Waiting
Procesando inicio de sesión ...

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

Bioengineering

Model Vocal Fold Polip'in Neden Olduğu Üç Boyutlu Akış Ayrımının Araştırılması

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

Vokal katlama polipleri ses katlama dinamiklerini bozabilir ve bu nedenle hastanın iletişim kurma yeteneği üzerinde yıkıcı sonuçlar doğurabilir. Duvara monte model polip tarafından indüklenen üç boyutlu akış ayrımı ve duvar basıncı yüklemesi üzerindeki etkisi parçacık görüntü velosimetrisi, cilt sürtünme hattı görselleştirmesi ve duvar basıncı ölçümleri kullanılarak incelenir.

Abstract

Normal konuşma için sıvı yapısı enerji değişim süreci kapsamlı bir şekilde incelenmiştir, ancak patolojik durumlar için iyi anlaşılamamıştır. Ses kıvrımlarının medial yüzeyinde oluşan geometrik anormallikler olan polipler ve nodüller, ses kıvrım dinamiklerini bozabilir ve böylece hastanın iletişim kurma yeteneği üzerinde yıkıcı sonuçlar doğurabilir. Laboratuvarımız, in vitro tahrikli bir vokal katlama modelinin medial yüzeyinde bulunan ve böyle bir geometrik anormalliğin glottal jet davranışını önemli ölçüde bozduğunu gösteren bir model polip üzerinde yapılan bir araştırmada parçacık görüntü velosimetrisi (PIV) ölçümlerini bildirmektedir. Bu akış alanı ayarı, polipli hastalarda ses kalitesinin ciddi şekilde bozulmasının muhtemel bir nedenidir. Bu patolojik durumun tedavisini ilerletmede, ses katlama polip gibi geometrik bir çıkıntıdan vortik yapıların oluşumunun ve yayılmasının ve vokal kıvrım dinamiklerini yönlendiren aerodinamik yüklemeler üzerindeki etkisinin daha eksiksiz anlaşılması gereklidir. Mevcut araştırma, bir yağ filmi görselleştirme tekniği kullanılarak çapraz akışta 2:1 en boy oranına sahip duvara monte prolat hemisferoidin, yani bir model vokal kat polipinin neden olduğu üç boyutlu akış ayrımı ile ilgilidir. Dengesiz, üç boyutlu akış ayrımı ve duvar basıncı yüklemesinin etkisi, cilt sürtünme hattı görselleştirmesi ve duvar basıncı ölçümleri kullanılarak incelenir.

Introduction

Ses kıvrımları, ses hava yolu boyunca uzanan iki doku grubudur. Sesli konuşma, kritik bir akciğer basıncı elde edildiğinde üretilir ve havayı eklenmiş ses kıvrımlarından zorlar. Vokal kıvrımları birçok doku katmanından oluşur ve genellikle basitleştirilmiş iki katmanlı bir vücut kapağı sistemi ile temsil edilir1. Kapak tabakasının çoğunluğunu oluşturan hücre dışı matris, kollajen ve elastin liflerinden oluşur ve vokal kıvrımlarının uygun hareketi için önemli olan doğrusal olmayan stres-gerinim özellikleri sağlar1,2. Aerodinamik kuvvetler, ses kıvrımlarının dokusuna enerji vermekte ve kendi kendine devam eden salınımları heyecanlandırmak3. Vokal salınımlı olarak, aralarındaki açıklık, glottis olarak adlandırılır, bir yakınsamaktan üniformaya ve daha sonra4,6döngüsünü kapatmadan ve tekrarlamadan önce farklı bir geçide geçiş yapan zamansal olarak değişen bir delik oluşturur. Normal konuşma için titreşim frekansları tipik olarak erkeklerde ve kadınlarda sırasıyla 100-220 Hz'e yayılır ve glottis7'dengeçen pulsatil bir akış alanı oluşturur. Normal konuşma için akışkan yapısı enerji değişim süreci kapsamlı bir şekilde çalışılmıştır8-12; ancak bazı patolojiler için bu sürecin aksaması iyi anlaşılamamıştır. Ses kıvrımlarının patolojik koşulları dinamiklerinde dramatik değişikliklere neden olabilir ve sesli konuşma üretme yeteneğini etkileyebilir.

