Articolo metodologico

Investigare la separazione tridimensionale del flusso indotta da un modello di polipo piega vocale

DOI:

10.3791/51080

⸱

3 febbraio 2014

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

In questo articolo

Sommario

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I polipi di piega vocale possono interrompere la dinamica della piega vocale e quindi possono avere conseguenze devastanti sulla capacità di comunicazione di un paziente. La separazione tridimensionale del flusso indotta da un polipo modello montato a parete e il suo impatto sul carico della pressione della parete vengono esaminati utilizzando la velocimetria dell'immagine delle particelle, la visualizzazione della linea di attrito della pelle e le misurazioni della pressione della parete.

Abstract

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Il processo di scambio energetico della struttura dei fluidi per il linguaggio normale è stato studiato ampiamente, ma non è ben compreso per le condizioni patologiche. Polipi e noduli, che sono anomalie geometriche che si formano sulla superficie mediale delle pieghe vocali, possono interrompere la dinamica della piega vocale e quindi possono avere conseguenze devastanti sulla capacità di comunicazione di un paziente. Il nostro laboratorio ha riportato misurazioni della velocimetria delle immagini delle particelle (PIV), nell'ambito di un'indagine su un polipo modello situato sulla superficie mediale di un modello di piega vocale guidato in vitro, che mostrano che una tale anomalia geometrica interrompe notevolmente il comportamento del getto gngolato. Questa regolazione del campo di flusso è una probabile ragione per la grave degradazione della qualità vocale nei pazienti con polipi. Una comprensione più completa della formazione e della propagazione delle strutture vortiche da una protuberanza geometrica, come un polipo di piega vocale, e la conseguente influenza sui carichi aerodinamici che guidano la dinamica della piega vocale, è necessaria per far avanzare il trattamento di questa condizione patologica. La presente indagine riguarda la separazione tridimensionale del flusso indotta da un emisferoide prolato montato a parete con un rapporto di aspetto 2:1 nel flusso incrociato, cioè un modello di polipo di piega vocale, utilizzando una tecnica di visualizzazione a film d'olio. La separazione del flusso tridimensionale instabile e il suo impatto del carico della pressione della parete vengono esaminati utilizzando la visualizzazione della linea di attrito cutaneo e le misurazioni della pressione della parete.

Introduzione

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Le pieghe vocali sono due bande di tessuto che si estendono attraverso le vie aeree vocali. Il linguaggio sonoro viene prodotto quando si ottiene una pressione polmonare critica, forzando l'aria attraverso pieghe vocali addotte. Le pieghe vocali sono composte da molti strati di tessuto e sono spesso rappresentate da un sistema semplificato di copertura corporea a due strati1. La matrice extracellulare, che costituisce la maggior parte dello strato di copertura, è composta da fibre di collagene ed elastina, fornendo caratteristiche di stress-deformazione non lineari, che sono importanti per il corretto movimento delle pieghe vocali1,2. Le forze aerodinamiche conferiscono energia al tessuto delle pieghe vocali ed eccitano oscillazioni autosostenute3. Quando le pieghe vocali oscillano, l'apertura tra di esse, indicata come glottide, forma un orifizio che varia temporaneamente che passa da un convergente a un uniforme e quindi a un passaggio divergente prima di chiudere e ripetere ilciclo 4,6. Le frequenze di vibrazione per il linguaggio normale in genere si estendono rispettivamente a 100-220 Hz nei maschi e nelle femmine, creando un campo di flusso pulsatile che passa attraverso la glottide7. Il processo di scambio energetico a struttura fluida per il linguaggio normale è stato ampiamentestudiato 8-12; tuttavia, l'interruzione di questo processo per alcune patologie non è ben compresa. Le condizioni patologiche delle pieghe vocali possono portare a cambiamenti drammatici nelle loro dinamiche e influenzare la capacità di generare la parola sonora.

Polipi e noduli sono anomalie geometriche che si formano sulla superficie mediale delle pieghe vocali. Queste anomalie possono influire sulla capacità di comunicazione di un paziente13. Tuttavia, solo di recente l'interruzione del campo di flusso a causa di una protuberanza geometrica come un polipo è stataconsiderata 14. Lo studio ha dimostrato che il "normale" processo di scambio energetico della struttura del fluido del linguaggio è stato drasticamente alterato e che la modifica del campo di flusso era la ragione più probabile della grave degradazione della qualità vocale nei pazienti con polipi e noduli. Non è stata stabilita alcuna comprensione completa delle strutture di flusso prodotte dalla separazione tridimensionale del flusso da un polipo nel flusso pulsatile. La generazione e la propagazione di strutture vortiche da un polipo, e il loro successivo impatto sui carichi aerodinamici che guidano la dinamica della piega vocale è una componente critica necessaria per far progredire la correzione chirurgica dei polipi nei pazienti.

Mentre la separazione del flusso da un emisferoide montato a parete in flusso costante è statastudiata 15-23, sorprendentemente, ci sono poche informazioni riguardanti la separazione del flusso tridimensionale instabile da un emisferoide su una parete soggetta a condizioni di flusso pulsatili o instabili come si trovano nel discorso. Il lavoro seminale di Acarlar e Smith15 fornì un'analisi delle strutture coerenti tridimensionali generate dal flusso costante su un emisferoide montato a parete all'interno di uno strato limite laminare. Acarlar e Smith identificare due tipi di strutture vorticali. Un vortice a ferro di cavallo in piedi fu formato a monte della protuberanza emisferica e si estese a valle della protuberanza su entrambi i lati. Inoltre, i vortici di forcine venivano periodicamente gettati dall'emisferoide montato a parete sulla scia. Il complesso movimento e la progressione dei vortici a tornanti sono stati studiati e descritti in dettaglio.

Il flusso su una collina assimmetrica sagomata senza intoppi è stato precedentemente studiato in cui sia le misurazioni della pressione statica superficiale che la visualizzazione dell'olio superficiale sono state acquisite su e a valle dell'urto all'interno di un flusso di taglio turbolento. Le tecniche oil-film consentono la visualizzazione delle linee di attrito cutaneo, delle regioni ad alta e bassa velocità e dei punti di separazione e attacco all'interno di un flusso superficiale e sono utili per indagare la scia di un oggetto montato a parete. Per questa tecnica, la superficie di interesse è rivestita con un sottile film di una miscela di based'olio e pigmento di polvere fine (ad esempio lampblack, polvere di grafite o biossido di titanio). Alle condizioni di flusso desiderate, le forze di attrito fanno sì che l'olio si muova lungo la superficie causando il deposito della polvere di pigmento in striature. I punti critici o singolari, luoghi in cui la sollecitazione di taglio è zero o due o più componenti della velocità media sono zero, possono essere classificati dal modello di linea di attrito cutaneo risultante come punti di sella o puntinodali 24-26.

Per la geometria della collina, nessuna singolarità causata dalla separazione è stata trovata a monte; questo è stato attribuito al contorno uniformemente crescente dell'urto, che non ha generato il gradiente di pressione avverso che si verifica con una protuberanza emisferica. Di conseguenza, il flusso è stato trovato per accelerare fino all'apice dell'urto dopo di che, i punti di separazione sella-messa a fuoco instazzati si sono sviluppati poco dopo l'altura dell'urto, come ci si aspetterebbe dalla formazione di un vortice diforcine 27,28. In uno studio che utilizza tecniche sperimentali simili con una diversa geometria montata a parete, la visualizzazione della pellicola ad olio attorno a un cubo montato sulla superficie in flusso costante eseguito da Martinuzzi e Tropea29 mostrava due linee chiare di attrito della pelle a monte dell'oggetto. La prima linea di attrito cutaneo corrispondeva alla linea di separazione primaria causata dal gradiente di pressione avverso e la seconda linea di attrito cutaneo segnava la posizione media nel tempo del vortice a ferro di cavallo. Le misurazioni della pressione superficiale eseguite a monte dell'oggetto hanno mostrato un minimo locale lungo la linea del vortice a ferro di cavallo e una pressione locale massima tra la separazione primaria e le linee del vortice a ferro di cavallo. Simili linee di separazione a monte si formano con altre geometrie montate sulla superficie tra cui un cilindro circolare, una piramide e un cono29-31. La visualizzazione della superficie a valle degli oggetti montati a parete in genere visualizza due fuochi causati dalla regione di ricircolo dietro l'oggetto30. Due vortici sono generati nelle posizioni dei fuochi e corrispondono al vortice "ad arco" o a forno visto sulla scia di un emisferoide montato a parete32.

La velocimetria delle immagini di particelle (PIV) è stata precedentemente utilizzata per studiare il flusso a valle dei modelli di piega vocalesintetica 33-35. PIV è una tecnica di visualizzazione non invasiva in cui le immagini scorrono il movimento delle particelle traccianti all'interno di un piano per catturare la fluidodinamica spazio-temporale36. Strutture coerenti tridimensionali che si formano a valle delle pieghe vocali oscillanti sono state studiate da Neubauer et al. 37 ; generazione di vortici e convezione e sbattere a getto. Recentemente, Krebs et al. 38 ha studiato la tridimensionalità del getto ggonale utilizzando PIV stereoscopico e i risultati dimostrano la commutazione dell'asse del getto ggonale. Erath e Plesniak14 hanno studiato l'effetto di un modello di polipo piega vocale sulla superficie mediale di un modello di piega vocale scalato dinamicamente 7,5 volte. Una regione di ricircolo si è formata a valle del polipo e la dinamica del getto è stata influenzata durante tutto il ciclo fonolatorio. Gli studi precedenti, a meno dello studio guidato del polipo a piega vocale di Erath e Plesniak14,non hanno esplorato la fluidodinamica indotta da un polipo o nodulo mediale di piega vocale.

È importante comprendere l'effetto fluidodinamico del polipo modello all'interno di campi di flusso stazionari e pulsatili prima di includere l'ulteriore complessità delle pareti mobili della piega vocale, i gradienti di pressione indotti, il volume geometrico confinato e altre complessità. Il lavoro attuale si concentra sulla firma delle strutture di flusso sulla parete a valle in condizioni di flusso sia stazionarie che instanzate. Le interazioni tra le strutture vortiche che vengono liberate da una sporgenza e la parete a valle sono di grande interesse per l'indagine dei polipi di piega vocale e altre considerazioni biologiche, poiché queste interazioni suscitano una risposta biologica.

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Protocollo

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In questo lavoro, un emisferoide prolato montato a parete, cioè un polipo a piega vocale modello, è posizionato sul pavimento della sezione di prova di una galleria del vento di tipo aspirazione con un rapporto di contrazione 5:1. La separazione del flusso tridimensionale instabile e il suo effetto sul carico di pressione della parete vengono studiati utilizzando la visualizzazione del flusso dell'olio, le misurazioni della pressione delle pareti e la velocimetria delle immagini delle particelle. Le misurazioni della pressione instabili vengono acquisite utilizzando un trasduttore di pressione a scansione a sedici canali con sensori di pressione piezoresitivi. I sensori di pressione hanno una risposta in frequenza di 670 Hz. I rubinetti a pressione statica formati da tubulazioni in acciaio inossidabile sono montati a filo a monte e a valle del modello di polipo di piega vocale per facilitare le misurazioni della pressione superficiale e a corto di piombo al dispositivo di pressione di scansione. La visualizzazione del flusso dell'olio e le misurazioni della pressione superficiale non possono essere acquisite contemporaneamente perché l'olio fluirebbe nei rubinetti di pressione causando incrostazioni.

La sezione seguente fornisce il protocollo per la configurazione e l'acquisizione della visualizzazione della pellicola oleosa e delle misurazioni della pressione superficiale attorno a un emispheroide prolato montato a parete. Sebbene siano state acquisite misurazioni della velocimetria delle immagini delle particelle mediate in fase e a tempo, l'acquisizione del PIV non è inclusa in questo protocollo. Gli autori suggeriscono i riferimenti di Raffel et al. 36 e Adrian e Westerweel39 per una comprensione approfondita della configurazione sperimentale PIV, dell'acquisizione dei dati e dell'elaborazione dei dati.

1. Genera protuberanza(ad esempio polipo modello)

  1. Creare un modello CAD (Computer-Aided Design) tridimensionale con la geometria desiderata. Genera il polipo di piega vocale del modello come emisferoide prolato lungo 5,08 cm, largo 2,54 cm e alto 1,27 cm. Montare una base quadrata di 2,54 cm che ha uno spessore di 0,64 cm sul fondo del polipo di piega vocale del modello. Questa base verrà utilizzata per ancorare il modello al pavimento della sezione di prova.
  2. Esportare il modello CAD 3D come file di stereolitografia (STL). Il formato di file STL genera la superficie del modello come una serie di triangoli. Scegliete una risoluzione adeguata per garantire una superficie liscia sul polipo del modello. Si consiglia una risoluzione di almeno 600 punti/in.
  3. Caricare il file STL nel software appropriato e stampare il file STL utilizzando una stampante tridimensionale ad alta risoluzione o un prototipatore rapido con una risoluzione del livello di costruzione di almeno 20 μm.
  4. La sezione di prova della galleria del vento è di circa 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm con una piastra inferiore rimovibile, come mostrato nella figura 1. Fresare un foro quadrato di 2,54 cm profondo circa 0,85 cm nella piastra rimovibile del pavimento della sezione di prova della galleria del vento per montare il polipo di piega vocale del modello per il test. Il foro deve essere posizionato al centro della larghezza della sezione di prova ed essere posizionato nella posizione a valle desiderata per il test.

2. Preparazione della visualizzazione del flusso d'olio

  1. Per preparare la sezione di prova, coprire la superficie della sezione di prova all'interno della galleria del vento con carta adesiva bianca. Posizionare e levigare con cura la carta adesiva per assicurarsi che il pavimento della sezione di prova non abbia urti dovuti a bolle d'aria o pieghe nella carta adesiva. Tagliare un foro nella carta adesiva sopra il foro quadrato nel pavimento della sezione di prova per l'ancora del polipo del modello da attaccare alla parete della sezione di prova.
  2. Inserire la protuberanza (polipo di piega vocale del modello) nella posizione di ancoraggio per prepararsi al test. Cfr. figura 1.
  3. Montare una telecamera ad alta risoluzione sopra la sezione di prova della galleria del vento. Mettere a fuoco la fotocamera per il campo visivo scelto, incluso il polipo del modello e l'area della sezione di test circostante. Impostare i parametri di acquisizione della fotocamera per il test. Un'impostazione video deve essere utilizzata per catturare la parte transitoria della visualizzazione del flusso di olio o se i flussi instabilmente o pulsatili sono di interesse.
  4. Preparare la miscela di olio di visualizzazione del flusso combinando olio per bambini, polvere di toner copia e cherosene in un rapporto 7:1:2 in volume. Ad esempio: unire 35 ml di olio per bambini, 5 ml di polvere di toner copia e 10 ml di cherosene. Mescolare l'olio per bambini e la polvere di toner insieme in un contenitore e mescolare fino a quando il toner non è completamente sciolto. Quindi aggiungere il cherosene e mescolare bene.
  5. Trasferire la miscela in un flacone spray per una facile applicazione sulla superficie della sezione di prova.

3. Misurazioni della visualizzazione del flusso di olio

  1. Pulire e asciugare la superficie della sezione di prova prima di ogni applicazione della miscela di olio.
  2. Utilizzare il flacone spray riempito con la miscela di olio per spruzzare uno strato sottile e uniforme di fluido sulla sezione di interesse. Uno strato sottile e uniforme di miscela di olio è importante per produrre immagini di visualizzazione corrette della pellicola oleosa.
  3. Avviare l'acquisizione dell'immagine o del video sulla fotocamera. Iniziare l'acquisizione della telecamera prima che la galleria del vento sia acceso per catturare il movimento iniziale della miscela di olio transitorio.
  4. Impostare la galleria del vento di aspirazione sulla velocità desiderata. La miscela di olio inizierà a fluire lungo la superficie della sezione di prova.
  5. Una volta che la miscela di olio smette di fluire e ha raggiuntouno stato stazionario (cioè i modelli sono stazionari), o quando è trascorso il tempo desiderato, interrompere la registrazione della telecamera e alimentare la galleria del vento.
    Nota: il video 1 mostra la miscela di olio che scorre fino a raggiungere uno stato stazionario e il modello di attrito cutaneo diventa stazionario. Nel video il flusso si sposta da sinistra a destra.

