Artículo de método

Investigación De La Separación De Flujo Tridimensional Inducida Por Un Pólipo Modelo De Pliegue Vocal

DOI:

10.3791/51080

⸱

3 de febrero de 2014

 ,  , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University, 2Department of Mechanical and Aeronautical Engineering, Clarkson University

En este artículo

Resumen

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Los pólipos del doblez vocal pueden interrumpir dinámica del doblez vocal y pueden tener así consecuencias devastadoras en un patient' capacidad de s de comunicarse. La separación tridimensional del flujo inducida por un pólipo modelo montado en la pared y su impacto en la carga de la presión de la pared se examinan usando velocimetría de la imagen de la partícula, visualización de la línea de fricción de la piel, y medidas de la presión de la pared.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El proceso del intercambio de energía de la líquido-estructura para el discurso normal se ha estudiado extensivamente, pero no se entiende bien para las condiciones patológicas. Los pólipos y los nódulos, que son las anormalidades geométricas que forman en la superficie intermedia de los dobleces vocales, pueden interrumpir dinámica del doblez vocal y pueden tener así consecuencias devastadoras en un patient' capacidad de s de comunicarse. Nuestro laboratorio ha divulgado medidas del velocimetry de la imagen de la partícula (PIV), dentro de una investigación de un pólipo modelo situado en la superficie intermedia de un modelo in vitro conducido del doblez vocal, que demuestran que tal anormalidad geométrica interrumpe considerablemente el comportamiento glótica del jet. Este ajuste del campo del flujo es una razón probable de la degradación severa de la calidad vocal en pacientes con los pólipos. Una comprensión más completa de la formación y de la propagación de estructuras vorticales de una protuberancia geométrica, tal como un pólipo del doblez vocal, y de la influencia resultante en los cargamentos aerodinámicos que conducen la dinámica del doblez vocal, es necesaria avanzar el tratamiento de esta condición patológica. La actual investigación se refiere a la separación tridimensional del flujo inducida por un hemisferoide montado en la pared del prolato con un cociente de aspecto del 2:1 en flujo cruzado, es decir un polyp modelo del doblez vocal, usando una técnica de la visualización de la aceite-película. La separación de flujo inestable y tridimensional y su impacto de la carga de presión de la pared se examinan utilizando la visualización de la línea de fricción de la piel y las mediciones de presión de la pared.

Introducción

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Los pliegues vocales son dos bandas de tejido que se extienden a través de las vías respiratorias vocales. El habla con voz se produce cuando se logra una presión pulmonar crítica, forzando el aire a través de pliegues vocales aducidos. Los pliegues vocales están compuestos por muchas capas de tejido y a menudo están representados por un sistema simplificado de cubierta corporal de doscapas 1. La matriz extracelular, que constituye la mayor parte de la capa de cobertura, está compuesta por fibras de colágeno y elastina, proporcionando características no lineales de tensión-deformación, que son importantes para el correcto movimiento de los pliegues vocales1,2. Las fuerzas aerodinámicas imparten energía al tejido de los pliegues vocales y excitan las oscilaciones autosostenidas3. A medida que los pliegues vocales oscilan, la abertura entre ellos, conocida como la glotis, forma un orificio que varía temporalmente que pasa de un convergente a un uniforme y luego a un pasaje divergente antes de cerrar y repetir el ciclo4,6. Las frecuencias de vibración para el habla normal típicamente abarcan 100-220 Hz en hombres y mujeres respectivamente, creando un campo de flujo pulsátil que pasa a través de la glotis7. El proceso de intercambio de energía fluido-estructura para el habla normal se ha estudiado ampliamente8-12; sin embargo, la interrupción de este proceso para algunas patologías no se entiende bien. Las condiciones patológicas de los pliegues vocales pueden dar lugar a cambios dramáticos en su dinámica y afectar la capacidad de generar el habla expresada.

