Name: Untersuchung der dreidimensionalen Strömungstrennung, die durch ein Modell Vocal Fold Polyp induziert wird (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-02-03T14:15:00.000+00:00
Duration: 9 min 58 s
Description: Erfahren Sie, wie dreidimensionale Strömungstrennung durch ein Modell-Stimmlippenpolyp induziert wird. Diese Methode nutzt Ölströmungsvisualisierung und instationäre Oberflächendruckmessungen, um Hufeisenwirbel und Haarnadelwirbel zu identifizieren.

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Diese Arbeit wird von der National Science Foundation, Grant No. CBET-1236351 und GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering (COBRE).

In dieser Arbeit wird auf dem Prüfabschnittsboden eines Saugwindkanals mit einem Kontraktionsverhältnis von 5:1 ein an der Wand montiertes Halbkugelideroid, d.h. ein Modell-Stimmfaltenpolyp, positioniert. Die unbeständige, dreidimensionale Strömungstrennung und ihre Wirkung auf die Wanddruckbelastung werden mittels Ölflussvisualisierung, Wanddruckmessungen und Partikelbild-Velocimetrie untersucht. Die unbeständigen Druckmessungen werden mit einem 16-Kanal-Scandruckwandler mit piezoresistiven Drucksensoren erfasst. Die Drucksensoren haben einen Frequenzgang von 670 Hz. Statische Druckhähne aus Edelstahlrohren werden bündig vor und nach dem Modell Stimmfaltenpolypen montiert, um die Oberflächendruckmessungen zu erleichtern und kurz auf das Scandruckgerät zu plump. Ölflussvisualisierung und Oberflächendruckmessungen können nicht gleichzeitig erfasst werden, da Öl in die Druckhähne fließen würde, was zu Verschmutzungen führen würde.
Der folgende Abschnitt enthält das Protokoll zum Einrichten und Erfassen von Ölfilm-Visualisierungen und Oberflächendruckmessungen um ein an der Wand montiertes Prolate-Halbhautoid. Obwohl phasengemittelte und zeitaufgelöste Partikelbild-Velocimetriemessungen erfasst werden, ist die PIV-Erfassung in diesem Protokoll nicht enthalten. Die Autoren schlagen die Referenzen von Raffel et al. vor. 36 und Adrian und Westerweel39 für ein tiefes Verständnis von PIV-Experimentalaufbau, Datenerfassung und Datenverarbeitung.
1. Protuberance generieren(d.h. Modell Polyp)
<ol><li>Erstellen Sie ein dreidimensionales CAD-Modell (Computer-Aided Design) mit der gewünschten Geometrie. Generieren Sie das Modell Vokalfaltenpolyp als prolates Halbkugeloid von 5,08 cm Länge, 2,54 cm Breite und 1,27 cm Höhe. Montieren Sie eine 2,54 cm quadratische Basis, die 0,64 cm dick ist, an der Unterseite des Modells Stimmfalten Polyp. Diese Basis wird verwendet, um das Modell auf dem Prüfabschnittsboden zu verankern.</li>
	<li>Exportieren Sie das 3D-CAD-Modell als Stereolithographiedatei (STL). Das STL-Dateiformat generiert die Modelloberfläche als eine Reihe von Dreiecken. Wählen Sie eine angemessene Auflösung, um eine glatte Oberfläche auf dem Modellpolypen zu gewährleisten. Es wird eine Auflösung von mindestens 600 Punkten/In empfohlen.</li>
	<li>Laden Sie die STL-Datei in die entsprechende Software hoch und drucken Sie die STL-Datei mit einem hochauflösenden dreidimensionalen Drucker oder Rapid Prototyper mit einer Build-Layer-Auflösung von mindestens 20 m.</li>
	<li>Der Windkanal-Testteil ist ca. 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm mit abnehmbarer Bodenplatte, wie in Abbildung 1dargestellt. Fräsen Sie ein 2,54 cm großes quadratisches Loch ca. 0,85 cm tief in den Windkanal-Testabschnitt Boden abnehmbare Platte, um das Modell Vokalfaltenpolyp für die Prüfung zu montieren. Die Bohrung sollte sich in der Mitte der Testabschnittsbreite befinden und zur Prüfung an der gewünschten nachgelagerten Stelle befinden.</li>
</ol>2. Öl-Flow-Visualisierungsvorbereitung
