימה המרבי של מתמר לחץ הסריקה, 500 הרץ, בשל וריאציות הלחץ הקטנות בתדרי תנודה נמוכים.
  2. הגדר את מנהרת רוח היניקה למהירות הרצויה.
  3. התחל רכישת מדידת לחץ. ניתן לרכוש את מדידות הלחץ בו זמנית עם כל טכניקת אבחון זרימה רצויה (למשל PIV, כלנית דופלר בלייזר, אנמומטריית חוט חם וכו ').

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

עבודה קודמת באמצעות 7.5 פעמים קנה מידה למעלה דינמית מונחה מודל קיפול קולי הוכיחה כי נוכחות של protuberance גיאומטרי, מודל פוליפ קיפול קולי, משבש את הדינמיקה הרגילה של סילון glottal לאורך כל מחזור phonatory. תוצאות מייצגות ממחקר מודל קיפול הקול הקודם מוצגות באיור 2 ובוידאו 2. הסרטון מדגים את התנועה של קפלי הקול המונעים כשהם משתנים מהתכנסות לגיאומטריה מפוצלת. דגמי קיפול הקול היו מונעים באופן דינמי ב 1.67 הרץ עם מספר ריינולדס של 995 ומספר Strouhal של 1.9 x 10-2. הנתונים נרכשו במישור המעבר 7.5 מ"מ במורד הזרם של הפוליפ באמצעות מהירות תמונת חלקיקים ממוצעת פאזה14. כאשר הקפלים הקוליים מתחילים להיפתח, נוצר ערוץ מתכנס ומפותח שיפוע לחץ חיובי. הזרימה מתחילה להסתובב סביב פוליפ המודל לקראת סוף שלב הפתיחה, כאשר glottis הוא ברוחב מרבי ואת קפלי הקול נמצאים בתצורה מקבילה, ולתוך שלב הסגירה. שתי מערבולות מסתובבות נגדיות נוצרות כפי שמוצג באיורים 2b ו- 2c. כשהקול מתקפל, הזרימה נכפתה סביב הפוליפ והרחק מקו האמצע האחורי." העבודה השוטפת היא חקירה של ההשפעה של hemispheroid רכוב על הקיר בתנאי זרימה צולבת יציבה ופועמת ללא המורכבות הנוספת של קפלי הקול הפיזיולוגיים. תוצאות ראשוניות נרכשו עבור 2:1 יחס גובה-רוחב prolate hemispheroid; סכמטי של מקטע הבדיקה הניסיונית מוצג באיור 1. פוליפ המודל נבדק בתנאי זרימה קבועים במספרי ריינולדס הנעים בין 6,000 ל-9,000; תוצאות ההדמיה של זרימת השמן מוצגות באיורים 3 ו- 4. איור 3 מציג תצוגה איזומטרית של פוליפ המודל בתנאים קבועים כאשר הזרימה נעה משמאל לימין. קו השמן המרוכז במעלה הזרם של הפוליפ (משמאל לפוליפ) ועל פני הפוליפ מציגים את קווי ההפרדה. אזור הנפט המרוכז הגדול ממש במורד הזרם (מימין) של הפוליפ מציג את צמתי ריכוז המערבולת שהם נקודות החיבור עבור שני צינורות מערבולת מסתובבים נגד היוצרים את הרגליים של מערבולת סיכת הראש במורד הזרם. איור 4 מציג תצוגה עליונה של פוליפ דגם בזרימה צולבת כאשר הזרימה נעה מלמעלה למטה במספר ריינולדס של 9,000. צומת הקובץ המצורף גלוי במורד הזרם (להלן) פוליפ קיפול הקול מודל. תוצאות הדמיית זרימת השמן לתנאי הזרימה היציבים מאשרות היווצרות מערכת מערבולת פרסה במעלה הזרם של מערבולות פוליפ וסימני שיער מודל במורד הזרם של protuberance כפי שמוצג עם אובייקטים אחרים רכוב על הקיר18,24,29,40.

