研究模型声带息肉引起的三维流动分离

摘要

声带息肉可能干扰声带的动态功能，从而对患者的沟通能力造成严重影响。本研究采用粒子图像测速技术、壁面摩擦线可视化方法以及壁面压力测量，考察了壁面固定模型息肉引起的三维流动分离及其对壁面压力载荷的影响。

摘要

正常语音中的流体-结构能量交换过程已被广泛研究，但在病理状态下的相关机制仍不明确。声带黏膜表面中线处形成的息肉和结节属于几何形态异常，可干扰声带的动态振动，从而严重影响患者的言语交流能力。本实验室此前报道了针对位于声带黏膜表面中线处模型息肉的研究中所获取的粒子图像测速（PIV）测量结果， 在 体外 驱动的声带模型表明，此类几何异常会显著干扰声门射流行为。这种流场的改变很可能是声带息肉患者发声质量严重下降的原因。要推进对此类病理状况的治疗，有必要更全面地理解从声带息肉等几何突起处形成并传播的涡旋结构，以及其对驱动声带动态的气动载荷所产生的影响。本研究涉及在横向流动中，由壁面安装的长轴与短轴比为2:1的半椭球体所诱导的三维流动分离现象。 即 利用油膜可视化技术构建声带息肉模型。通过壁面摩擦线可视化和壁面压力测量，研究非定常、三维流动分离及其对壁面压力载荷的影响。

引言

声带是两条横跨声道的组织带。当达到一定的肺部压力时，气流被迫通过内收的声带，从而产生发声语音。声带由多层组织构成，通常可用简化的双层“体-盖”模型来表示¹。细胞外基质主要构成声带的盖层，由胶原纤维和弹性纤维组成，赋予其非线性的应力-应变特性，这对声带的正常运动至关重要^1,2。空气动力学力将能量传递给声带组织，激发其产生自持振荡³。当声带振荡时，其间形成的开口（称为声门）构成一个随时间变化的孔道，该孔道在关闭并开始下一周期前，依次经历收敛、均匀和发散的形态转变^4,6。正常言语中，声带振动频率通常在男性中为100 Hz，女性中为220 Hz，从而形成通过声门的脉动气流场⁷。正常言语中的流体-结构能量交换过程已被广泛研究^8-12；然而，某些病理状态下该过程的紊乱机制尚不明确。声带的病理状况可能导致其动力学发生显著改变，进而影响发声语音的产生能力。

声带息肉和结节是声带内侧表面形成的几何形态异常。这些异常可能影响患者的沟通能力¹³然而，直到最近，由于息肉等几何突起所导致的流场扰动才被考虑。¹⁴该研究结果表明 "正常" 言语过程中流体-结构能量交换过程发生了显著改变，且气流场的改变极有可能是导致声带息肉和结节患者发声质量严重下降的主要原因。目前尚未建立关于脉动流中由息肉引起的三维流动分离所产生的流动结构的系统性认识。由息肉产生的涡旋结构及其传播特性，以及这些涡旋结构对驱动声带动态行为的气动载荷所产生的后续影响，是推进声带息肉患者外科治疗手段发展的关键必要环节。

尽管已有研究探讨了稳态流动中壁面安装的半椭球体产生的流动分离现象^15-23，但令人意外的是，关于在类似言语过程中所遇到的脉动或非稳态流动条件下，壁面安装半椭球体产生的非定常三维流动分离的信息却十分有限。Acarlar 和 Smith¹⁵ 的开创性工作分析了层流边界层内稳态流经壁面安装半椭球体时所产生的三维相干结构。Acarlar 与 Smith 鉴别出两种类型的涡旋结构：在半椭球体凸起前方形成了一对驻定的马蹄涡，该涡旋向凸起下游两侧延伸；此外，从壁面安装的半椭球体周期性地向尾流区脱落发卡涡。研究人员对发卡涡复杂的运动过程及其发展进行了详细考察和描述。