<ol><li>Um den Prüfabschnitt vorzubereiten, bedecken Sie die Prüfabschnittsoberfläche im Inneren des Windkanals mit weißem Klebepapier. Das Klebepapier vorsichtig auflegen und glätten, um sicherzustellen, dass der Prüfabschnittsboden keine Beulen aufgrund von Luftblasen oder Falten im Klebepapier hat. Schneiden Sie ein Loch im Klebepapier über dem quadratischen Loch im Testabschnittsboden für den Modell-Polyp-Anker, der an der Testabschnittswand befestigt werden soll.</li>
	<li>Setzen Sie die Protuberance (Modell-Gesangsfaltenpolyp) in die Ankerposition ein, um sich auf die Prüfung vorzubereiten. Siehe Abbildung 1.</li>
	<li>Montieren Sie eine hochauflösende Kamera über dem Windkanal-Testabschnitt. Fokussieren Sie die Kamera für das gewählte Sichtfeld einschließlich des Modellpolypes und des umgebenden Testabschnittsbereichs. Legen Sie die Kameraerfassungsparameter für Tests fest. Eine Videoeinstellung sollte verwendet werden, um den transienten Teil der Ölflussvisualisierung zu erfassen oder wenn unbeständige oder pulsatile Ströme von Interesse sind.</li>
	<li>Bereiten Sie das Flow-Visualisierungsöl-Gemisch vor, indem Sie Babyöl, Kopiertonerpulver und Kerosin im Verhältnis 7:1:2 nach Volumen kombinieren. Zum Beispiel: 35 ml Babyöl, 5 ml Tonerpulver und 10 ml Kerosin kombinieren. Babyöl und Tonerpulver in einem Behälter vermischen und rühren, bis der Toner vollständig aufgelöst ist. Dann das Kerosin hinzufügen und gut mischen.</li>
	<li>Übertragen Sie das Gemisch in eine Sprühflasche, um sie einfach auf die Testabschnittsoberfläche zu tragen.</li>
</ol>3. Öl-Flow-Visualisierungsmessungen
<ol><li>Reinigen und trocknen Sie die Prüfabschnittsoberfläche vor jeder Anwendung des Ölgemisches.</li>
	<li>Verwenden Sie die mit dem Ölgemisch gefüllte Sprühflasche, um eine dünne, gleichmäßige Flüssigkeitsschicht über den Bereich des Interesses zu sprühen. Eine dünne, gleichmäßige Ölgemischschicht ist wichtig, um richtige Ölfilm-Visualisierungsbilder zu erzeugen.</li>
	<li>Initiieren Sie die Bild- oder Videoaufnahme auf der Kamera. Beginnen Sie die Kameraaufnahme, bevor der Windkanal eingeschaltet wird, um die anfängliche transiente Ölgemischbewegung zu erfassen.</li>
	<li>Stellen Sie den Saugwindkanal auf die gewünschte Geschwindigkeit ein. Das Ölgemisch beginnt entlang der Testabschnittsoberfläche zu fließen.</li>
	<li>Sobald das Ölgemisch nicht mehr fließt und einen stabilen Zustand erreicht hat(d.h. die Muster sind stationär), oder wenn die gewünschte Zeit verstrichen ist, stoppen Sie die Kameraaufnahme und schalten Sie den Windkanal herunter. Hinweis: Video 1 zeigt das Ölgemisch, das fließt, bis ein stabiler Zustand erreicht ist und das Reibungsmuster der Haut stationär wird. Im Video bewegt sich der Fluss von links nach rechts.</li>
</ol>4. Oberflächendruckmessungsvorbereitung
<ol><li>Bereiten Sie die Bodenfläche des Prüfabschnitts (abnehmbare Platte) durch Bohren von Löchern zur Montage von Edelstahlrohren (0,16 cm Außendurchmesser und 2,54 cm Länge) in den Prüfabschnittsboden vor, um statische Druckhähne zu bauen. Beginnend an der Mittellinie der Ankerposition des prolaten Halbkugeloids, bohren Sie die Löcher auf einem Raster, das 8,89 cm in spanweiser Richtung und 22,86 cm flussabwärts mit 1,27 cm spanweisem Rasterabstand und 2,54 cm nachgeschaltetem Rasterabstand (siehe Abbildung 1) umfasst. Die Edelstahlrohre haben eine Wölbung an einem Ende zum Anbringen flexibler Schläuche und sind gerade am anderen Ende für die Montage. Hinweis: Die statischen Druckhähne können in engeren Intervallen für ein feineres Raster von Druckerfassungsstellen positioniert werden.</li>
	<li>Montieren Sie die Tubulationen um die Ankerposition des wandmontierten Prolaten-Hemispheroids(d.h. Modell-Stimmfaltenpolyp) in der gewünschten Konfiguration auf dem Prüfabschnittsboden, um sich auf die Prüfung vorzubereiten. Die Tubulationen sollten bündig mit dem Prüfabschnittsboden montiert werden.</li>
	<li>Befestigen Sie Stücke von kurzen flexiblen Schläuchen (6,35 cm Länge, 0,159 cm Innendurchmesser, 0,475 cm Außendurchmesser klare Polyvinylchloridrohre) von den montierten Edelstahlrohren an die Messöffnungsports des Scandruckwandlers. Der Scandruckwandler hat sechzehn Druckanschlüsse.</li>