תנאי זרימה יציבים, עם מספר ריינולדס (בהתבסס על המהירות הממוצעת של 7.01 m/sec) של 6,300 ומספר Strouhal של 1.2 x 10-3, לגרום וריאציות לחץ מרחבי וטמפורלי. הזרימה הלא יציבה מתנדנדת ± 2.29 מ'/שניה בתדר של 0.6 הרץ. איור 5 מציג את מדידות הלחץ במעלה ובמורד הזרם לאורך מחזור תנודה יחיד. הקו האדום (ממוקם במיקום מספר 3) מציין את האתר של הלחץ הנמוך ביותר באזור הזרימה האחורית ישירות במורד הזרם של הפוליפ. ערכי מתמר הלחץ האינדיבידואלי נמצאו משתנים לאורך כל המחזור והבדל הלחץ בין מיקומי המתמרים השתנה כפונקציה של מיקום המחזור ולכן משמעותו מהירות.

Figure 1
איור 1. סכמטי מקטע בדיקת מנהרת רוח. א.) קטע בדיקה מלא מוצג עם כניסת הזרימה בצד שמאל ושקע בצד ימין. ב. ) סכמטי תקריב של לוחית הרצפה של מקטע הבדיקה הנשלפת עם יחס רוחב-גובה של 2:1 רכוב על הפרולטה המיספרויד. לחץ כאן כדי להציג תמונה גדולה יותר.

Figure 2
איור 2. שדות מהירות במורד הזרם של פוליפ קיפול קולי מודל רכוב על המשטח המדיאלי של 7.5 פעמים קנה מידה למעלה מונחה מודל קיפול קולי. סכמטי מודל קיפול קולי מונחה דינמי המציג את כיוון זרימת הזרם החופשי. ב. ) ו- ג.) שדות מהירות רוחבית בשני רגעים במהלך מחזור הפונטוריה במישור y-z ב- x = 7.5 מ"מ במורד הזרם של פוליפ מודל המותקן על פני השטח המדיאליים. שדות המהירות מותווים כמגרשים וקטוריים בסדר גודל מהירות14. לחץ כאן כדי להציג תמונה גדולה יותר.

Figure 3
איור 3. תצוגה איזומטרית של הפרולטה המיספרויד המותקנת על הקיר(כלומר פוליפ קיפול קולי מודל) בזרימה צולבת (Re = 9,000). קו ההפרדה הראשי במעלה הזרם מוצג כקו הכהה במעלה הזרם (משמאל) של הפוליפ. שני צמתי ריכוז מערבולת ממוקמים בעקבות הקיר רכוב פרולט hemispheroid. לחץ כאן כדי להציג תמונה גדולה יותר.

Figure 4
איור 4. תמונת הדמיה של זרימת שמן עבור חמיספרויד פרולט בזרימה צולבת (Re = 9,000). הקווים הכהים הנמתחים במורד הזרם מצדי הפוליפ (המייצגים את הגבולות החיצוניים של ההתעוררות) מתכנסים עד לנקודת החיבור, עקב מערבולת מחזוריות מאחורי האובייקט. מיקומי קו ההפרדה הראשי במעלה הזרם, קו ההפרדה ההמיספרואידי, צמתי ריכוז המערבולת וצומת ההחזקה במורד הזרם מזוהים. לחץ כאן כדי להציג תמונה גדולה יותר.

Figure 5
איור 5. במעלה הזרם ובמורד הזרם מדידות לחץ של מחזור אחד של זרימה יציבה במספר ריינולדס מבוסס על המהירות הממוצעת של 6,300 ומספר Strouhal של 1.2 x 10-3 על קיר רכוב פרולט hemispheroid. הבדלי לחץ מרחביים וטמפורליים נצפו בקרב מתמרי הלחץ הנמדדים. לחץ כאן כדי להציג תמונה גדולה יותר.

לחץ כאן כדי לצפות בסרטון 1: Stewart_JoVE_Video_1_Title.wmv.

לחץ כאן כדי לצפות בסרטון 2: Stewart_JoVE_Video_2.avi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הבנת היווצרותם והתפשטותם של מבנים וורטיים מתוך תבונה גיאומטרית והשפעתם לאחר מכן על הטעינה האווירודינמית המניעה את דינמיקת הקיפול הקולי, נחוצה כדי לספק תובנות ומודלים על מנת לקדם את הטיפול בפוליפים ובגושים של קיפול ווקאלי. הווריאציות בטעינה אווירודינמית הנגרמות על ידי פוליפ המודל בניסוי זה צפויות לתרום לדינמיקה לא סדירה של קיפול ווקאלי שנצפתה בחולים עם פוליפים13,41. עבודה עתידית כוללת חקירת הפרדת הזרימה התלת מימדית בתנאי זרימה לא יציבים באמצעות ולוצ'ימטריית תמונת חלקיקים ותואמת את התוצאות עם הדמיית זרימת פני השטח ונתוני לחץ על פני השטח.