在湍流剪切流中，已对光滑轮廓轴对称小丘上的绕流进行了研究，获取了小丘表面及其下游区域的表面静压测量数据和表面油流可视化图像。油膜技术能够显示表面流动中的摩擦力线、高速与低速区域以及分离点和附着点，有助于研究壁面安装物体的尾流特性。该技术首先在待测表面涂覆一层薄薄的油基混合物，其中含有细粉状颜料（例如炭黑、石墨粉或二氧化钛）。在设定的流动条件下，摩擦力促使油膜沿表面移动，使颜料粉末沉积成条纹状。根据所形成的表面摩擦力线图案，可对临界点或奇点（即剪应力为零或平均速度的两个及以上分量为零的位置）进行分类，识别为鞍点或节点^24-26。

对于小山几何形状，上游未发现由分离引起的奇点；这归因于凸起部分平滑上升的轮廓，该轮廓未产生类似于半球形凸起所导致的逆压梯度。因此，流动持续加速直至凸起的顶点，随后在凸起中心线稍后处出现了非定常的鞍-焦点分离点，这与发卡涡结构的形成所预期的结果一致。^27,28在一项采用类似实验技术但壁面安装几何构型不同的研究中，Martinuzzi 和 Tropea 对稳态流动中壁面安装立方体周围的油膜可视化进行了研究²⁹ 在物体上游显示出两条清晰的表面摩擦线。第一条表面摩擦线对应由逆压梯度引起的主分离线，第二条表面摩擦线标记了马蹄涡的时均位置。在物体上游进行的表面压力测量显示，沿马蹄涡线存在局部压力最小值，而在主分离线与马蹄涡线之间则出现局部压力最大值。其他安装在表面上的几何体（包括圆柱、棱锥和圆锥）也会形成类似的上游分离线。^29-31壁面安装物体下游的表面可视化通常会显示两个焦点，这是由物体后方回流区引起的³⁰在焦点位置产生两个涡旋，分别对应于 "原型" 或壁面安装的半球体尾流中观察到的发夹涡³².

粒子图像测速技术（PIV）此前已被用于研究合成声带模型下游的流动特性^33-35PIV 是一种非侵入式可视化技术，通过成像平面内示踪粒子的运动来捕捉时空流体动力学信息^36. 声带振荡下游形成的三维相干结构已由 Neubauer 进行研究 等³⁷；观察到涡流生成、对流以及射流拍动现象。最近，Krebs 等³⁸ 利用立体粒子图像测速技术研究了声门射流的三维特性，结果表明声门射流存在轴线切换现象。Erath 和 Plesniak¹⁴ 研究了模型声带息肉对一个放大7.5倍的动态驱动声带模型内侧表面的影响。在息肉下游形成了一个回流区域，且整个发声周期中射流动力学均受到影响。此前的研究中，除Erath和Plesniak开展的驱动声带息肉研究外¹⁴尚未研究由声带内侧息肉或结节引起的流体动力学变化。

在引入声带运动壁面、诱导压力梯度、受限几何空间及其他复杂因素之前，理解模型息肉在稳态和脉动流场中的流体动力学效应至关重要。本研究重点探讨在稳态和非稳态流动条件下，下游壁面上流动结构的特征。从突起物脱落的涡旋结构与下游壁面之间的相互作用，对于声带息肉以及其他生物学问题的研究具有重要意义，因为这些相互作用会引发生物学响应。

方案

在此研究中，一个壁挂式长球形半椭球体， 即 一个模拟的声带息肉被放置在收缩比为5:1的吸气式风洞测试段底部。通过油流可视化、壁面压力测量和粒子图像测速技术，研究非定常三维流动分离及其对壁面压力载荷的影响。非定常压力测量采用十六通道扫描压力传感器，其内置压阻式压力传感器的频率响应为670 Hz。在模型声带息肉的上下游，安装有由不锈钢管制成的静压测孔，测孔与表面齐平，用于实现壁面压力测量，并通过短管路连接至扫描压力测量装置。由于油流会渗入压力测孔导致堵塞，油流可视化与表面压力测量无法同时进行。

以下部分介绍了在壁面安装的长球形半椭球体周围进行油膜可视化和表面压力测量的设置与数据采集方案。尽管正在进行相位平均和时间分辨的粒子图像测速（PIV）测量，但本方案未包含PIV的数据采集部分。作者建议参考Raffel et al.³⁶ 以及Adrian和Westerweel³⁹ 的文献，以深入了解PIV实验装置、数据采集和数据处理的详细内容。