</ol>5. Oberflächendruckmessungserfassung
<ol><li>Schließen Sie den Scandruckwandler an einen Computer an und konfigurieren Sie die Erfassungsparameter mit der Scandruckwandler-Software. Stellen Sie die Erfassungssoftware so ein, dass Daten für die gewünschte Dauer der Datenerfassung auf 500 Hz abgeführt werden. Hinweis: Aufgrund der geringen Druckschwankungen bei niedrigen Schwingungsfrequenzen wurden Daten mit der maximalen Abtastrate des Scandruckwandlers 500 Hz erfasst.</li>
	<li>Stellen Sie den Saugwindkanal auf die gewünschte Geschwindigkeit ein.</li>
	<li>Beginnen Sie mit der Druckmessungserfassung. Die Druckmessungen können gleichzeitig mit jeder gewünschten Strömungsdiagnostik(z.B. PIV, Laser Doppler-Anemometrie, Heißdraht-Anamometrie, etc.)erfasst werden.</li>
</ol>

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<li>Tobak, M., Peake, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Topology+of+three-dimensional+separated+flows%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Topology of three-dimensional separated flows.</a> Ann. Rev. Fluid Mech. 14, 61-85 (1982).</li>
<li>Zhang, Y., Jiang, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Asymmetric+Spatiotemporal+Chaos+Induced+by+a+Polypoid+Mass+in+the+Excised+Canine+Larynx%5BTitle%5D)+AND+%22Chaos%22%5BJournal%5D)">Asymmetric Spatiotemporal Chaos Induced by a Polypoid Mass in the Excised Canine Larynx.</a> Chaos. 18, 43102 (2008).</li>
<li>Délery, J. M., Jean, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Delery+Toward+the+elucidation+of+three-dimensional+separation%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Delery Toward the elucidation of three-dimensional separation.</a> Ann. Rev. Fluid Mech. 33, 129-154 (2001).</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Das Verständnis der Bildung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einer geometrischen Protuberanz und deren anschließende Wirkung auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist notwendig, um Einblicke und Modelle zu liefern, um die Behandlung von Stimmfaltenpolypen und Knötchen voranzutreiben. Die Variationen der aerodynamischen Belastungen, die durch das Modell Polypen in diesem Experiment verursacht werden, dürften zu einer unregelmäßigen Stimmfaltendynamik beitragen, die bei Patien...

Die Stimmfalten sind zwei Gewebebänder, die sich über die stimmliche Atemwege erstrecken. Stimmsprache wird erzeugt, wenn ein kritischer Lungendruck erreicht wird, der Luft durch adduktisierte Stimmfalten erzwingt. Die Stimmfalten bestehen aus vielen Gewebeschichten und werden oft durch ein vereinfachtes zweilagiges Bodycover-System1dargestellt. Die extrazelluläre Matrix, die den Großteil der Deckschicht ausmacht, besteht aus Kollagen- und Elastinfasern und bietet nichtlineare Spannungs-Dehnungseigenschaften, die für die richtige Bewegung der Stimmfalten1,2wichtig sind. Aerodynamische Kräfte vermitteln dem Gewebe der Stimmfalten Energie und regen selbstgetragene Schwingungenan 3. Während die Stimmfalten oszillieren, bildet die Öffnung zwischen ihnen, die als Glottis bezeichnet wird, eine zeitlich variierende Öffnung, die von einer konvergenten zu einer Uniform und dann zu einer divergierenden Passage übergeht, bevor sie den Zyklus4,6schließt und wiederholt. Schwingungsfrequenzen für normale Sprache erstrecken sich typischerweise über 100-220 Hz bei Männern bzw. Weibchen, wodurch ein pulsatiles Strömungsfeld entsteht, das durch die Glottis7verläuft. Der Fluidstruktur-Energieaustauschprozess für normale Sprache wurde ausgiebig8-12untersucht; jedoch ist die Störung dieses Prozesses für einige Pathologien nicht gut verstanden. Pathologische Bedingungen der Stimmfalten können zu dramatischen Veränderungen in ihrer Dynamik führen und die Fähigkeit beeinflussen, gesprochene Sprache zu erzeugen.