הדמיה של זרימת שמן היא טכניקה שימושית ויעילה לזיהוי תכונות טופולוגיות פני השטח כגון קווי חיכוך העור ואזורי מהירות גבוהה ונמוכה. סיווג קווי ההפרדה או הקווים המצורפים וצמתים מהדמיה של זרימת פני השטח הוא צעד חשוב בבניית מפות טופולוגיות, הנקראות לעתים שלדי מערבולת, של אזורי ההפרדה וההתקשרות של זרימות תלת מימדיות מורכבות המבוססות על תורת הנקודות הקריטיות24,40,42. כמו הדמיה זרימת שמן היא בעיקר מדידה איכותית, זה חיוני כי התוצאות האיכותיות של הדמיה זרימת שמן להיות מזווג עם התוצאות הכמותיות מלחץ פני השטח ומדידות PIV. פיתוח מפה טופולוגית מסייע בהבנה וזיהוי של מבני הזרימה התלת מימדיים וקישור תוצאות ההדמיה של זרימת השמן לתוצאות המדידה של PIV.

המגבלות של טכניקת ההדמיה של זרימת השמן כוללות את חוסר היכולת לרכוש נתוני הדמיה של זרימת שמן בו זמנית עם מדידת לחץ פנים או נתוני מהירות תמונה חלקיקים, ואת היכולת המוגבלת של הטכניקה לעקוב אחר חוסר יציבות ותנועה במיקום של נקודות קריטיות הנגרמות על ידי זרימות לא יציבות. תערובת ההדמיה האופטימלית של זרימת השמן תלויה בפרמטרים ספציפיים לניסוי כדי להתאים את הצמיגות ומתח פני השטח של התערובת בהתבסס על מהירות הבדיקה, הבעיה שיש לחקור ומאפייני משטח הבדיקה. חשוב כי תערובת השמן להתחיל לזרום במהירות הרצויה וכי, לאחר כמות סבירה של זמן, פני השטח צריך להיות יבש יחסית עם דפוס פני השטח פסים שנותרו. עיין Merzkirch26 עבור רשימה של שמנים מועמד פיגמנטים לשימוש עבור תנאים שונים. תערובת שגויה, המבוססת על הפרמטרים הניסיוניים הספציפיים, עלולה לגרום לפיגמנט רב מדי שהופקד על רצפת פני השטח, מה שאינו גורם לפסים ברורים, או שלא הופקדו מספיק פיגמנטים שאינם גורמים לתבנית דמוית פס כלל. בעת החלת התערובת על רצפת סעיף הבדיקה, המחברים מצאו את זה הכי טוב לרסס את התערובת במקום לצבוע את התערובת על פני השטח, שיטה חוקרים אחרים השתמשו. צביעת התערובת על פני השטח הביאה לקווים פסים נוספים עקב היישום.

בעבודה זו, טכניקת ההדמיה של סרט שמן פני השטח מיושמת בתנאי זרימה קבועים (וידאו 1). תנאי בדיקת הזרימה היציבים גורמים בדרך כלל לתמונות ברורות ביותר עקב מבני עמידה בזרימה. עם זאת, הדמיה של סרטי שמן מתבצעת גם בתנאי זרימה לא יציבים. המחברים בודקים כעת אם ניתן להשיג מידע נוסף מתמונות שצולמו בתנאי זרימה לא יציבים ומהותה של טכניקה זו. תנאי בדיקת הזרימה הלא יציבים מייצרים תכונות זרימה המחזקים ונחלשות לאורך מחזור תנודה יחיד. מסיבה זו, תמונות במהירות גבוהה של אזור הדמיית הנפט הדינמי נרכשות כאשר מנהרת הרוח וגנרטורים לא יציבים פועלים.

