Étude de la séparation d’écoulement tridimensionnelle induite par un polype de pli vocal modèle

Résumé

Les polypes vocaux de pli peuvent perturber la dynamique de pli vocal et peuvent ainsi avoir des conséquences dévastatrices sur un patient' capacité de s de communiquer. La séparation tridimensionnelle d’écoulement induite par un polype de modèle mural et son impact sur la charge de pression de mur sont examinés utilisant la velocimetry d’image de particule, la visualisation de ligne de friction de peau, et les mesures de pression de mur.

Résumé

Le processus d’échange d’énergie de fluide-structure pour la parole normale a été étudié intensivement, mais il n’est pas bien compris pour des conditions pathologiques. Les polypes et les nodules, qui sont des anomalies géométriques qui se forment sur la surface médiale des plis vocaux, peuvent perturber la dynamique des plis vocaux et peuvent ainsi avoir des conséquences dévastatrices sur la capacité d’un patient à communiquer. Notre laboratoire a rapporté des mesures de velocimetry d’image de particule (PIV), dans une enquête sur un polype modèle situé sur la surface médiale d’un modèle in vitro conduit de pli vocal, qui montrent qu’une telle anomalie géométrique perturbe considérablement le comportement de jet glottal. Cet ajustement de champ d’écoulement est une raison probable pour la dégradation grave de la qualité vocale dans les patients présentant des polypes. Une compréhension plus complète de la formation et de la propagation des structures vortical d’une protubérance géométrique, telle qu’un polype de pli vocal, et de l’influence résultante sur les charges aérodynamiques qui conduisent la dynamique de pli vocal, est nécessaire pour faire avancer le traitement de cet état pathologique. La présente recherche concerne la séparation tridimensionnelle d’écoulement induite par un hemispheroid prolate mur-monté avec un rapport d’aspect de 2:1 dans l’écoulement croisé, c.-à-d. un polype de pli vocal modèle, utilisant une technique de visualisation d’huile-film. La séparation d’écoulement tridimensionnelle instable et son impact de la charge de pression de la paroi sont examinés à l’aide de la visualisation de la ligne de friction de la peau et des mesures de la pression de la paroi.

Introduction

Les plis vocaux sont deux bandes de tissu qui s’étendent à travers les voies respiratoires vocales. La parole vocale est produite lorsqu’une pression pulmonaire critique est atteinte, forçant l’air à travers des plis vocaux adductés. Les plis vocaux sont composés de nombreuses couches de tissu et sont souvent représentés par un système simplifié de couverture corporelle à deux couches^1. La matrice extracellulaire, qui constitue la majorité de la couche de couverture, est composée de fibres de collagène et d’élastine, fournissant des caractéristiques de contrainte-déformation non linéaires, qui sont importantes pour le bon mouvement des plis vocaux^1,2. Les forces aérodynamiques transmettent de l’énergie au tissu des plis vocaux et excitent des oscillations auto-entretenues³. Au fur et à mesure que les plis vocaux oscillent, l’ouverture entre eux, appelée glotte, forme un orifice variant temporellement qui passe d’un passage convergent à un uniforme, puis à un passage divergent avant de fermer et de répéter le cycle^4,6. Les fréquences de vibration pour la parole normale couvrent généralement 100-220 Hz chez les mâles et les femelles respectivement, créant un champ d’écoulement pulsatile qui passe à travers la glotte⁷. Le procédé d’échange d’énergie de structure fluide pour la parole normale a été largement étudié^8-12; cependant, la perturbation de ce processus pour certaines pathologies n’est pas bien comprise. Les conditions pathologiques des plis vocaux peuvent entraîner des changements spectaculaires dans leur dynamique et affecter la capacité de générer la parole voisée.

Les polypes et les nodules sont des anomalies géométriques qui se forment sur la surface médiale des plis vocaux. Ces anomalies peuvent affecter la capacité d’un patient à communiquer¹³. Néanmoins, ce n’est que récemment que la perturbation du champ d’écoulement due à une protubérance géométrique telle qu’un polype a été considérée comme¹⁴. Cette étude a prouvé que le processus « normal » d’énergie-échange de fluide-structure de la parole a été radicalement changé, et que la modification du champ d’écoulement était la raison la plus probable pour la dégradation grave de la qualité vocale dans les patients présentant des polypes et des nodules. Aucune compréhension complète des structures d’écoulement produites par la séparation tridimensionnelle d’écoulement d’un polype dans l’écoulement pulsatile n’a été établie. La génération et la propagation des structures vortical d’un polype, et leur impact suivant sur les charges aérodynamiques qui conduisent la dynamique de pli vocal est un composant critique nécessaire pour faire avancer la correction chirurgicale des polypes dans les patients.

Tandis que la séparation d’écoulement d’un hemispheroid mural dans l’écoulement régulier a été étudiée^15-23,étonnamment, il y a peu d’informations concernant la séparation instable d’écoulement tridimensionnel d’un hemispheroid sur un mur soumis aux conditions d’écoulement pulsatile ou instables comme on le trouve dans la parole. Les travaux fondateurs d’Acarlar et Smith¹⁵ ont fourni une analyse des structures cohérentes tridimensionnelles générées par un écoulement constant sur un hémisphéroïde mural dans une couche limite laminaire. Acarlar et Smith ont identifié deux types de structures vortical. Un vortex debout en fer à cheval s’est formé en amont de la protubérance hémisphéroïde et s’est prolongé en aval de la protubérance de chaque côté. En outre, des tourbillons en épingle à cheveux ont été jetés périodiquement de l’hémisphéroïde mural dans le sillage. Le mouvement complexe et la progression des tourbillons d’épingle à cheveux ont été étudiés et décrits en détail.