Polypen und Knötchen sind geometrische Anomalien, die sich auf der medialen Oberfläche der Stimmfalten bilden. Diese Anomalien können die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten beeinträchtigen13. Dennoch wurde erst vor kurzem die Störung des Strömungsfeldes aufgrund einer geometrischen Protuberanz wie ein Polyp als14betrachtet. Diese Studie zeigte, dass der "normale" Energieaustauschprozess der Flüssigkeitsstruktur drastisch verändert wurde und dass die Veränderung des Strömungsfeldes der wahrscheinlichste Grund für den starken Abbau der Stimmqualität bei Patienten mit Polypen und Knötchen war. Es wurde kein umfassendes Verständnis der Strömungsstrukturen durch dreidimensionale Strömungstrennung von einem Polypen im pulsatilen Fluss festgestellt. Die Erzeugung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einem Polypen und deren anschließende Auswirkungen auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist eine notwendige kritische Komponente, um die chirurgische Sanierung von Polypen bei Patienten voranzutreiben.
Während die Strömungstrennung von einem wandmontierten Halbkugeloid im stetigen Fluss15-23untersucht wurde, gibt es überraschenderweise wenig Informationen über eine unbeständige dreidimensionale Strömungstrennung von einem Hemispheroid an einer Wand, die pulsatilen oder unbeständigen Strömungsbedingungen ausgesetzt ist, wie sie in der Sprache zu finden sind. Die bahnbrechende Arbeit von Acarlar und Smith15 lieferte eine Analyse der dreidimensionalen kohärenten Strukturen, die durch stetigen Fluss über ein wandmontiertes Hemispheroid innerhalb einer laminaren Grenzschicht erzeugt werden. Acarlar und Smith identifizierten zwei Arten von vortical Strukturen. Vor der halbkugelförmigen Protuberanz bildete sich ein stehender Hufeisenwirbel, der sich flussabwärts der Protuberanz auf beiden Seiten erstreckte. Zusätzlich wurden Haarnadelwirbel periodisch von der Wand montiert Hemispheroid in die Wache vergossen. Die komplexe Bewegung und das Fortschreiten der Haarnadelwirbel wurde untersucht und detailliert beschrieben.
Der Fluss über einen glatt konturierten axisymmetrischen Hügel wurde zuvor untersucht, in dem sowohl oberflächenstatische Druckmessungen als auch Oberflächenölvisualisierungen an und nach der Beule innerhalb eines turbulenten Scherflusses erfasst wurden. Ölfilmtechniken ermöglichen die Visualisierung von Hautreibungslinien, Hoch- und Niedriggeschwindigkeitsbereichen sowie Trenn- und Befestigungspunkten innerhalb eines Oberflächenflusses und sind nützlich, um die Nachfuhr eines wandmontierten Objekts zu untersuchen. Für diese Technik wird die Oberfläche von Interesse mit einem dünnen Film aus einer Ölbasis und feinem Pulverpigment(d.h. Lampenschwarz, Graphitpulver oder Titandioxid) Gemisch beschichtet. Bei den gewünschten Strömungsbedingungen führen Reibungskräfte dazu, dass sich das Öl entlang der Oberfläche bewegt, wodurch sich das Pigmentpulver in Streifen ablagert. Kritische oder Singularitätspunkte, Positionen, an denen die Scherspannung Null oder zwei oder mehr Komponenten der mittleren Geschwindigkeit null ist, können aus dem resultierenden Hautreibungslinienmuster als Sattelpunkte oder Knotenpunkte24-26klassifiziert werden.
Für die Hügelgeometrie wurde keine Durchtrennung verursachte Singularität flussaufwärts gefunden; dies wurde auf die sanft aufsteigende Kontur der Beule zurückgeführt, die nicht den negativen Druckgradienten erzeugte, der bei einer halbkugelförmigen Protuberanz auftritt. Folglich beschleunigte sich der Fluss bis zum Höhepunkt der Beule, nach der sich kurz hinter der Stoßmittellinie unbeständige Sattelfokus-Trennpunkte entwickelten, wie es bei der Bildung eines Haarnadelwirbels27,28zu erwarten wäre. In einer Studie mit ähnlichen experimentellen Techniken mit einer anderen Wandgeometrie zeigte die Ölfilm-Visualisierung um einen oberflächenmontierten Würfel im stetigen Fluss, durchgeführt von Martinuzzi und Tropea29, zwei klare Hautreibungslinien vor dem Objekt. Die erste Hautreibungslinie entsprach der primären Trennlinie, die durch den ungünstigen Druckgradienten verursacht wurde, und die zweite Reibungslinie der Haut markierte die zeitgemittelte Position des Hufeisenwirbels. Oberflächendruckmessungen, die vor dem Objekt durchgeführt wurden, zeigten ein lokales Minimum entlang der Hufeisenwirbellinie und ein lokales Druckmaximum zwischen der primären Trennung und hufeisenwirbellinien. Ähnliche vorgelagerte Trennlinien werden mit anderen oberflächenmontierten Geometrien einschließlich eines Kreisförmigen Zylinders, einer Pyramide und eines Kegels29-31gebildet. Die Oberflächenvisualisierung nach den Wandobjekten zeigt in der Regel zwei Brennpunkte an, die durch den Rezirkulationsbereich hinter dem Objekt30verursacht werden. Zwei Wirbel werden an den Brennpunkten erzeugt und entsprechen dem "Arch-Typ" oder Haarnadelwirbel, der im Gefolge eines wandmontierten Hemispheroids32zu sehen ist.