Polipler ve nodüller, ses kıvrımlarının medial yüzeyinde oluşan geometrik anormalliklerdir. Bu anormallikler hastanın iletişim kurma yeteneğini etkileyebilir13. Bununla birlikte, sadece son zamanlarda polip gibi geometrik bir çıkıntı nedeniyle akış alanının bozulması14. Bu çalışma, konuşmanın "normal" akışkan yapısı enerji değişim sürecinin büyük ölçüde değiştirildiğini ve polip ve nodül hastalarında ses kalitesinin ciddi şekilde bozulmasının en olası nedeninin akış alanının değiştirilmesi olduğunu göstermiştir. Üç boyutlu akış ayrımı ile üretilen akış yapılarının pulsatil akışta bir polipten kapsamlı bir şekilde anlaşılması sağlanmamıştır. Bir polipten vortik yapıların üretilmesi ve yayılması ve daha sonra ses kıvrım dinamiklerini yönlendiren aerodinamik yüklemeler üzerindeki etkileri, hastalarda poliplerin cerrahi olarak düzeltilmesini ilerletmek için gerekli bir kritik bileşendir.

Sabit akışta duvara monte edilmiş bir yarıküreden akış ayrımı15-23araştırılmış olsa da, şaşırtıcı bir şekilde, konuşmada bulunduğu gibi titrek veya kararsız akış koşullarına tabi bir duvardaki bir yarıküreden kararsız üç boyutlu akış ayrımı hakkında çok az bilgi vardır. Acarlar ve Smith15'in ufuk açıcı çalışmaları, laminer bir sınır tabakası içinde duvara monte edilmiş bir yarıküre üzerinde sabit akış ile oluşturulan üç boyutlu tutarlı yapıların analizini sağladı. Acarlar ve Smith iki tür vortical yapı tanımladılar. Ayakta duran bir at nalı girdabı, hemisferoid çıkıntısının yukarısında oluştu ve her iki taraftaki çıkıntının aşağı doğru genişledi. Ek olarak, saç tokası girdapları duvara monte edilmiş hemisferoidden periyodik olarak uyandırığa döküldü. Saç tokası girdaplarının karmaşık hareketi ve ilerlemesi ayrıntılı olarak araştırılmış ve tanımlanmıştır.

Düzgün konturlanmış bir eksenmetrik tepenin üzerindeki akış, daha önce hem yüzey statik basınç ölçümlerinin hem de yüzey yağı görselleştirmesinin çalkantılı bir kesme akışı içinde tümsek üzerinde ve aşağı akışında elde edildiği incelenmiştir. Yağ filmi teknikleri, cilt sürtünme çizgilerinin, yüksek ve düşük hızlı bölgelerin ve yüzey akışı içindeki ayırma ve bağlanma noktalarının görselleştirilmesini sağlar ve duvara monte edilmiş bir nesnenin uyanışını araştırmak için yararlıdır. Bu teknik için, ilgi yüzeyi bir yağ bazlı ve ince toz pigment(örneğin lampblack, grafit tozu veya titanyum dioksit) karışımının ince bir filmi ile kaplanır. İstenilen akış koşullarında sürtünme kuvvetleri yağın yüzey boyunca hareket etmesine neden olarak pigment tozlarının çizgiler halinde birikmesine neden olur. Kritik veya tekillik noktaları, kesme stresinin sıfır olduğu yerler veya ortalama hızın iki veya daha fazla bileşeni sıfırdır, ortaya çıkan cilt sürtünme çizgisi deseninden eyer noktaları veya nodal noktalar24-26olarak sınıflandırılabilir.