1. 生成突起（即 模型息肉

1. 使用计算机辅助设计（CAD）软件构建具有目标几何形状的三维模型。将模型声带息肉设计为一个长5.08 cm、宽2.54 cm、高1.27 cm的长半球体。在模型声带息肉底部安装一个边长2.54 cm、厚度0.64 cm的正方形基座，该基座用于将模型固定在试验段底板上。
2. 将三维CAD模型导出为立体光刻（STL）文件格式。STL文件格式会将模型表面表示为一系列三角形。选择适当的分辨率以确保模型息肉表面光滑，建议分辨率至少为600点/英寸。
3. 将STL文件导入相应软件，并使用高分辨率三维打印机或快速成型机进行打印，打印层厚分辨率应至少达到20 μm。
4. 风洞试验段尺寸约为30.48 cm × 30.48 cm × 121.92 cm，底部设有可拆卸底板，如图1所示。在风洞试验段底板的可拆卸部分上加工一个边长2.54 cm、深约0.85 cm的正方形孔，用于安装待测模型声带息肉。该孔应位于试验段宽度方向的中心位置，并置于测试所需的目标下游位置。

2. 油流可视化准备

1. 为了准备测试区域， 在风洞试验段内表面覆盖白色胶粘纸。小心地放置并抚平胶粘纸，确保试验段地面因胶粘纸下的气泡或褶皱而产生凸起。在试验段地板上方的方形孔对应位置的胶粘纸上切割一个孔，以便模型息肉锚固装置与试验段壁面连接。
2. 将突起部分（模型声带息肉）插入锚定位置，以准备测试。参见 图1.
3. 在风洞测试段上方安装一台高分辨率相机。调整相机焦距，使其覆盖选定的视场，包括模型水螅体及周围的测试段区域。设置相机的采集参数以进行测试。应使用视频模式来捕捉油流可视化中的瞬态部分，或用于研究非定常或脉动流动。
4. 通过将婴儿润肤油、复印碳粉和煤油按7:1:2的体积比混合，配制流动可视化油混合物。例如：混合35 ml 婴儿油，5 ml 复印碳粉，以及 10 ml 煤油。将婴儿油和显影剂粉末在容器中混合，搅拌至显影剂完全溶解，然后加入煤油并充分混合。
5. 将混合物转移至喷雾瓶中，以便于将其均匀喷洒在测试区域表面。

3. 油流可视化测量

1. 每次涂抹油混合物之前，清洁并干燥测试区域表面。
2. 使用装有油混合物的喷雾瓶，在目标区域表面均匀喷涂一层薄而均匀的液体。薄而均匀的油混合物层对于获得清晰的油膜可视化图像至关重要。
3. 启动相机进行图像或视频采集。在风洞启动前即开始相机采集，以捕捉油混合物初始瞬态流动过程。
4. 将吸力式风洞调节至目标速度。油混合物将开始沿测试区域表面流动。
5. 当油混合物停止流动并达到稳定状态（i.e. 图案静止不动），或达到预定时间后，停止相机记录并关闭风洞电源。
   注意：视频 1 展示了油混合物流动直至达到稳定状态，表面摩擦图案趋于静止的过程。视频中气流方向从左向右。

4. 表面压强测量准备

1. 通过在测试段底面（可拆卸板）上钻孔，安装不锈钢管接头（外径 0.16 cm，长 2.54 cm），以构建静压测点。从长半椭球体锚定位点的中线开始，在展向跨度 8.89 cm、下游延伸 22.86 cm 的范围内布置钻孔网格，展向网格间距为 1.27 cm，下游方向网格间距为 2.54 cm（参见 图1）。不锈钢管的一端带有凸起，用于连接软管，另一端为直管，用于安装。
   注意：静态压力测点可布置得更密集，以获得更精细的压力测量点阵。
2. 安装围绕壁挂式长球形半球体锚定点的管状结构即 将模型声带息肉安装在测试段底部的预定位置，以准备进行测试。管状结构应与测试段底部齐平安装。
3. 将短段柔性管（6.35 cm 长，内径 0.159 cm，外径 0.475 cm 透明聚氯乙烯管）连接至安装好的不锈钢管接头与扫描式压力传感器的测量端口。该扫描式压力传感器具有十六个压力端口。