Partikelbild-Velocimetrie (PIV) wurde bisher verwendet, um den Fluss nachdemzulesen von synthetischen Stimmfaltenmodellen33-35zu untersuchen. PIV ist eine nichtinvasive Visualisierungstechnik, bei der die Bewegung von Tracer-Partikeln innerhalb einer Ebene erfasst wird, um die räumlich-zeitliche Strömungsdynamik zu erfassen36. Dreidimensionale zusammenhängende Strukturen, die sich nach den oszillierenden Stimmfalten bilden, wurden von Neubauer et al. untersucht. 37; Wirbelerzeugung und Konvektion und Jet-Schlag wurden beobachtet. Kürzlich, Krebs et al. 38 untersuchte die Dreidimensionalität des Glottalstrahls mit stereoskopischem PIV und die Ergebnisse zeigen die Glottal-Jet-Achsenschaltung. Erath und Plesniak14 untersuchten die Wirkung eines Modellstimmfaltenpolypes auf die mediale Oberfläche eines 7,5-fach skalierten dynamisch angetriebenen Vokalfaltenmodells. Unterhalb des Polyp simonierte sich eine Rezirkulationsregion und die Strahldynamik wurde während des gesamten Phonationszyklus beeinflusst. Die bisherigen Studien, mit Ausnahme der getriebenen Vokalfalten-Polyp-Studie von Erath und Plesniak14, haben die Strömungsdynamik, die durch einen medialen Stimmfaltenpolyp oder Knötchen induziert wird, nicht erforscht.
Es ist wichtig, die fluiddynamische Wirkung des Modellpolypes in stetigen und pulsatilen Strömungsfeldern zu verstehen, bevor die zusätzliche Komplexität der stimmlichen Faltwände, induzierte Druckgradienten, begrenztes geometrisches Volumen und andere Feinheiten eingeschlossen werden. Die aktuelle Arbeit konzentriert sich auf die Signatur der Strömungsstrukturen an der nachgelagerten Wand unter stabilen und unbeständigen Strömungsbedingungen. Die Wechselwirkungen zwischen den vorticalen Strukturen, die aus einem Vorsprung und der nachgeschalteten Wand vergossen werden, sind von großem Interesse für die Untersuchung von Stimmfaltenpolypen sowie anderen biologischen Überlegungen, da diese Wechselwirkungen eine biologische Reaktion auslösen.

<table><tbody><tr><td>Rapid Prototyper</td><td>Objet</td><td>Objet24</td><td>Traygröße (X xY x Z): 240 x 200 x 150 mm Schichtdicke =&nbsp; 28 & Mikro; M&nbsp; Genauigkeit = 0,1 mm Bauauflösung: X-Achse: 600 dpi, Y-Achse: 600 dpi, Z-Achse: 900 dpi</td></tr><tr><td>Rapid Prototyper Modellmaterial</td><td>Objet</td><td>VeroWhite Plus Fullcure 835</td><td></td></tr><tr><td>Rapid Prototyper Support Material</td><td>Objet</td><td>FullCure 705 Support</td><td></td></tr><tr><td>Copy Toner</td><td>Xerox</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kerosin</td><td>Sunnyside</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Baby Oil</td><td>Johnson's</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Klebepapier</td><td>Kontakt Marke</td><td></td><td>Weiß selbstklebende Abdeckung</td></tr><tr><td>Tygon Schlauch</td><td>Tygon</td><td>PVC-Schlauch</td><td>1/16 Zoll ID, 3/16 Zoll Außendurchmesser</td></tr><tr><td>Druckscanner (16 Kanal)</td><td>Scanivalve</td><td>DSA3217</td><td>Wird für Gasdruckmessungen verwendet Druckbereich = &#177; 5 Zoll H2O Genauigkeit des Skalenendwerts = &#177; 0,3 % Genauigkeit des Skalenendwerts. Maximale Abtastrate = 500 Hz/Kanal</td></tr><tr><td>Edelstahl-Tubulationen</td><td>Scanivalve</td><td>TUBN-063-1.0</td><td>0,063 im Durchmesser und 1 in der Länge</td></tr></tbody></table>

untersuchung der dreidimensionalen strömungstrennung, die durch ein modell vocal fold polyp induziert wird

Investigating the Three-dimensional Flow Separation Induced by a Model Vocal Fold Polyp