Tepe geometrisi için, yukarı akışa ayırmanın neden olduğu tekillik bulunamadı; bu, bir yarımferoid çıkıntı ile ortaya çıkan olumsuz basınç gradyanını oluşturmayan tümseğin düzgün bir şekilde yükselen konturuna atfedildi. Sonuç olarak, akışın tümseğin zirvesine kadar hızlanması tespit edildi, bundan sonra, sabit olmayan eyer odak ayırma noktaları, bir saç tokası girdabının oluşumundan beklenecek gibi, tümsek merkez çizgisini kısa bir süre sonragelişti. Duvara monte edilmiş farklı bir geometriye sahip benzer deneysel teknikler kullanılarak yapılan bir çalışmada, Martinuzzi ve Tropea29 tarafından gerçekleştirilen sabit akışta yüzeye monte edilmiş bir küpün etrafındaki yağ filmi görselleştirmesi, nesnenin yukarı akışında iki net cilt sürtünme çizgisi görüntüledi. İlk cilt sürtünme hattı, olumsuz basınç gradyanının neden olduğu birincil ayırma çizgisine karşılık geldi ve ikinci cilt sürtünme hattı at nalı girdabının zaman ortalamalı konumunu işaretledi. Nesnenin yukarı akışında yapılan yüzey basıncı ölçümleri, at nalı girdap hattı boyunca yerel bir minimum ve birincil ayırma ile at nalı girdap çizgileri arasında maksimum yerel bir basınç gösterdi. Benzer yukarı akış ayırma çizgileri, dairesel silindir, piramit ve koni29-31dahil olmak üzere yüzeye monte edilmiş diğer geometrilerle oluşur. Duvara monte nesnelerin yüzey görselleştirme aşağı akışı genellikle nesne30'unarkasındaki devridaim bölgesinin neden olduğu iki odak görüntüler. Odak konumlarında iki girdap üretilir ve duvara monte edilmiş bir yarıkürenin ardından görülen "kemer tipi" veya saç tokası girdabına karşılık gelir32.

Parçacık görüntü velosimetrisi (PIV) daha önce sentetik vokal katlama modellerinin akış aşağı akışını incelemek için kullanılmıştır33-35. PIV, görüntülerin uzayo-zamansal akışkan dinamiklerini yakalamak için bir düzlem içinde izleyici parçacık hareketini akışa aldığı noninvaziv bir görselleştirme tekniğidir36. Salınımlı vokal kıvrımlarının aşağı akışını oluşturan üç boyutlu tutarlı yapılar Neubauer ve arkadaşları tarafından incelenmiştir. 37; girdap üretimi ve konveksiyon ve jet çırpma gözlendi. Son zamanlarda, Krebs ve ark. 38, stereoskopik PIV kullanarak glottal jetin üç boyutluluğunu inceledi ve sonuçlar glottal jet ekseni geçişini gösteriyor. Erath ve Plesniak14, bir model vokal katlama polipinin 7,5 kat ölçeklenmiş dinamik tahrikli vokal katlama modelinin medial yüzeyindeki etkisini araştırdı. Polipin aşağı yönünde bir devridaim bölgesi oluştu ve fonetuvar döngüsü boyunca jet dinamikleri etkilendi. Erath ve Plesniak14tarafından yapılan tahrikli vokal kat polip çalışmasını engelleyen önceki çalışmalar, medial vokal kat polip veya nodül tarafından indüklenen sıvı dinamiklerini araştırmamıştır.

Model polip'in sabit ve pulsatil akış alanlarındaki akışkan dinamik etkisini, vokal kat hareketli duvarların ek karmaşıklığını, indüklenmiş basınç gradyanlarını, sınırlı geometrik hacmi ve diğer incelikleri dahil etmeden önce anlamak önemlidir. Mevcut çalışma, hem sabit hem de kararsız akış koşullarında aşağı akış duvarındaki akış yapılarının imzasına odaklanır. Bir çıkıntıdan dökülen vortical yapılar ile aşağı akış duvarı arasındaki etkileşimler, vokal kat poliplerinin yanı sıra diğer biyolojik hususların araştırılması için büyük ilgi çekicidir, çünkü bu etkileşimler biyolojik bir tepki ortaya çıkarır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Bu çalışmada duvara monte prolat hemisferoid yani model vokal katlama polip, 5:1 kasılma oranına sahip bir emiş tipi rüzgar tünelinin test bölümü zeminine yerleştirilmiştir. Yağ akışı görselleştirme, duvar basıncı ölçümleri ve parçacık görüntü velosimetrisi kullanılarak kararsız, üç boyutlu akış ayrımı ve duvar basıncı yüklemesi üzerindeki etkisi araştırılır. Kararsız basınç ölçümleri, piezoresistive basınç sensörlerine sahip on altı kanallı tarama basıncı dönüştürücü kullanılarak elde edilir. Basınç sensörleri 670 Hz frekans tepkisine sahiptir. Yağ akışı görselleştirme ve yüzey basıncı ölçümleri aynı anda elde edilemez, çünkü yağ basınç musluklarına akarak kirlenmeye neden olur.