5. 表面压力测量数据采集

1. 将扫描压力传感器连接至计算机，并使用扫描压力传感器软件配置数据采集参数。设置采集软件以500 Hz的采样频率进行数据采集，持续时间为所需的数据采集时长。
   注意：由于低振荡频率下压力变化较小，数据采集采用扫描式压力传感器的最大采样率，即 500 Hz。
2. 将吸力风洞设定至所需速度。
3. 开始压力测量数据采集。压力测量可与任何所需的流动诊断技术同步进行。例如 PIV，激光多普勒测速，热线风速仪 等等。)

结果

先前利用一个放大7.5倍的动力驱动声带模型的研究表明，几何突起（即模拟声带息肉）的存在在整个发声周期中会扰乱喉口气流的正常动力学特性。此前动力驱动声带模型研究的代表性结果如图2和视频2所示。视频展示了声带模型从收敛形态转变为扩散形态的运动过程。声带模型以1.67 Hz的频率进行动态驱动，雷诺数为995，斯特劳哈尔数为1.9 × 10^-2。数据采集位置位于息肉下游7.5 mm处的横截面，采用相位平均粒子图像测速技术¹⁴。当声带开始打开时，形成一个收敛通道，并产生有利的压力梯度。在声门达到最大宽度、声带处于平行构型的开声阶段末期以及闭声阶段初期，气流开始围绕模型息肉发生旋转。如图2b和2c所示，此时形成两个反向旋转的涡旋。随着声带闭合，气流被迫绕过息肉并向前后中线外侧偏移。当前正在进行的研究旨在不考虑生理声带复杂性的前提下，探究壁面固定半椭球体在稳态和脉动横向流条件下的影响。目前已获得长宽比为2:1的扁球形半椭球体的初步结果；实验测试段的示意图如图...

讨论

理解从几何突起结构 产生并传播的涡旋结构，及其对驱动声带动力学的气动载荷的后续影响，对于建立相关模型和深入认识声带息肉与结节的治疗具有重要意义。本实验中，模型息肉所引起的气动载荷变化预计将有助于解释息肉患者中观察到的声带不规则振动现象^13,41。未来的研究工作将包括利用粒子图像测速技术，在非定常流动条件下研究三维流动分离，并将结果与表面流动显示及表面压力数据进行关联分析。

油流可视化是一种用于识别表面拓扑特征（如表面摩擦线、高速区和低速区）的有用且有效的技术。根据临界点理论^24,40,42，从表面流动可视化中分类分离线或附着线以及节点，是构建复杂三维流动中分离区和附着区拓扑图（有时称为涡旋骨架）的重要步骤。由于油流可视化主要是一种定性测量方法，因此必须将油流可视化获得的定性结果与表面压力和粒子图像测速（PIV）测量获得的定量结果相结合。拓扑图的构建有助于理解并识别三维流动结构，并将油流可视化结果与PIV测量结果关联起来。

油流可视化技术的局限性包括无法同时获取油流可视化数据...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
快速成型机	Objet	Objet24	托盘尺寸（X × Y × Z）：240 × 200 × 150 mm 成型层厚度 =  28 µm  精度 = 0.1 mm 成型分辨率：X 轴：600 dpi，Y 轴：600 dpi，Z 轴：900 dpi
快速成型机模型材料	Objet	VeroWhite Plus Fullcure 835
快速成型机支撑材料	Objet	FullCure 705 Support
复印碳粉	Xerox
煤油	Sunnyside
婴儿润肤油	Johnson's
自粘纸	Con-Tact Brand		白色自粘覆盖层
Tygon 软管	Tygon	PVC 软管	内径 1/16 英寸，外径 3/16 英寸
压力扫描仪（16 通道）	Scanivalve	DSA3217	用于气体压力测量 压力范围 = ±5 in H2O 满量程精度 = ±0.3% 满量程精度  最大扫描速率 = 500 Hz/通道
不锈钢接管	Scanivalve	TUBN-063-1.0	直径 0.063 英寸，长度 1 英寸