Der Fluid-Struktur-Energieaustauschprozess für normale Sprache wurde ausgiebig untersucht, ist aber für pathologische Bedingungen nicht gut verstanden. Polypen und Knötchen, die geometrische Anomalien sind, die sich auf der medialen Oberfläche der Stimmfalten bilden, können die Stimmfaltendynamik stören und können daher verheerende Folgen für die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten haben. Unser Labor hat Partikelbild-Velocimetrie -Messungen (PIV) im Rahmen einer Untersuchung eines Modellpolypes gemeldet, der sich auf der medialen Oberfläche eines in vitro angetriebenen Stimmfaltmodells befindet, die zeigen, dass eine solche geometrische Anomalie das Glottalstrahlverhalten erheblich stört. Diese Durchflussfeldanpassung ist ein wahrscheinlicher Grund für den starken Abbau der Stimmqualität bei Patienten mit Polypen. Ein vollständigeres Verständnis der Bildung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einer geometrischen Protuberanz, wie z.B. einem Stimmfaltenpolypen, und der daraus resultierende Einfluss auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist notwendig, um die Behandlung dieser pathologischen Erkrankung voranzutreiben. Die vorliegende Untersuchung betrifft die dreidimensionale Strömungstrennung, die durch ein wandmontiertes Prolate-Hemispheroid mit einem Seitenverhältnis von 2:1 im Querfluss, d.h. einem Modell-Vokalfaltenpolypen, mit einer Öl-Film-Visualisierungstechnik induziert wird. Die unbeständige, dreidimensionale Strömungstrennung und deren Auswirkungen der Wanddruckbelastung werden mittels Hautreiblinienvisualisierung und Wanddruckmessungen untersucht.

Frühere Arbeiten mit einem 7,5-fach skalierten dynamisch angetriebenen Vokalfaltenmodell haben gezeigt, dass das Vorhandensein einer geometrischen Protuberance, Modellstimmfaltenpolypen, die normale Dynamik des Glottalstrahls während des gesamten Phonatorationszyklus stört. Repräsentative Ergebnisse der vorherigen getriebenen Vokalfaltenmodellstudie sind in Abbildung 2 und Video 2dargestellt. Das Video zeigt die Bewegung der angetriebenen Stimmfalten, während sie sich von einer konvergen...

Stimmfaltenpolypen können die Stimmfaltendynamik stören und somit verheerende Folgen für die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten haben. Die dreidimensionale Strömungstrennung, die durch einen wandmontierten Modellpolypen induziert wird, und seine Auswirkungen auf die Wanddruckbelastung werden mittels Partikelbild-Velocimetrie, Hautreibungslinienvisualisierung und Wanddruckmessungen untersucht.

Untersuchung der dreidimensionalen Strömungstrennung, die durch ein Modell Vocal Fold Polyp induziert wird

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, die dreidimensionale Strömungsablösung zu untersuchen, die durch ein Modell einer Stimmlippenpolypen verursacht wird. Dies wird erreicht, indem eine halbkugelförmige Protuberanz mit einem Seitenverhältnis von zwei zu eins im Prüfabschnitt eines Windkanals montiert wird, um eine wandbündige Vorsprungsstruktur wie einen Polypen oder Knoten zu modellieren. Als zweiter Schritt werden Öl-Strömungsvisualisierungstechniken angewendet, die die Sichtbarmachung von Wandreibungslinien sowie von Ablösungs- und Anlegepunkten innerhalb der Oberflächenströmung ermöglichen.Danach werden instationäre Oberflächendruckmessungen um die an der Wand befestigte Vorsprungsstruktur herum durchgeführt. Um die Wanddruckbelastungen um den Modell-Polypen zu quantifizieren, zeigen die Ergebnisse in Kombination mit Particle-Image-Velocimetry-Symmetriedaten das Vorhandensein eines Hufeisenwirbels, der Haarnadelwirbel ablöst, sowie räumliche und zeitliche Druckbelastungen um den Modell-Stimmfaltenpolypen, die voraussichtlich zu den bei Patienten mit pathologischen Erkrankungen wie Polypen oder Knötchen beobachteten unregelmäßigen Stimmfalbendynamiken beitragen. Diese Methode kann Einblicke in die Strömungsdynamik pathologischer Stimmfalterkrankungen liefern.Es kann auch auf andere Systeme angewendet werden, wie beispielsweise Blutfluss und stenosiertes Arteriensystem, Küstendünenmanagement, Sekundärströmungen sowie Wärmetauscher und Anwendungen in der Windenergie. Im Allgemeinen können Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten haben, die geeignete ölbasierte Mischung für ihre spezifischen Testbedingungen zu bestimmen. Um das Modell eines Stimmlippenpolypen zu erstellen, beginnen Sie mit dem Entwurf eines dreidimensionalen computergestützten