Aşağıdaki bölümde, duvara monte prolate hemispheroid etrafında yağ filmi görselleştirme ve yüzey basıncı ölçümlerinin kurulması ve alınması için protokol sağlanmıştır. Faz ortalaması ve zaman çözümlenen parçacık görüntü velosimetri ölçümleri elde edilmekle birlikte, PIV alımı bu protokole dahil değildir. Yazarlar Raffel ve ark.'ın referanslarını önermektedir. PIV deneysel kurulumu, veri toplama ve veri işleme hakkında derinlemesine bilgi için 36 ve Adrian ve Westerweel39.

1. Protuberance üretin(yani Model Polip)

  1. İstenilen geometriye sahip üç boyutlu bilgisayar destekli tasarım (CAD) modeli oluşturun. Model vokal kat polipini 5,08 cm uzunluğunda, 2,54 cm genişliğinde ve 1,27 cm boyunda bir prolate hemisferoid olarak üretin. Model vokal katlama polipinin altına 0,64 cm kalınlığında 2,54 cm kare taban monte edin. Bu taban, modeli test bölümü katına tutturmak için kullanılacaktır.
  2. 3D CAD modelini stereolitografi (STL) dosyası olarak dışa aktar. STL dosya biçimi, model yüzeyini bir dizi üçgen olarak oluşturur. Model polip üzerinde pürüzsüz bir yüzey sağlamak için yeterli çözünürlüğü seçin. En az 600 nokta/in çözünürlük önerilir.
  3. STL dosyasını uygun yazılıma yükleyin ve en az 20 μm yapı katmanı çözünürlüğüne sahip yüksek çözünürlüklü üç boyutlu yazıcı veya hızlı prototipleyici kullanarak STL dosyasını yazdırın.
  4. Rüzgar tüneli test bölümü Şekil 1'de gösterildiği gibi çıkarılabilir bir alt plaka ile yaklaşık 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm'dir. Test için model vokal kat polip monte etmek için rüzgar tüneli test bölümü zemin çıkarılabilir plaka içine yaklaşık 0,85 cm derinliğinde 2,54 cm karelik bir delik freze. Delik, test bölümü genişliğinin ortasına yerleştirilecek ve test için istenen aşağı akış konumunda bulunmalıdır.

2. Yağ Akışı Görselleştirme Hazırlığı

  1. Test bölümünü hazırlamak için, rüzgar tünelinin içindeki test bölümü yüzeyini beyaz yapışkan kağıtla örtün. Yapışkan kağıdın hava kabarcıkları veya kırışıklıkları nedeniyle test bölümü zemininde şişlik olmadığından emin olmak için yapışkan kağıdı dikkatlice yerleştirin ve pürüzsüzleştirin. Model polip ankrajın test bölümü duvarına tutturulmasını sağlamak için test bölümü katındaki kare deliğin üzerindeki yapışkan kağıtta bir delik açın.
  2. Teste hazırlanmak için çıkıntıyı (model vokal katlama polip) çapa konumuna yerleştirin. Bkz. Şekil 1.
  3. Rüzgar tüneli test bölümünün üzerine yüksek çözünürlüklü bir kamera takın. Model polip ve çevresindeki test bölümü alanı da dahil olmak üzere seçilen görüş alanı için kamerayı odakla. Test için kamera alma parametrelerini ayarlayın. Yağ akışı görselleştirmesinin geçici kısmını yakalamak için veya kararsız veya titrek akışlar ilgi çekiciyse bir video ayarı kullanılmalıdır.
  4. Bebek yağı, kopya toner tozu ve gazyağı hacim olarak 7:1:2 oranında birleştirerek akış görselleştirme yağı karışımını hazırlayın. Örneğin: 35 ml bebek yağı, 5 ml kopya toner tozu ve 10 ml keroseni birleştirin. Bebek yağı ve toner tozlarını bir kapta karıştırın ve toner tamamen çözünene kadar karıştırın. Sonra gazyağı ekleyin ve iyice karıştırın.
  5. Test bölümü yüzeyine kolay uygulama için karışımı bir sprey şişesine aktarın.

3. Yağ Akışı Görselleştirme Ölçümleri

  1. Yağ karışımının her uygulamasından önce test bölümü yüzeyini temizleyin ve kurutun.
  2. Yağ karışımı ile dolu sprey şişesini, ilgi alanına ince, eşit bir sıvı tabakası püskürtmek için kullanın. İnce, eşit yağ karışımı tabakası, uygun yağ filmi görselleştirme görüntüleri üretmek için önemlidir.
  3. Kameradaki görüntü veya video alımını başlatın. İlk geçici yağ karışımı hareketini yakalamak için rüzgar tüneli açık olmadan önce kamera alımına başlayın.
  4. Emiş rüzgar tünelini istediğiniz hıza ayarlayın. Yağ karışımı test bölümü yüzeyi boyunca akmaya başlayacaktır.
  5. Yağ karışımı akmayı durdurduktan ve sabit bir duruma ulaştığında(yani desenler sabittir) veya istenen süre dolduğunda, kamera kaydını durdurun ve rüzgar tünelini kapatın.
    Not: Video 1, yağ karışımını sabit bir duruma ulaşılana ve cilt sürtünme düzeni sabit hale gelene kadar akarken görüntüler. Videoda akış soldan sağa doğru hareket ediyor.

4. Yüzey Basıncı Ölçüm Hazırlığı

  1. Statik basınç muslukları oluşturmak için test bölümü zemini zeminine paslanmaz çelik tükülasyonlar (0,16 cm dış çap ve 2,54 cm uzunluğunda) monte etmek için delikler açarak test bölümü zemin yüzeyini (çıkarılabilir plaka) hazırlayın. Prolate hemispheroid'in çapa konumunun orta hattından başlayarak, açıklık yönünde 8,89 cm ve aşağı yönde 22,86 cm aşağı akışa yayılan bir ızgara üzerinde delikleri 1,27 cm spanwise ızgara aralığı ve 2,54 cm aşağı akış ızgara aralığı ile delin (bkz. Şekil 1). Paslanmaz çelik tüttürmeler, esnek boru takmak için bir ucunda şişkinliğe sahiptir ve montaj için diğer ucunda düzdir.
    Not: Statik basınç muslukları, daha ince bir basınç alma konumu ızgarası için daha yakın aralıklarla konumlandırılabilir.
  2. Duvara monte prolat hemisferoidin(yani model vokal kat polipinin) çapa konumunu çevreleyen tübülasyonları teste hazırlanmak için test bölümü zemininde istediğiniz konfigürasyona monte edin. Tükülasyonlar test bölümü zemini ile birlikte monte edilmelidir.
  3. Monte edilen paslanmaz çelik tütsülerden tarama basıncı dönüştürücü ölçüm portlarına kısa esnek boru parçaları (6,35 cm uzunluk, 0,159 cm iç çap, 0,475 cm dış çap şeffaf polivinil klorür boru) takın. Tarama basıncı dönüştürücüsünün on altı basınç portları vardır.

5. Yüzey Basıncı Ölçüm Kazanımı

  1. Tarama basıncı dönüştürücüslerini bir bilgisayara bağlayın ve tarama basıncı dönüştürücü yazılımını kullanarak alma parametrelerini yapılandırın. İstenilen veri toplama süresi boyunca 500 Hz'de veri almak için edinme yazılımını ayarlayın.
    Not: Veriler, düşük salınım frekanslarındaki küçük basınç değişimleri nedeniyle tarama basıncı dönüştürücüsünde maksimum örnekleme oranı olan 500 Hz'de elde edildi.
  2. Emiş rüzgar tünelini istediğiniz hıza ayarlayın.
  3. Basınç ölçümü alımına başlayın. Basınç ölçümleri istenilen akış tanı tekniği (örneğin PIV, lazer Doppler anemometry, sıcak tel anamometrisivb.) ile aynı anda elde edilebilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

7,5 kat ölçeklenmiş dinamik tahrikli vokal katlama modeli kullanılarak yapılan önceki çalışmalar, geometrik çıkıntılı model vokal kat polipinin varlığının fonetuvar döngüsü boyunca glottal jetin normal dinamiklerini bozduğunu göstermiştir. Önceki tahrikli vokal katlama modeli çalışmasının temsili sonuçları Şekil 2 ve Video 2'de görüntülenir. Video, bir yakınsamadan farklı bir geometriye geçerken tahrikli vokal kıvrımlarının hareketini gösterir. Vokal katlama modelleri, 995 Reynolds sayısı ve 1.9 x 10-2Strouhal sayısı ile dinamik olarak 1.67 Hz'de sürüldü. Veriler, faz ortalamalı parçacık görüntü velosimetrisi 14 kullanılarak polipin 7,5 mm aşağı akışta çapraz düzleminde eldeedilmiştir. Vokal kıvrımları açılmaya başladıkça, yakınsak bir kanal oluşur ve olumlu bir basınç gradyanı gelişir. Akış, glottis maksimum genişlikte olduğunda ve ses kıvrımları paralel bir konfigürasyonda olduğunda ve kapanış aşamasına doğru model polip etrafında dönmeye başlar. Şekil 2b ve 2c'degösterildiği gibi iki sayaç dönen girdap oluşur. Vokal yaklaştıkça, akış polip etrafında ve ön-arka orta çizgiden uzağa zorlanır. Devam eden çalışma, fizyolojik ses kıvrımlarının ek karmaşıklıkları olmadan duvara monte edilmiş bir yarı küreoidin hem sabit hem de pulsatil çapraz akış koşullarındaki etkisinin araştırılmasıdır. 2:1 en boy oranı prolate hemispheroid için ön sonuçlar alınmıştır; deneysel test bölümünün şeması Şekil 1'de görüntülenir. Model polip, 6.000-9.000 arasında değişen Reynolds sayılarında sabit akış koşullarında test edildi; yağ akışı görselleştirme sonuçları Şekil 3 ve 4'tegörüntülenir. Şekil 3, model polipinin sabit koşullar altında izometrik bir görünümünü sunar ve akış soldan sağa hareket eder. Polipin yukarı akışındaki konsantre yağ hattı (polip'in solunda) ve polip yüzeyinde ayırma çizgilerini görüntüler. Polipin hemen aşağı yönünde (sağda) büyük konsantre yağ bölgesi, aşağı akış saç tokası girdabının bacaklarını oluşturan iki karşı dönen girdap tüpünün bağlanma noktaları olan vortiklik konsantrasyon düğümlerini sunar. Şekil 4, 9.000 Reynolds sayısında yukarıdan aşağıya hareket eden akışla çapraz akışta bir model polipinin üst görünümünü görüntüler. Ataşman düğümü aşağı akış (aşağıda) model vokal kat polip görülebilir. Sabit akış koşulları için yağ akışı görselleştirme sonuçları, model polip ve saç tokası girdaplarının diğer duvara monte nesnelerle gösterildiği gibi yukarı yönde bir at nalı girdap sisteminin oluşumunu doğrulamaz18,24,29,40.

Reynolds sayısı (ortalama hız 7,01 m/sn) 6,300 ve Strouhal sayısı 1,2 x 10-3olan kararsız akış koşulları, mekansal ve zamansal basınç değişimlerine neden olur. Kararsız akış 0,6 Hz frekansta 2,29 m/sn ± salınır Şekil 5, tek bir salınım döngüsü boyunca yukarı ve aşağı akış basınç ölçümlerini görüntüler. Kırmızı çizgi (3 numaralı konumda bulunur), polipin doğrudan aşağı akış bölgesindeki en düşük basıncın yerini gösterir. Bireysel basınç dönüştürücü değerlerinin döngü boyunca değiştiği ve dönüştürücü konumları arasındaki basınç farkının döngü konumunun bir fonksiyonu olarak değiştiği ve bu nedenle hız anlamına gelir.

Figure 1
Şekil 1. Rüzgar tüneli test bölümü şeması. a.) Solda akış girişi ve sağda çıkış ile gösterilen tam test bölümü. b.) Çıkarılabilir test bölümü zemin plakasının 2:1 en boy oranı duvara monte prolat hemispheroid ile yakın çekim şeması. Daha büyük resmi görüntülemek için burayı tıklatın.

Figure 2
Şekil 2. Hız, 7,5 kat ölçeklenmiş tahrikli vokal katlama modelinin medial yüzeyine monte edilmiş bir model vokal katlama polipinin aşağı akışını kaplar. a.) Serbest akış akış yönünü gösteren dinamik tahrikli vokal katlama modeli şeması. b.) ve c.) Medial yüzeye monte edilmiş bir model polipin x = 7,5 mm aşağı akıştaki y-z düzleminde foneör döngüsü sırasında iki anda enine hız alanları. Hız alanları, hız büyüklüğü14vektör çizimleri olarak çizilir. Daha büyük resmi görüntülemek için burayı tıklatın.

Figure 3
Şekil 3. Duvara monte prolat hemisferoidin(yani model vokal kat polipinin) çapraz akışta izometrik görünümü (Re = 9.000). Birincil yukarı akış ayırma çizgisi, polip'in yukarı (solda) koyu çizgisi olarak görüntülenir. duvara monte prolat hemisferoidin yakın uyanışında iki vortiklik konsantrasyon düğümü bulunur. Daha büyük resmi görüntülemek için burayı tıklatın.

Figure 4
Şekil 4. Çapraz akışta prolate hemisferoid için yağ akışı görselleştirme görüntüsü (Re=9.000). Polip'in yanlarından aşağı doğru uzanan karanlık çizgiler (uyku modundan çıkarmanın dış sınırlarını temsil eder), nesnenin arkasındaki devridaim girdabı nedeniyle bağlanma noktasına kadar yakınsar. Birincil yukarı akış ayırma hattının konumları, yarım küre ayırma çizgisi, vortiklik konsantrasyon düğümleri ve aşağı akış bağlantı düğümü tanımlanır. Daha büyük resmi görüntülemek için burayı tıklatın.

Figure 5
Şekil 5. 6.300 ortalama hıza ve duvara monte prolate hemispheroid üzerinden 1.2 x 10-3 Strouhal sayısına dayanarak Reynolds numarasında tek bir kararsız akış döngüsünün yukarı ve aşağı akış basınç ölçümleri. Ölçülen basınç dönüştürücüler arasında mekansal ve zamansal basınç farklılıkları gözlendi. Daha büyük resmi görüntülemek için burayı tıklatın.

Video 1: Stewart_JoVE_Video_1_Title.wmv'i görüntülemek için burayı tıklatın.

Video 2: Stewart_JoVE_Video_2.avigörüntülemek için burayı tıklatın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vortical yapıların geometrik bir çıkıntıdan oluşumunu ve yayılmasını ve bunların vokal kat dinamiklerini yönlendiren aerodinamik yüklemeler üzerindeki etkilerini anlamak, vokal kat poliplerinin ve nodüllerinin tedavisini ilerletmek için içgörü ve modeller sağlamak için gereklidir. Bu deneyde model polipin neden olduğu aerodinamik yüklemelerdeki varyasyonların polip13,41olan hastalarda gözlenen düzensiz ses katlama dinamiklerine katkıda bulunduğu beklenmektedir. Gelecekteki çalışmalar, parçacık görüntü velosimetrisi kullanılarak kararsız akış koşullarında üç boyutlu akış ayrımının araştırılmasını ve sonuçların yüzey akışı görselleştirme ve yüzey basıncı verileriyle ilişkilendirilmesini içerir.

Yağ akışı görselleştirme, cilt sürtünme çizgileri ve yüksek ve düşük hızlı bölgeler gibi yüzey topolojik özelliklerinin tanımlanması için yararlı ve etkili bir tekniktir. Yüzey akışı görselleştirmesinden ayırma veya bağlanma çizgilerinin ve düğümlerinin sınıflandırılması, Kritik Nokta Teorisi24,40,42'yedayanan karmaşık üç boyutlu akışların ayırma ve bağlanma bölgelerinin bazen girdap iskeletleri olarak adlandırılan topolojik haritaların inşasında önemli bir adımdır. Yağ akışı görselleştirmesi öncelikle nitel bir ölçüm olduğundan, yağ akışı görselleştirmesinden elde edilen nitel sonuçların yüzey basıncı ve PIV ölçümlerinden elde edilen nicel sonuçlarla eşleştirilmesi esastır. Topolojik bir haritanın geliştirilmesi, üç boyutlu akış yapılarının anlaşılmasında ve tanımlanmasında ve yağ akışı görselleştirme sonuçlarının PIV ölçüm sonuçlarına bağlanmasında yardımcı olur.

Yağ akışı görselleştirme tekniğinin sınırlamaları arasında yüzey basıncı ölçümü veya parçacık görüntüsü velosimetri verileri ile eşzamanlı yağ akışı görselleştirme verilerinin elde edilememesi ve tekniğin kararsız akışların neden olduğu kritik noktaların konumundaki dengesizliği ve hareketi izleme yeteneğinin sınırlılığı yer almaktadır. Optimum yağ akışı görselleştirme karışımı, test hızına, araştırılacak soruna ve test yüzeyi özelliklerine göre karışımın viskozitesini ve yüzey gerilimini ayarlamak için deneye özgü parametrelere bağlıdır. Yağ karışımının istenen hızda akmaya başlaması ve makul bir süre sonra, çizgili yüzey deseni kaldıkça yüzeyin nispeten kuru olması önemlidir. Çeşitli koşullar için kullanılacak aday yağların ve pigmentlerin listesi için Merzkirch26'ya bakın. Belirli deneysel parametrelere dayanan yanlış bir karışım, yüzey tabanında çok fazla pigment birikmesine neden olabilir, bu da net çizgilerle sonuçlanmaz veya çizgi benzeri bir desenle sonuç vermeyen yeterli pigment bir şekilde birzemeyebilir. Karışımı test bölümü katına uygularken, yazarlar karışımı yüzeye boyamak yerine püskürtmeyi en iyi bulanlar, diğer araştırmacıların kullandığı bir yöntem. Karışımın yüzeye boyanması, uygulama nedeniyle ek çizgili çizgilere neden oldu.

Bu çalışmada yüzey yağı-film görselleştirme tekniği sabit akış koşullarında uygulanmaktadır (Video 1). Sabit akış testi koşulları normalde akıştaki duran yapılar nedeniyle son derece net görüntülere neden oluyor. Bununla birlikte, yağ filmi görselleştirmesi de kararsız akış koşullarında yapılmaktadır. Yazarlar şu anda kararsız akış koşulları altında yakalanan görüntülerden herhangi bir ek bilgi elde edilip edilemeyeceği ve bu tekniğin geçerliliği hakkında araştırma yapıyor. Kararsız akış testi koşulları, tek bir salınım döngüsü boyunca güçlenen ve zayıflayan akış özellikleri üretir. Bu nedenle, rüzgar tüneli ve dengesizlik jeneratörleri çalışırken dinamik yağ görselleştirme bölgesinin yüksek hızlı görüntüleri elde edilir.

Duvara monte edilmiş bir yarıküreden üç boyutlu akış ayrımının kararsız akışta araştırılması ve yakın uyanışta ortaya çıkan duvar basınçları, kararsız üç boyutlu akış ayrımı anlayışımızı temelden geliştirecektir. Konuşma uygulamalarına ek olarak, bu teknik costal kum tepelerinin yönetiminde, ısı eşanjörü tasarımında ikincil akışın geliştirilmesinde, kütle transferinde ve rüzgar enerjisinde olası uygulamalara sahiptir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Bu çalışma Ulusal Bilim Vakfı, Grant No. CBET-1236351 ve GW Biyomimetik ve Biyoinspired Mühendislik Merkezi (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

Biyomühendislik Sayı 84 yağ akışı görselleştirme vokal kat polip üç boyutlu akış ayrımı aerodinamik basınç yüklemeleri
Model Vocal Fold Polip'in Neden Olduğu Üç Boyutlu Akış Ayrımının Araştırılması
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