Los pólipos y los nódulos son anormalidades geométricas que se forman en la superficie medial de los dobleces vocales. Estas anomalías pueden afectar la capacidad del paciente para comunicarse13. Sin embargo, sólo recientemente se ha considerado la interrupción del campo de flujo debido a una protuberancia geométrica como un pólipo14. Ese estudio mostró que el proceso "normal" del energía-intercambio de la líquido-estructura del discurso fue alterado drástico, y que la modificación del campo del flujo era la razón más probable de la degradación severa de la calidad vocal en pacientes con los pólipos y los nódulos. No se ha establecido ninguna comprensión comprensiva de las estructuras del flujo producidas por la separación tridimensional del flujo de un pólipo en flujo pulsátil. La generación y propagación de estructuras vorticales de un pólipo, y su impacto subsecuente en los cargamentos aerodinámicos que conducen dinámica del doblez vocal es un componente crítico necesario para avanzar la remediación quirúrgica de pólipos en pacientes.

Mientras que la separación de flujo de un hemisferoide montado en la pared en flujo constante se ha investigado15-23,sorprendentemente, hay poca información con respecto a la separación de flujo tridimensional inestable de un hemisferoide en una pared sujeta a condiciones de flujo pulsátil o inestable como se encuentran en el habla. El trabajo seminal de Acarlar y Smith15 proporcionó un análisis de las estructuras coherentes tridimensionales generadas por el flujo constante sobre un hemisferoide montado en la pared dentro de una capa límite laminar. Acarlar y Smith identificaron dos tipos de estructuras vorticales. Un vórtice de herradura de pie se formó aguas arriba de la protuberancia hemisférica y se extendió aguas abajo de la protuberancia a cada lado. Además, los vórtices de horquilla fueron vertidos periódicamente del hemisferoide montado en la pared en la estela. El movimiento complejo y la progresión de los vórtices de la horquilla fueron investigados y descritos detalladamente.

El flujo sobre una colina axisymmetric suavemente contorneada se ha estudiado previamente en el que tanto las mediciones de presión estática superficial como la visualización del aceite superficial se adquirieron en y aguas abajo de la protuberancia dentro de un flujo de cizalladura turbulento. Las técnicas de película de aceite permiten la visualización de las líneas de fricción de la piel, las regiones de alta y baja velocidad y los puntos de separación y fijación dentro de un flujo superficial, y son útiles para investigar la estela de un objeto montado en la pared. Para esta técnica, la superficie de interés está recubierta con una película delgada de una mezcla de pigmento de base de aceite y polvo fino (esdecir, lampblack, polvo de grafito o dióxido de titanio). En las condiciones de flujo deseadas, las fuerzas de fricción hacen que el aceite se mueva a lo largo de la superficie, lo que hace que el polvo de pigmento se deposite en rayas. Los puntos críticos o de singularidad, lugares donde la tensión de cizalladura es cero o dos o más componentes de la velocidad media son cero, se pueden clasificar a partir del patrón de línea de fricción de la piel resultante como puntos de sillín o puntos nodales24-26.

Para la geometría de la colina, no se encontró ninguna singularidad causada por la separación aguas arriba; esto se atribuyó al contorno suavemente ascendente de la protuberancia, que no generó el gradiente de presión adverso que se produce con una protuberancia hemisferoide. En consecuencia, se encontró que el flujo se aceleraba hasta el pináculo de la protuberancia, después de lo cual, los puntos de separación inestables de enfoque de silla de montar se desarrollaron poco después de la línea central de la protuberancia, como se esperaría de la formación de un vórtice de horquilla27,28. En un estudio utilizando técnicas experimentales similares con una geometría montada en la pared diferente, la visualización de la película de aceite alrededor de un cubo montado en la superficie en flujo constante realizado por Martinuzzi y Tropea29 mostró dos líneas claras de fricción de la piel aguas arriba del objeto. La primera línea de fricción de la piel correspondió a la línea primaria de la separación causada por el gradiente de presión adverso y la segunda línea de la fricción de la piel marcó la localización tiempo-promediada del vórtice de herradura. Las mediciones de presión superficial realizadas aguas arriba del objeto mostraron un mínimo local a lo largo de la línea de vórtice de herradura y un máximo de presión local entre la separación primaria y las líneas de vórtice de herradura. Se forman líneas de separación aguas arriba similares con otras geometrías montadas en la superficie, incluyendo un cilindro circular, pirámide y cono29-31. La visualización de la superficie aguas abajo de los objetos montados en la pared normalmente muestra dos focos causados por la región de recirculación detrás del objeto30. Dos vórtices se generan en las posiciones de los focos y corresponden al "tipo arco" o vórtice de horquilla visto en la estela de un hemisferoide montado en la pared32.

La velocimetría de imagen de partículas (PIV) se ha utilizado previamente para estudiar el flujo aguas abajo de los modelos de pliegues vocales sintéticos33-35. Piv es una técnica de visualización no invasiva que las imágenes de flujo trazalín el movimiento de partículas dentro de un plano en para capturar la dinámica de fluidos espacio-temporal36. Las estructuras coherentes tridimensionales que se forman aguas abajo de los pliegues vocales oscilantes han sido estudiadas por Neubauer et al. 37; La generación del vórtice y la convección y el aleteo del jet fueron observados. Recientemente, Krebs et al. 38 estudiaron la tridimensionalidad del chorro glótica utilizando PIV estereoscópico y los resultados demuestran la conmutación del eje del chorro glótica. Erath y Plesniak14 investigaron el efecto de un pólipo de pliegue vocal modelo en la superficie medial de un modelo de pliegue vocal dinámicamente impulsado por 7,5 veces. Una región de la recirculación fue formada rio abajo del polyp y la dinámica del jet fue afectada a través del ciclo phonatory. Los estudios anteriores, excepto el estudio conducido del pólipo del doblez vocal por Erath y Plesniak14,no han explorado la dinámica flúida inducida por un pólipo o un nódulo intermedia del doblez vocal.

Es importante entender el efecto dinámico fluido del pólipo modelo dentro de los campos de flujo constante y pulsátil antes de incluir la complejidad adicional de las paredes móviles del pliegue vocal, los gradientes de presión inducidos, el volumen geométrico confinado y otras complejidades. El trabajo actual se centra en la firma de las estructuras de flujo en la pared aguas abajo en condiciones de flujo estables e inestables. Las interacciones entre las estructuras vorticales que se desprenden de una protuberancia y la pared aguas abajo es de gran interés para la investigación de los pólipos del pliegue vocal, así como otras consideraciones biológicas, ya que estas interacciones provocan una respuesta biológica.

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Protocolo

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En este trabajo, un hemisferoide de prolato montado en la pared, es decir, un pólipo de pliegue vocal modelo, se coloca en el piso de la sección de prueba de un túnel de viento tipo succión con una relación de contracción de 5:1. La separación de flujo inestable y tridimensional y su efecto en la carga de presión de pared se investigan utilizando la visualización de flujo de aceite, mediciones de presión de pared y velocimetría de imagen de partículas. Las mediciones de presión inestable se adquieren utilizando un transductor de presión de barrido de dieciséis canales con sensores de presión piezorresistivos. Los sensores de presión tienen una respuesta de frecuencia de 670 Hz. Los grifos de presión estáticos formados a partir de tubulaciones de acero inoxidable se montan aguas arriba y aguas abajo del pólipo del pliegue vocal modelo para facilitar las mediciones de presión superficial y se van a cortocircuitar al dispositivo de presión de barrido. La visualización del flujo de aceite y las mediciones de presión superficial no se pueden adquirir simultáneamente porque el aceite fluiría hacia los grifos de presión causando ensuciamiento.

La siguiente sección proporciona el protocolo para configurar y adquirir la visualización de la película de aceite y las mediciones de presión superficial alrededor de un hemisferoide de prolato montado en la pared. Aunque se están adquiriendo mediciones de velocimetría de imagen de partículas promediadas en fase y resueltas en el tiempo, la adquisición de PIV no está incluida en este protocolo. Los autores sugieren las referencias de Raffel et al. 36 y Adrian y Westerweel39 para una comprensión profunda de la configuración experimental de PIV, la adquisición de datos y el procesamiento de datos.

1. Generar protuberancia(es decir, pólipo modelo)

  1. Construya un modelo tridimensional de diseño asistido por ordenador (CAD) con la geometría deseada. Generar el pólipo del pliegue vocal modelo como un hemisferoide prolato que mide 5,08 cm de largo, 2,54 cm de ancho y 1,27 cm de alto. Monte una base cuadrada de 2,54 cm de espesor de 0,64 cm en la parte inferior del pólipo del pliegue vocal modelo. Esta base se utilizará para anclar el modelo al piso de la sección de prueba.
  2. Exporte el modelo CAD 3D como un archivo de estereolitografía (STL). El formato de archivo STL genera la superficie del modelo como una serie de triángulos. Elija una resolución adecuada para asegurar una superficie lisa en el pólipo modelo. Se recomienda una resolución de al menos 600 puntos/pulgada.
  3. Cargue el archivo STL en el software apropiado e imprima el archivo STL utilizando una impresora tridimensional de alta resolución o un prototipo rápido con una resolución de capa de construcción de al menos 20 μm.
  4. La sección de prueba del túnel de viento es de aproximadamente 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm con una placa inferior extraíble como se muestra en la Figura 1. Fresar un agujero cuadrado de 2,54 cm de aproximadamente 0,85 cm de profundidad en la placa extraíble del piso de la sección de prueba del túnel de viento para montar el pólipo del pliegue vocal modelo para la prueba. El agujero debe estar ubicado en el centro del ancho de la sección de prueba y estar ubicado en la ubicación aguas abajo deseada para la prueba.

2. Preparación de visualización de flujo de aceite

  1. Para preparar la sección de prueba, cubra la superficie de la sección de prueba dentro del túnel de viento con papel adhesivo blanco. Coloque y alise cuidadosamente el papel adhesivo para asegurarse de que el piso de la sección de prueba no tenga golpes debido a burbujas de aire o pliegues en el papel adhesivo. Corte un orificio en el papel adhesivo por encima del orificio cuadrado en el piso de la sección de prueba para que el anclaje del pólipo modelo se adhiera a la pared de la sección de prueba.
  2. Inserte la protuberancia (pólipo del pliegue vocal modelo) en la posición de anclaje para prepararse para la prueba. Consulte la Figura 1.
  3. Monte una cámara de alta resolución sobre la sección de prueba del túnel de viento. Enfoque la cámara para el campo de visión elegido, incluido el pólipo modelo y el área de la sección de prueba circundante. Establezca los parámetros de adquisición de la cámara para las pruebas. Se debe utilizar un ajuste de vídeo para capturar la parte transitoria de la visualización del flujo de aceite o si los flujos inestables o pulsátiles son de interés.
  4. Prepare la mezcla de aceite de flujo y visualización combinando aceite de bebé, polvo de tóner de copia y queroseno en una proporción de 7:1:2 por volumen. Por ejemplo: combine 35 ml de aceite de bebé, 5 ml de polvo de tóner de copia y 10 ml de queroseno. Mezcle el aceite de bebé y el polvo de tóner juntos en un recipiente y revuelva hasta que el tóner se disuelva por completo. A continuación añadimos el queroseno y mezclamos bien.
  5. Transfiera la mezcla a una botella de pulverización para facilitar su aplicación a la superficie de la sección de prueba.

3. Mediciones de visualización de flujo de aceite

  1. Limpie y seque la superficie de la sección de prueba antes de cada aplicación de la mezcla de aceite.
  2. Use la botella de aerosol llena de la mezcla de aceite para rociar una capa delgada y uniforme de líquido sobre la sección de interés. Una capa de mezcla de aceite delgada y uniforme es importante para producir imágenes de visualización de película de aceite adecuadas.
  3. Iniciar la adquisición de imágenes o vídeos en la cámara. Comience la adquisición de la cámara antes de que se encienda el túnel de viento para capturar el movimiento transitorio inicial de la mezcla de aceite.
  4. Establezca el túnel de viento de succión a la velocidad deseada. La mezcla de aceite comenzará a fluir a lo largo de la superficie de la sección de prueba.
  5. Una vez que la mezcla de aceite deja de fluir y ha alcanzado un estado estacionario(es decir, los patrones son estacionarios), o cuando ha transcurrido el tiempo deseado, detenga la grabación de la cámara y abata el túnel de viento.
    Nota: El video 1 muestra la mezcla de aceite fluyendo hasta que se alcanza un estado estacionario y el patrón de fricción de la piel se vuelve estacionario. En el vídeo el flujo se mueve de izquierda a derecha.

4. Preparación de medición de presión superficial

  1. Prepare la superficie del piso de la sección de prueba (placa extraíble) perforando agujeros para montar tubulaciones de acero inoxidable (diámetro exterior de 0,16 cm y 2,54 cm de largo) en el piso de la sección de prueba para construir grifos de presión estáticos. Comenzando en la línea media de la posición de anclaje del hemisferoide prolato, perfore los agujeros en una cuadrícula que abarque 8,89 cm en la dirección spanwise y 22,86 cm aguas abajo con un espaciado de cuadrícula spanwise de 1,27 cm y un espaciado de cuadrícula aguas abajo de 2,54 cm (consulte la Figura 1). Las túculaciones de acero inoxidable tienen una protuberancia en un extremo para unir tubos flexibles y son rectas en el otro extremo para el montaje.
    Nota: Los grifos de presión estáticos se pueden colocar a intervalos más cercanos para una cuadrícula más fina de ubicaciones de adquisición de presión.
  2. Monte las tubulaciones que rodean la posición de anclaje del hemisferoide de prolato montado en la pared(es decir, pólipo de pliegue vocal modelo) en la configuración deseada en el piso de la sección de prueba para prepararse para la prueba. Las tubulaciones deben montarse al ras con el piso de la sección de prueba.
  3. Coloque piezas de tubos flexibles cortos (6,35 cm de longitud, 0,159 cm de diámetro interior, tubo de cloruro de polivinilo transparente de 0,475 cm de diámetro exterior) de las túculaciones de acero inoxidable montadas a los puertos de medición del transductor de presión de barrido. El transductor de presión de barrido tiene dieciséis puertos de presión.

5. Adquisición de medición de presión superficial

  1. Conecte el transductor de presión de escaneo a un ordenador y configure los parámetros de adquisición utilizando el software del transductor de presión de barrido. Configure el software de adquisición para adquirir datos a 500 Hz durante la duración deseada de la adquisición de datos.
    Nota: Los datos se adquirieron a la velocidad de muestreo máxima del transductor de presión de barrido, 500 Hz, debido a las pequeñas variaciones de presión a bajas frecuencias de oscilación.
  2. Establezca el túnel de viento de succión a la velocidad deseada.
  3. Comience la adquisición de la medida de la presión. Las mediciones de presión se pueden adquirir simultáneamente con cualquier técnica de diagnóstico de flujo deseada(por ejemplo, PIV, anemometría láser Doppler, anamometría de alambre caliente, etc.)

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Resultados

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El trabajo anterior usando un modelo dinámico dinámicamente conducido del doblez de 7,5 veces ha demostrado que la presencia de una protuberancia geométrica, pólipo del doblez vocal del modelo, interrumpe la dinámica normal del jet glótico a través del ciclo phonatory. Los resultados representativos del estudio anterior del modelo de pliegues vocales impulsados se muestran en la Figura 2 y el Video 2. El video muestra el movimiento de los pliegues vocales impulsados a medida que cambian ...

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Discusión

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La comprensión de la formación y propagación de estructuras vorticales de una protuberancia geométrica y su efecto subsecuente sobre las cargas aerodinámicas que impulsan dinámica del doblez vocal, es necesaria proporcionar la penetración y los modelos para avanzar el tratamiento de los pólipos y de los nódulos del doblez vocal. Se espera que las variaciones en las cargas aerodinámicas causadas por el pólipo modelo en este experimento contribuyan a la dinámica irregular del pliegue vocal observada en pacientes con pólipo...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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Esta labor cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional para la Ciencia, Grant No. CBET-1236351 y GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering (COBRE).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Objet Objet24prototipador rápido(X xY x Z): 240 x 200 x 150 mm
Espesor de la capa de construcción =  28 µ m 
Precisión = 0,1 mm
Resolución de construcción: Eje X: 600 ppp, Eje Y: 600 ppp, Eje Z: 900 ppp
Material del modelo de prototipado rápidoObjetVeroWhite Plus Fullcure 835
Material de soporte del prototipadorrápido ObjetFullCure 705
TónerXerox
KeroseneSunnyside
Aceitepara bebésPapel adhesivo Johnson's
Marca Con-Tact Cubiertablanca Tubo
Tygon TuboPVCTygon1/16 en diámetro interior, 3/16 en diámetro exterior
Escáner de presión (16 canales)ScanivalveDSA3217Se utiliza para mediciones de presión de gas
Rango de presión = ± 5 en H2O
Precisión de escala completa = ± 0,3 % de precisión a escala completa.
Velocidad máxima de escaneo = 500 Hz/canal
Tubulaciones de acero inoxidableScanivalveTUBN-063-1.00.063 de diámetro y 1 de longitud
Tamaño de la bandeja del Copia de soporte adhesiva de

Referencias

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