Konstruktionsmodells (CAD-Modell) des Polypen.Als prolate Hemisphäre fügen Sie eine quadratische Basis an der Unterseite des Modellstimmlippenpolypen hinzu, um das Modell am Boden des Prüfabschnitts zu verankern. Exportieren Sie das 3D-CAD-Modell als Stereolithographie- oder STL-Datei. Wählen Sie eine Auflösung von mindestens 600 Punkten pro Zoll, um eine glatte Oberfläche des Modellpolypen sicherzustellen.Laden Sie die STL-Datei in die entsprechende Software hoch und drucken Sie sie mit einem 3D-Drucker oder Rapid-Prototyper mit hoher Auflösung. Bei einer Schichtauflösung von mindestens 20 Mikrometern ist der Polyp nun bereit, im Strömungskanal montiert zu werden. Der Prüfabschnitt des Strömungskanals verfügt über eine auswechselbare Bodenplatte mit einem quadratischen Loch entlang der spannungsmitte und an der gewünschten stromabwärtigen Position.Das Loch dient zur Montage des Modells eines Stimmlippenpolypen. Um die Öldurchflusstests vorzubereiten, bedecken Sie die Innenseite des Windkanal-Testabschnitts mit weißem Klebepapier. Bringen Sie das Klebepapier sorgfältig an, um sicherzustellen, dass keine Falten oder Unebenheiten durch Luftblasen entstehen.Schneiden Sie ein Loch in das Klebepapier über der quadratischen Öffnung im Boden des Prüfabschnitts. Danach setzen Sie die auswechselbare Bodenplatte im Prüfabschnitt wieder ein. Stecken Sie nun das Modellpolyp in die Verankerungsposition.Um sich auf die Prüfung mit einer hochauflösenden Kamera vorzubereiten, die oberhalb des Prüfabschnitts des Windkanals montiert ist, stellen Sie die Kamera so scharf, dass ihr Sichtfeld den Modellpolypen und den umgebenden Bereich des Prüfabschnitts einschließt. Stellen Sie die Kamera darauf ein, entweder Bilder oder Videos aufzuzeichnen. Bereiten Sie die Öl-Mischung für die Strömungssichtbarmachung vor, indem Sie Babyöl, Tonerpulver und Kerosin im volumetrischen Verhältnis sieben zu eins zu zwei miteinander vermengen.Mischen Sie das Babyöl und das Toner-Pulver in einem Behälter und rühren Sie einige Sekunden lang, bis der Toner vollständig gelöst ist. Geben Sie dann das Kerosin hinzu und mischen Sie erneut. Überführen Sie die Mischung anschließend gut in eine Sprühflasche, um eine einfache Applikation auf der Oberfläche des Testabschnitts zu ermöglichen.Bevor die Ölmischung aufgetragen wird, reinigen Sie die Prüffläche mit Wasser und trocknen Sie sie mit einem Papiertuch ab. Anschließend lässt man sie einige Minuten lang an der Luft trocknen. Sprühen Sie mithilfe der Sprühflasche, die mit der Ölmischung gefüllt ist, eine dünne, gleichmäßige Flüssigkeitsschicht auf den Bereich um die Modell-Stimmlippenpolypen herum.Eine dünne, gleichmäßige Ölmischungsschicht ist wichtig für die Herstellung eines geeigneten Ölfilms. Die Visualisierungsbilder werden gestartet, um die Bild- oder Videoaufnahme an der Kamera zu initiieren. Die Kameraaufnahme wird begonnen, bevor der Windkanal eingeschaltet wird.Um die anfängliche transiente Bewegung des &Ouml;l-Gemischs aufzuzeichnen, schalten Sie den Saug-Windkanal auf die gew&uuml;nschte Geschwindigkeit ein. Das &Ouml;l-Gemisch beginnt, entlang der Oberfl&auml;che der Teststrecke zu flie&szlig;en. Sobald das &Ouml;l-Gemisch aufh&ouml;rt zu flie&szlig;en und einen station&auml;ren Zustand erreicht hat, wie durch station&auml;re Muster angezeigt, oder wenn die gew&uuml;nschte Zeit verstrichen ist, beenden Sie die Kameraaufnahme und schalten Sie den Windkanal ab, um den statischen Druck anzulegen.Klopfen Sie auf die Bodenfläche des Testabschnitts. Beginnen Sie in der Mittellinie der Ankerposition des Modell-Polypen und bohren Sie Löcher in die abnehmbare Platte, um ein Gittermuster zu erzeugen, das 8,89 Zentimeter breit und 22,86 Zentimeter stromabwärts reicht. Bringen Sie anschließend Edelstahl-Tabs in den Löchern um den Modell-Polypen in der gewünschten Anordnung an.Die Druckmessdüsen weisen an einem Ende eine Wölbung zum Anschließen von flexiblen Schläuchen auf und sind am anderen Ende gerade, um sie montieren zu können. Bei ordnungsgemäßer Montage liegen die Druckmessdüsen bündig mit der Bodenfläche des Prüfabschnitts abschließend auf. Als Nächstes werden kurze Stücke transparenter, flexibler Polyvinylchlorid-Schläuche angebracht, um die montierten Edelstahl-Druckmessdüsen mit den Messanschlüssen des scannenden Druckmesswandlers zu verbinden.Der Scanning-Druckaufnehmer verfügt über 16 Druckanschlüsse. Beginnen Sie die Erfassung der Oberflächendruckdaten, indem Sie den Scanning-Druckaufnehmer mit einem Computer verbinden und die Erfassungsparameter mithilfe der Software des Scanning-Druckaufnehmers konfigurieren. Stellen Sie die Erfassungssoftware so ein, dass sie Daten mit 500 Hertz über die gewünschte Dauer der Datenerfassung aufzeichnet.Als Nächstes stellen Sie den Saug-Windkanal auf die gewünschte Geschwindigkeit ein. Beginnen Sie nun mit der Erfassung der Druckmessung. Die Druckmessungen können gleichzeitig mit jeder gewünschten Strömungsdiagnosemethode durchgeführt werden.Beispielsweise PIV-Laser, Doppler-Velazymmetrie und Hitzdrahtanemometrie. Das Modellpolyp wurde unter stationären Strömungsbedingungen mit einer Reynolds-Zahl von 9.000 getestet. Die primäre stromauf gelegene Ablösezone ist als dunkle Linie stromauf des Polypen dargestellt.In der Nähe des Nachlaufs des Polypen befinden sich zwei Wirbelstärken-Konzentrationsknoten, die als Anheftungspunkte für zwei entgegengesetzt rotierende Wirbelröhren dienen und die Beine des abwärtsgeströmten Haarnadelwirbels bilden. Dargestellt ist hier ein Ölstrom-Sichtbarmachungsbild eines Modellpolypen in Querströmung mit einer Reynolds-Zahl von 9.000. Die dunklen Linien, die sich stromabwärts von den Seiten des Polypen erstrecken und die äußeren Grenzen des Nachlaufs darstellen, laufen aufgrund des Hinterwirbels hinter dem Objekt bis zum Anheftungspunkt zusammen.Die Ergebnisse der Öl-Strömungsvisualisierung unter stationären Strömungsbedingungen bestätigen die Bildung eines Hufeisenwirbelsystems stromaufwärts des Modell-Polypen und von Haarnadelwirbeln stromabwärts des Polypen. Hier werden die Druckmessungen stromaufwärts und stromabwärts über einen einzelnen oszillierenden Zyklus dargestellt. Die rote Linie an der Position Nummer drei markiert die Stelle des niedrigsten Drucks im Rückströmungsbereich unmittelbar stromabwärts des Polypen.Es wurde festgestellt, dass sich die einzelnen Werte der Druckmessgeräte während des gesamten Zyklus verändern, und die Druckdifferenz zwischen den Positionen der Druckmessgeräte variierte je nach Zyklusposition und damit verbundener mittlerer Geschwindigkeit. Hier ist eine verwandte Studie unter Verwendung angetriebener Modellstimmlippen und eines an der Wand befestigten Modellstimmlippenpolypen. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit verläuft aus dem Bildschirm heraus.Die farbigen Pfeile zeigen die Vektorplots der Geschwindigkeitsbeträge, während sich die Stimmlippen zu öffnen beginnen. Ein konvergenter Kanal bildet sich, und ein günstiger Druckgradient entsteht. Die Strömung strömt über die Polypenmasse hinweg und wird in Richtung der Mittellinie gelenkt.Wenn der Glottis seinen maximalen Durchmesser erreicht und eine parallele Konfiguration annimmt, bilden sich zwei gegenläufige, strömungsparallele Wirbel. Wenn sich die Stimmlippen schließen, wird die Strömung um den Polypen herum und weg von der anterioren, posterioren Mittellinie gelenkt. Sobald diese Technik beherrscht ist, kann sie bei korrekter Durchführung innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden. Nach dem Ansehen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Daten der Ölfilm-Visualisierung erfasst, die zur Identifizierung von Reibungslinien an der Oberfläche, von Bereichen mit hoher und niedriger Geschwindigkeit sowie zur Erstellung topologischer Karten komplexer dreidimensionaler Strömungen verwendet werden können.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

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