חקירת הפרדת זרימה תלת מימדית מהמיספרואיד רכוב על קיר בזרימה לא יציבה ולחצי הקיר הנובעים מכך בעקבות הקרובה ישפרו באופן מהותי את הבנתנו את הפרדת הזרימה התלת מימדית הלא יציבה. בנוסף ליישומי דיבור, טכניקה זו כוללת יישומים אפשריים בניהול דיונות חול עלותיות, שיפור הזרימה המשנית בתכנון מחליף חום, העברה המונית ואנרגיית רוח.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע, גרנט לא. CBET-1236351 ומרכז GW להנדסה ביומימטית וביוינספיריד (COBRE).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Rapid Prototyper Objet Objet24 Tray Size (X xY x Z): 240 x 200 x 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 in ID, 3/16 in OD
Pressure Scanner (16 channel) Scanivalve DSA3217 Used for gas pressure measurements
Pressure range = ±5 in 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 in Diameter and 1 in Length

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hirano, M., Kakita, Y. Cover-body theory of vocal fold vibration. Speech science--recent advances. , College Hill Press. San Diego, CA. 1-46 (1985).
  2. 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).
  3. Titze, I. R. The physics of small-amplitude oscillation of the vocal fold. J. Acoustic. Soc. Am. 83 (4), 1536-1552 (1988).
  4. 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).
  5. Shaw, H. S., Deliyski, D. D. Mucosal wave: a normophonic study across visualization techniques. J. Voice. 22 (1), 23-33 (2008).
  6. 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).
  7. Fant, G. Acoustic Theory of Speech Production. Mouton and Co. N. V.: The Hague. , 15-79 (1960).
  8. Wegel, R. L. Theory of vibration of the larynx. J. Acoustic. Soc. Am. 1, 1-21 (1930).
  9. Den Berg, J. V. an, 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Petrović-Lazić, M., Kosanović, R. Acoustic analysis findings in patients with vocal fold polyp. Acta Med. Saliniana. 38 (2), 63-66 (2009).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Savory, E., Toy, N. Hemisphere and hemisphere-cylinders in turbulent boundary layers. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 23, 345-364 (1986).
  18. Tamai, N., Asaeda, T., Tanaka, N. Vortex structures around a hemispheric hump. Boundary-Layer Meteorol. 39, 301-314 (1987).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Manhart, M. Vortex shedding from a hemisphere in a turbulent boundary layer. Theor. Comp. Fluid Dyn. 12, 1-28 (1998).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Legendre, R. Lignes de courant d'un ecoulement permanent: decollement et separation. La Recherche Aérospatiale. 6, 327-335 (1977).
  26. Merzkirch, W. Visualization of Surface Flow. Flow Visual. , 82-89 (1987).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Triep, M., Brücker, C. Three-dimensional nature of the glottal jet. The Journal of the Acoustic. Soc. Am. 127 (3), 1537-1547 (2010).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Raffel, M., Willert, C., Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , Springer Verlag. (1998).
  37. 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).
  38. Krebs, F., Silva, F., Sciamarella, D., Artana, G. A three-dimensional study of the glottal jet. Exp. Fluids. 52 (5), 1133-1147 (2011).
  39. Adrian, R. J., Westerweel, J. Particle image velocimetry. 30, Cambridge University Press. (2010).
  40. Tobak, M., Peake, D. J. Topology of three-dimensional separated flows. Ann. Rev. Fluid Mech. 14, 61-85 (1982).
  41. Zhang, Y., Jiang, J. J. Asymmetric Spatiotemporal Chaos Induced by a Polypoid Mass in the Excised Canine Larynx. Chaos. 18, 43102 (2008).
  42. Délery, J. M., Jean, M. Delery Toward the elucidation of three-dimensional separation. Ann. Rev. Fluid Mech. 33, 129-154 (2001).

Tags

הנדסה ביולוגית גיליון 84 הדמיה של זרימת שמן פוליפ קיפול ווקאלי הפרדת זרימה תלת מימדית עומסי לחץ אווירודינמיים
חקירת הפרדת הזרימה התלת מימדית הנגרמת על ידי מודל פוליפ קיפול ווקאלי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Stewart, K. C., Erath, B. D.,… More

Stewart, K. C., Erath, B. D., Plesniak, M. W. Investigating the Three-dimensional Flow Separation Induced by a Model Vocal Fold Polyp. J. Vis. Exp. (84), e51080, doi:10.3791/51080 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter