Artigo de método

Investigando a separação de fluxo tridimensional induzida por um polip de dobra vocal modelo

DOI:

10.3791/51080

⸱

3 de fevereiro de 2014

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

Neste artigo

Resumo

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Pólipos de dobra vocal podem interromper a dinâmica da dobra vocal e, portanto, podem ter consequências devastadoras na capacidade de comunicação do paciente. A separação de fluxo tridimensional induzida por um pólipo modelo montado na parede e seu impacto no carregamento de pressão da parede são examinados usando velocimetria de imagem de partículas, visualização da linha de atrito da pele e medidas de pressão da parede.

Resumo

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

O processo de troca de energia de estrutura fluida para a fala normal tem sido estudado extensivamente, mas não é bem compreendido para condições patológicas. Pólipos e nódulos, que são anormalidades geométricas que se formam na superfície medial das dobras vocais, podem interromper a dinâmica da dobra vocal e, portanto, podem ter consequências devastadoras na capacidade de comunicação do paciente. Nosso laboratório relatou medidas de velocimetria de imagem de partículas (PIV), dentro de uma investigação de um modelo de pólipo localizado na superfície medial de um modelo de dobra vocal in vitro, que mostram que tal anormalidade geométrica interrompe consideravelmente o comportamento do jato glotal. Este ajuste de campo de fluxo é uma razão provável para a degradação severa da qualidade vocal em pacientes com pólipos. Uma compreensão mais completa da formação e propagação de estruturas vórticas a partir de uma protuberância geométrica, como um pólipo de dobra vocal, e a influência resultante sobre os carregamentos aerodinâmicos que impulsionam a dinâmica da dobra vocal, é necessária para avançar no tratamento dessa condição patológica. A presente investigação diz respeito à separação tridimensional de fluxo induzida por um hemispheróide prolate montado na parede com uma proporção de 2:1 no fluxo cruzado, ou seja, um pólipo de dobra vocal modelo, usando uma técnica de visualização óleo-filme. Separação de fluxo tridimensional instável e seu impacto da carga de pressão da parede são examinados usando visualização da linha de atrito da pele e medidas de pressão da parede.

Introdução

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As dobras vocais são duas faixas de tecido que se estendem pelas vias aéreas vocais. A fala dublada é produzida quando uma pressão pulmonar crítica é alcançada, forçando o ar através de dobras vocais adugadas. As dobras vocais são compostas de muitas camadas de tecido e são frequentemente representadas por um sistema simplificado de tampa corporal de duas camadas1. A matriz extracelular, que compõe a maior parte da camada de cobertura, é composta de fibras de colágeno e elastina, fornecendo características de tensão não linear, que são importantes para o movimento adequado das dobras vocais1,2. Forças aerodinâmicas transmitem energia ao tecido das dobras vocais e excitam oscilações autossustentadas3. À medida que as dobras vocais oscilam, a abertura entre elas, referida como glottis, forma um orifício temporalmente variado que transita de um convergente para um uniforme e, em seguida, para uma passagem divergente antes de fechar e repetir o ciclo4,6. As frequências de vibração para a fala normal normalmente abrangem 100-220 Hz em machos e fêmeas, respectivamente, criando um campo de fluxo pulsante que passa através do glottis7. O processo de troca de energia de estrutura fluida para a fala normal tem sido estudado extensivamente8-12; no entanto, a interrupção desse processo para algumas patologias não é bem compreendida. As condições patológicas das dobras vocais podem resultar em mudanças dramáticas em sua dinâmica e afetar a capacidade de gerar fala dublada.

Pólipos e nódulos são anormalidades geométricas que se formam na superfície medial das dobras vocais. Essas anormalidades podem afetar a capacidade do paciente de se comunicar13. No entanto, só recentemente a interrupção do campo de fluxo devido a uma protuberância geométrica como um pólipo foi considerada14. Esse estudo mostrou que o processo de troca de energia "normal" de estrutura fluida foi drasticamente alterado, e que a modificação do campo de fluxo foi a razão mais provável para a grave degradação da qualidade vocal em pacientes com pólipos e nódulos. Não foi estabelecida uma compreensão abrangente das estruturas de fluxo produzidas pela separação tridimensional do fluxo de um pólipo no fluxo pulsante. A geração e propagação de estruturas vórticas a partir de um pólipo, e seu impacto subsequente nos carregamentos aerodinâmicos que impulsionam a dinâmica da dobra vocal é um componente crítico necessário para avançar a remediação cirúrgica de pólipos em pacientes.