4. Preparazione della misurazione della pressione superficiale

  1. Preparare la superficie del pavimento della sezione di prova (piastra rimovibile) forando i fori per il montaggio di tubulazioni in acciaio inossidabile (diametro esterno di 0,16 cm e 2,54 cm di lunghezza) nel pavimento della sezione di prova per costruire rubinetti a pressione statica. Partendo dalla linea mediana della posizione di ancoraggio dell'emisferoide prolato, praticare i fori su una griglia che si estende per 8,89 cm nella direzione campata e 22,86 cm a valle con una spaziatura della griglia campentata di 1,27 cm e una spaziatura della griglia a valle di 2,54 cm (vedere figura 1). Le tubulazioni in acciaio inossidabile hanno un rigonfiamento su un'estremità per il fissaggio di tubi flessibili e sono dritte sull'altra estremità per il montaggio.
    Nota: i rubinetti a pressione statica possono essere posizionati a intervalli più ravvicinati per una griglia più fine di posizioni di acquisizione della pressione.
  2. Montare le tubulazioni che circondano la posizione di ancoraggio dell'emisferoide prolato montato a parete(cioè il polipo di piega vocale del modello) nella configurazione desiderata sul pavimento della sezione di prova per prepararsi per il test. Le tubulazioni devono essere montate a filo con il pavimento della sezione di prova.
  3. Attaccare pezzi di tubi flessibili corti (lunghezza 6,35 cm, diametro interno di 0,159 cm, tubi di cloruro di polivinile chiaro di diametro esterno di 0,475 cm) dalle tubulazioni montate in acciaio inossidabile alle porte di misurazione del trasduttore a pressione di scansione. Il trasduttore a pressione di scansione ha sedici porte di pressione.

5. Acquisizione della misurazione della pressione superficiale

  1. Collegare il trasduttore di pressione di scansione a un computer e configurare i parametri di acquisizione utilizzando il software di trasduttore di pressione di scansione. Impostare il software di acquisizione per acquisire dati a 500 Hz per la durata desiderata dell'acquisizione dei dati.
    Nota: I dati sono stati acquisiti alla velocità massima di campionamento del trasduttore di pressione di scansione, 500 Hz, a causa delle piccole variazioni di pressione a basse frequenze di oscillazione.
  2. Impostare la galleria del vento di aspirazione sulla velocità desiderata.
  3. Inizia l'acquisizione della misurazione della pressione. Le misurazioni della pressione possono essere acquisite simultaneamente con qualsiasi tecnica diagnostica del flusso desiderata(ad esempio PIV, anemometria laser Doppler, anamometria a filo caldo, ecc.)

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Risultati

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Lavori precedenti che utilizzavano un modello di piega vocale scalato dinamicamente 7,5 volte ha dimostrato che la presenza di una protuberanza geometrica, modella il polipo di piega vocale, interrompe la normale dinamica del getto gngolato durante tutto il ciclo fonatore. I risultati rappresentativi dello studio del modello di piega vocale guidato in seguito sono visualizzati nella figura 2 e nel video 2. Il video mostra il movimento delle pieghe vocali guidate mentre cambiano da una ge...

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Discussione

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Comprendere la formazione e la propagazione delle strutture vortiche da una protuberanza geometrica e il loro successivo effetto sui carichi aerodinamici che guidano la dinamica della piega vocale, è necessario per fornire informazioni e modelli al fine di far avanzare il trattamento di polipi e noduli di piega vocale. Le variazioni nei carichi aerodinamici causate dal polipo modello in questo esperimento dovrebbero contribuire alla dinamica irregolare della piega vocale osservata nei pazienti con polipi13,41....

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è sostenuto dalla National Science Foundation, Grant No. CBET-1236351 e GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering (COBRE).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Prototipo rapidoObjetObjet24Dimensioni vassoio (X x Y x Z): 240 x 200 x 150 mm
Spessore dello strato di costruzione =  28 µ m 
Precisione = 0,1 mm
Risoluzione di costruzione: Asse X: 600 dpi, Asse Y: 600 dpi, Asse Z: 900 dpi
Prototipo rapido Modello MaterialeObjetVeroWhite Plus Fullcure 835
Rapid Prototyper Materiale di supportoObjetFullCure 705 Supporto
Copy TonerXerox
KeroseneSunnyside
Baby OilJohnson's
Adhesive PaperCon-Tact BrandAdesivo bianco che copre
Tygon TubingTygonPVC Tubing1/16 in ID, 3/16 in OD
Pressure Scanner (16 canali)ScanivalveDSA3217Utilizzato per misurazioni della pressione del gas
Campo di pressione = ± 5 in H2O
Precisione del fondo scala = ± Precisione del fondo scala dello 0,3%. 
Velocità di scansione massima = 500 Hz/canale
Tubulazioni in acciaio inossidabileScanivalveTUBN-063-1.00,063 di diametro e 1 di lunghezza

Riferimenti

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