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。
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摘要
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....
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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
- 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....
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结果
先前利用一个放大7.5倍的动态驱动声带模型的研究表明，几何突起（模拟声带息肉）的存在在整个发声周期中会扰乱喉口射流的正常动力学特性。图2和视频2展示了此前驱动声带模型研究的代表性结果。视频中显示了驱动声带模型从收敛形态向发散形态转变的运动过程。声带模型以1.67 Hz的频率动态驱动，雷诺数为995，斯特劳哈尔数为1.9 × 10-2。数据在息肉下游7.5 mm处的横截面内通过相位平均粒子图像测速技术14获取。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进入闭合阶段时，流动开始围绕模型息肉发生旋转。如图2b和2c所示，形成两个反向旋转的涡旋。随着声带闭合，流动被迫绕过息肉并偏离前后中线。当前正在进行的研究旨在探讨固定于壁面的半椭球体在稳态和脉动横向流动条件下（不包含生理声带的复杂因素）的影响。目前已获得长轴与短轴比为2:1的扁椭球体的初步结果；实验测试段的示意图见图1
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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.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由美国国家科学基金会资助，资助编号为 CBET-1236351 以及乔治华盛顿大学仿生与生物启发工程中心（COBRE）。
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材料
| 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 |
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| 快速成型机支撑材料 | Objet | FullCure 705 Support | |
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| 不锈钢接管 | Scanivalve | TUBN-063-1.0 | 直径 0.063 英寸，长度 1 英寸 |
参考文献
- Hirano, M., Kakita, Y. Cover-body theory of vocal fold vibration. Speech science--recent advances. , College Hill Press. San Diego, CA. 1-46 (1985).
- Gray, S. D., Titze, I. R., Alipour, F., Hammond, T. H. Biomechanical and histologic observations of vocal fold fibrous proteins. ....
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