Embora a separação do fluxo de uma hemisferóide montada na parede em fluxo constante tenha sido investigada15-23, surpreendentemente, há pouca informação sobre a separação instável do fluxo tridimensional de um hemispheróide em uma parede sujeita a condições de fluxo pulsantes ou instáveis, como são encontradas na fala. O trabalho seminal de Acarlar e Smith15 forneceu uma análise das estruturas tridimensionais coerentes geradas pelo fluxo constante sobre uma parede montada hemispheroid dentro de uma camada de limite laminar. Acarlar e Smith identificaram dois tipos de estruturas vórticas. Um vórtice de ferradura em pé foi formado rio acima da protuberância hemisferóide e estendido rio abaixo da protuberância em ambos os lados. Além disso, vórtices de grampo de cabelo eram derramados periodicamente da parede montada hemispheroid para o velório. O movimento complexo e a progressão dos vórtices do grampo foram investigados e descritos em detalhes.

O fluxo sobre uma colina axisymétrica suavemente contornada foi estudado anteriormente no qual tanto as medidas de pressão estática da superfície quanto a visualização do óleo superficial foram adquiridas sobre e a jusante da colisão dentro de um fluxo de cisalhamento turbulento. As técnicas de filme de óleo permitem a visualização de linhas de atrito da pele, regiões de alta e baixa velocidade, e pontos de separação e apego dentro de um fluxo de superfície, e são úteis para investigar a esteira de um objeto montado na parede. Para esta técnica, a superfície de interesse é revestida com uma fina película de uma mistura de óleo-base e pigmento de pó fino(ou seja, lampblack, pó de grafite ou dióxido de titânio). Nas condições de fluxo desejadas, as forças de atrito fazem com que o óleo se mova ao longo da superfície fazendo com que o pó de pigmento seja depositado em listras. Pontos críticos ou singularidade, locais onde o estresse da tesoura é zero ou dois ou mais componentes da velocidade média são zero, podem ser classificados a partir do padrão de linha de atrito da pele resultante como pontos de sela ou pontos nodais24-26.

Para a geometria da colina, nenhuma singularidade causada pela separação foi encontrada rio acima; isso foi atribuído ao contorno suavemente ascendente da colisão, que não gerou o gradiente de pressão adversa que ocorre com uma protuberância hemisferóide. Consequentemente, o fluxo foi encontrado para acelerar até o auge da colisão após o qual, pontos de separação instáveis de foco de sela se desenvolveram pouco depois da linha central da colisão, como seria de esperar da formação de um vórtice de grampo27,28. Em um estudo usando técnicas experimentais semelhantes com uma geometria diferente montada na parede, a visualização de filme de óleo em torno de um cubo montado na superfície em fluxo constante realizado por Martinuzzi e Tropea29 exibiu duas linhas claras de atrito da pele a montante do objeto. A primeira linha de atrito da pele correspondeu à linha de separação primária causada pelo gradiente de pressão adversa e a segunda linha de atrito da pele marcou a localização média do tempo do vórtice da ferradura. As medições de pressão superficial realizadas a montante do objeto mostraram um mínimo local ao longo da linha de vórtice da ferradura e um máximo de pressão local entre as linhas primárias de separação e vórtice da ferradura. Linhas de separação a montante semelhantes são formadas com outras geometrias montadas na superfície, incluindo um cilindro circular, pirâmide e cone29-31. A visualização da superfície a jusante de objetos montados na parede normalmente exibe dois focos causados pela região de recirculação atrás do objeto30. Dois vórtices são gerados nas posições de foco e correspondem ao "tipo arco" ou vórtice de grampo visto na sequência de um hemispheroid montado na parede32.

A velocimetria de imagem de partículas (PIV) tem sido usada anteriormente para estudar o fluxo a jusante dos modelos de dobra vocal sintética33-35. PIV é uma técnica de visualização não invasiva que as imagens fluem o movimento de partículas do rastreador dentro de um plano para capturar a dinâmica do fluido espória-temporal36. Estruturas tridimensionais coerentes que formam a jusante das dobras vocais oscilantes foram estudadas por Neubauer et al. 37; geração de vórtice e convecção e queda de jato foi observada. Recentemente, Krebs et al. 38 estudou a tridimensionalidade do jato glotal usando PIV estereoscópico e os resultados demonstram a comutação do eixo a jato glotal. Erath e Plesniak14 investigaram o efeito de um modelo de dobra vocal na superfície medial de um modelo de dobra vocal de 7,5 vezes dimensionado dinamicamente. Uma região de recirculação foi formada a jusante do pólipo e a dinâmica dos jatos foi afetada durante todo o ciclo de fleução. Os estudos anteriores, com exceção do estudo de pólipo da dobra vocal impulsionada por Erath e Plesniak14,não exploraram a dinâmica fluida induzida por um pólipo ou nódulo da dobra vocal medial.

É importante entender o efeito dinâmico fluido do modelo pólipo dentro de campos de fluxo constantes e pulsantes antes de incluir a complexidade adicional das paredes móveis da dobra vocal, gradientes de pressão induzidos, volume geométrico confinado e outros meandros. O trabalho atual concentra-se na assinatura das estruturas de fluxo na parede a jusante sob condições de fluxo constantes e instáveis. As interações entre as estruturas vorticas que são derramadas de uma saliência e a parede a jusante é de grande interesse para a investigação de pólipos de dobra vocal, bem como outras considerações biológicas, pois essas interações provocam uma resposta biológica.

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Protocolo

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Neste trabalho, um hemispheróide prolate montado na parede, ou seja, um pólipo de dobra vocal modelo, é posicionado no piso da seção de teste de um túnel de vento tipo sucção com uma razão de contração de 5:1. Separação de fluxo tridimensional instável e seu efeito no carregamento de pressão da parede são investigados usando visualização de fluxo de óleo, medições de pressão da parede e velocimetria de imagem de partículas. As medidas de pressão instáveis são adquiridas usando um transdutor de pressão de varredura de dezesseis canais com sensores de pressão piezoresistive. Os sensores de pressão têm uma resposta de frequência de 670 Hz. As torneiras de pressão estática formadas a partir de tubulações de aço inoxidável são montadas a montante e a jusante do modelo de dobra vocal para facilitar as medidas de pressão da superfície e encanadas ao dispositivo de pressão de varredura. A visualização do fluxo de óleo e as medidas de pressão da superfície não podem ser adquiridas simultaneamente porque o óleo fluiria para as torneiras de pressão causando incrusto.

A seção a seguir fornece o protocolo para configurar e adquirir visualização de filme de óleo e medições de pressão superficial em torno de uma hemispheroid prolate montada na parede. Embora as medições de velocimetria de imagem de partículas de fase e tempo resolvidos estejam sendo adquiridas, a aquisição do PIV não está incluída neste protocolo. Os autores sugerem as referências de Raffel et al. 36 e Adrian e Westerweel39 para uma compreensão aprofundada da configuração experimental do PIV, aquisição de dados e processamento de dados.

1. Gerar Protuberance (ou seja, Model Polyp)

  1. Construa um modelo CAD (Computer-Aided Design, design com auxílio ao computador tridimensional) com a geometria desejada. Gere o modelo de dobra vocal pólipo como um hemisferóide prolate medindo 5,08 cm de comprimento, 2,54 cm de largura e 1,27 cm de altura. Monte uma base quadrada de 2,54 cm que tem 0,64 cm de espessura até a parte inferior do modelo de dobra vocal pólipo. Esta base será usada para ancorar o modelo no piso da seção de teste.
  2. Exporte o modelo 3D CAD como um arquivo de estereolithografia (STL). O formato de arquivo STL gera a superfície do modelo como uma série de triângulos. Escolha uma resolução adequada para garantir uma superfície lisa no pólipo do modelo. Recomenda-se uma resolução de pelo menos 600 pontos/in.
  3. Carregue o arquivo STL no software apropriado e imprima o arquivo STL usando uma impressora tridimensional de alta resolução ou protótipor rápido com uma resolução de camada de construção de pelo menos 20 μm.
  4. A seção de teste do túnel de vento é de aproximadamente 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm com uma placa inferior removível, como mostrado na Figura 1. Mote um orifício quadrado de 2,54 cm aproximadamente 0,85 cm de profundidade na placa removível do piso removível do túnel de vento para montar o pólipo da dobra vocal modelo para testes. O orifício deve estar localizado no centro da largura da seção de teste e estar localizado no local a jusante desejado para testes.

2. Preparação de visualização do fluxo de óleo

  1. Para preparar a seção de teste, cubra a superfície da seção de teste dentro do túnel de vento com papel adesivo branco. Coloque cuidadosamente e suavize o papel adesivo para garantir que o piso da seção de teste não tenha lombadas devido a bolhas de ar ou vincos no papel adesivo. Corte um orifício no papel adesivo acima do orifício quadrado no piso da seção de teste para que a âncora do pólipo modelo se conecte à parede da seção de teste.
  2. Insira a protuberância (modelo de dobra vocal pól) na posição de âncora para se preparar para o teste. Ver Figura 1.
  3. Monte uma câmera de alta resolução acima da seção de teste do túnel de vento. Concentre a câmera para o campo de visão escolhido, incluindo o pólipo modelo e a área de teste circundante. Defina os parâmetros de aquisição da câmera para testes. Uma configuração de vídeo deve ser usada para capturar a porção transitória da visualização do fluxo de óleo ou se os fluxos instáveis ou pulsantes são de interesse.
  4. Prepare a mistura de óleo de visualização de fluxo combinando óleo de bebê, pó de toner de cópia e querosene em uma proporção de 7:1:2 em volume. Por exemplo: combine 35 ml de óleo de bebê, 5 ml de toner em pó e 10 ml de querosene. Misture o óleo do bebê e o pó de toner em um recipiente e mexa até que o toner esteja completamente dissolvido. Em seguida, adicione o querosene e misture bem.
  5. Transfira a mistura para uma garrafa de spray para fácil aplicação na superfície da seção de teste.

3. Medições de visualização do fluxo de óleo

  1. Limpe e seque a superfície da seção de teste antes de cada aplicação da mistura de óleo.
  2. Use a garrafa de spray cheia com a mistura de óleo para pulverizar uma fina e uniforme camada de fluido sobre a seção de interesse. Uma fina camada de mistura de óleo é importante para produzir imagens adequadas de visualização de filme de óleo.
  3. Inicie a aquisição de imagens ou vídeos na câmera. Inicie a aquisição da câmera antes que o túnel de vento seja ligado para capturar o movimento inicial da mistura de óleo transitório.
  4. Coloque o túnel de vento de sucção na velocidade desejada. A mistura de óleo começará a fluir ao longo da superfície da seção de teste.
  5. Uma vez que a mistura de óleo pare de fluir e tenha atingido um estado estável (ou seja, os padrões estão estacionários), ou quando o tempo desejado tiver transcorrido, pare a gravação da câmera e desça o túnel de vento.
    Nota: O vídeo 1 exibe a mistura de óleo fluindo até que um estado estável seja atingido e o padrão de atrito da pele fique parado. No vídeo, o fluxo está se movendo da esquerda para a direita.

4. Preparação para medição da pressão da superfície

  1. Prepare a superfície do piso da seção de teste (placa removível) perfurando furos para montagem de tubulações de aço inoxidável (0,16 cm de diâmetro externo e 2,54 cm de comprimento) no piso da seção de teste para construir torneiras de pressão estática. Começando na linha média da posição de âncora do hemispheróide prolate, faça os furos em uma grade que abrange 8,89 cm no sentido spanwise e 22,86 cm rio abaixo com espaçamento de grade de 1,27 cm e espaçamento da grade a jusante de 2,54 cm (ver Figura 1). As tubulações de aço inoxidável têm uma protuberância em uma extremidade para fixar tubos flexíveis e são retas na outra extremidade para montagem.
    Nota: As torneiras de pressão estática podem ser posicionadas em intervalos mais próximos para uma grade mais fina de locais de aquisição de pressão.
  2. Monte as tubulações ao redor da posição de âncora da parede montada hemispheroid prolate (ou seja, modelo de dobra vocal pól) na configuração desejada no piso da seção de teste para se preparar para o teste. As tubulações devem ser montadas com o piso da seção de teste.
  3. Anexar peças de tubulação flexível curta (6,35 cm de comprimento, 0,159 cm de diâmetro interno, tubo de cloreto de polivinil de diâmetro externo de 0,475 cm) das tubulações de aço inoxidável montadas às portas de medição transdutor de pressão de varredura. O transdutor de pressão de varredura tem dezesseis portas de pressão.

5. Aquisição de medição de pressão superficial

  1. Conecte o transdutor de pressão de digitalização a um computador e configure os parâmetros de aquisição usando o software transdutor de pressão de digitalização. Defina o software de aquisição para adquirir dados a 500 Hz para a duração desejada da aquisição de dados.
    Nota: Os dados foram adquiridos na taxa máxima de amostragem do transdutor de pressão de digitalização, 500 Hz, devido às pequenas variações de pressão em frequências de baixa oscilação.
  2. Coloque o túnel de vento de sucção na velocidade desejada.
  3. Comece a aquisição de medição de pressão. As medidas de pressão podem ser adquiridas simultaneamente com qualquer técnica de diagnóstico de fluxo desejada (por exemplo, PIV, anemometria do doppler laser, anamometria de fio quente, etc.)

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Resultados

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Trabalhos anteriores usando um modelo de dobra vocal dimensionada 7,5 vezes em escala dinâmica demonstrou que a presença de uma protuberância geométrica, modelo de dobra vocal, interrompe a dinâmica normal do jato glotal durante todo o ciclo de fleonação. Os resultados representativos do estudo anterior do modelo de dobra vocal impulsionada são exibidos na Figura 2 e no Vídeo 2. O vídeo demonstra o movimento das dobras vocais impulsionadas à medida que mudam de uma geometria convergente ...

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Discussão

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Compreender a formação e propagação de estruturas vórticas a partir de uma protuberância geométrica e seu efeito subsequente sobre os carregamentos aerodinâmicos que impulsionam a dinâmica da dobra vocal, é necessário fornecer insights e modelos a fim de avançar no tratamento de pólipos e nódulos de dobra vocal. Espera-se que as variações nos carregamentos aerodinâmicos causados pelo pólipo modelo neste experimento contribuam para a dinâmica irregular da dobra vocal observada em pacientes com pólipos13,41. Tra...

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Divulgações

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Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

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Este trabalho é apoiado pela Fundação Nacional de Ciência, Grant No. CBET-1236351 e GW Center for Biomiimetics and Bioinspired Engineering (COBRE).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Rapid PrototyperObjetObjet24Tamanho da Bandeja (X xY x Z): 240 x 200 x 150 mm
Espessura da camada de construção =  28 µ m 
Precisão = 0,1 mm
Resolução de construção: Eixo X: 600 dpi, Eixo Y: 600 dpi, Eixo Z: 900 dpi
Prototipador Rápido Material do ModeloObjetVeroWhite Plus Fullcure 835
Prototipador Rápido Material de SuporteObjetFullCure 705 Suporte
Copiador TonerXerox
QueroseneSunnyside
Óleode BebêPapel Adesivo Johnson's
Con-Tact MarcaCobertura adesiva branca
Tubulação Tygon TubulaçãoPVCTygon1/16 in ID, 3/16 in OD
Scanner de Pressão (16 canais)ScanivalveDSA3217Usado para medições de pressão de gás
Faixa de pressão = ± 5 in H2O
Precisão da escala completa = ± 0,3% de precisão em escala total. 
Taxa máxima de varredura = 500 Hz/canal
Tubulações de aço inoxidávelScanivalveTUBN-063-1.00,063 de diâmetro e 1 de comprimento

Referências

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