L’écoulement sur une colline axisymétrique à contour lisse a été précédemment étudié dans lequel les mesures de pression statique de surface et la visualisation de l’huile de surface ont été acquises sur et en aval de la bosse dans un flux de cisaillement turbulent. Les techniques de film d’huile permettent la visualisation des lignes de frottement de la peau, des régions à grande et basse vitesse, et des points de séparation et de fixation dans un flux de surface, et sont utiles pour étudier le sillage d’un objet mural. Pour cette technique, la surface d’intérêt est recouverte d’un film mince d’un mélange de pigment à base d’huile et de poudre fine(c’est-à-dire lampblack, poudre de graphite ou dioxyde de titane). Dans les conditions d’écoulement souhaitées, les forces de frottement provoquent le déplacement de l’huile le long de la surface, ce qui provoque le dépôt de la poudre pigmentaire dans les stries. Les points critiques ou de singularité, les endroits où la contrainte de cisaillement est nulle ou deux ou plusieurs composantes de la vitesse moyenne sont nulles, peuvent être classés à partir du motif de ligne de frottement de la peau résultant en tant que points de selle ou points nodaux^24-26.

Pour la géométrie de la colline, aucune singularité causée par la séparation n’a été trouvée en amont; ceci a été attribué à la découpe doucement ascendante de la bosse, qui n’a pas généré le gradient de pression défavorable qui se produit avec une protubérance hémisphéroïde. Par conséquent, il a été constaté que l’écoulement s’accélérait jusqu’au sommet de la bosse, après quoi, des points de séparation instables de mise au point de la selle se sont développés peu de temps après l’axe de la bosse, comme on pouvait s’y attendre de la formation d’un vortex en épingle à cheveux^27,28. Dans une étude utilisant des techniques expérimentales similaires avec une géométrie murale différente, la visualisation du film d’huile autour d’un cube monté en surface en flux constant effectuée par Martinuzzi et Tropea²⁹ a montré deux lignes de frottement de peau claires en amont de l’objet. La première ligne de frottement de peau correspondait à la ligne de séparation primaire causée par le gradient de pression défavorable et la ligne de frottement de la deuxième peau a marqué l’emplacement moyenné dans le temps du vortex de fer à cheval. Les mesures de pression de surface effectuées en amont de l’objet ont montré un minimum local le long de la ligne de vortex en fer à cheval et une pression maximale locale entre les lignes de séparation primaire et de vortex en fer à cheval. Des lignes de séparation en amont similaires sont formées avec d’autres géométries montées en surface, y compris un cylindre circulaire, une pyramide et un cône^29-31. La visualisation de surface en aval d’objets muraux affiche typiquement deux foyers causés par la région de recirculation derrière l’objet^30. Deux tourbillons sont générés aux positions des foyers et correspondent au « type arc » ou vortex en épingle à cheveux vu dans le sillage d’un hémisphéroïde mural^32.

La vélocimétrie d’image de particules (PIV) a déjà été utilisée pour étudier le flux en aval des modèles de pli vocal synthétique^33-35. PIV est une technique de visualisation non invasive qui image le mouvement des particules traceurs de flux dans un plan pour capturer la dynamique des fluides spatio-temporelle^36. Les structures cohérentes tridimensionnelles qui forment en aval des plis vocaux oscillants ont été étudiées par Neubauer et al. ³⁷; On a observé la génération et la convection de vortex et le battement de jet. Récemment, Krebs et al. ³⁸ a étudié la tridimensionnalité du jet glottal à l’aide de PIV stéréoscopique et les résultats démontrent la commutation de l’axe du jet glottal. Erath et Plesniak¹⁴ ont étudié l’effet d’un polype de pli vocal modèle sur la surface médiale d’un modèle de pli vocal dynamiquement mis à l’échelle 7,5 fois. Une région de recirculation a été formée en aval du polype et la dynamique de jet ont été affectées dans tout le cycle phonatoire. Les études précédentes, à l’exception de l’étude de polype de pli vocal conduit par Erath et Plesniak¹⁴, n’ont pas exploré la dynamique fluide induite par un polype ou un nodule médial de pli vocal.

Il est important de comprendre l’effet dynamique fluide du polype modèle dans les champs d’écoulement stables et pulsatiles avant d’inclure la complexité supplémentaire des parois mobiles du pli vocal, les gradients de pression induits, le volume géométrique confiné et d’autres subtilités. Les travaux actuels se concentrent sur la signature des structures d’écoulement sur la paroi en aval dans des conditions d’écoulement stables et instables. Les interactions entre les structures vortical qui sont jetées d’une saillie et la paroi en aval est d’un grand intérêt pour l’étude des polypes de pli vocal aussi bien que d’autres considérations biologiques, car ces interactions obtiennent une réponse biologique.

Protocole

Dans ce travail, un hémisphéroïde prolate mural, c’est-à-dire un polype de pli vocal modèle, est positionné sur le plancher de la section d’essai d’une soufflerie de type aspiration avec un rapport de contraction de 5:1. La séparation instable et tridimensionnelle de l’écoulement et son effet sur la charge de pression de la paroi sont étudiés à l’aide de la visualisation de l’écoulement d’huile, des mesures de la pression de la paroi et de la vélocimétrie d’image de particules. Les mesures de pression instables sont acquises à l’aide d’un transducteur de pression à balayage à seize canaux avec des capteurs de pression piézorésistifs. Les capteurs de pression ont une réponse en fréquence de 670 Hz. Les prises de pression statiques formées à partir de tubulations en acier inoxydable sont montées encastré en amont et en aval du polype de pli vocal modèle pour faciliter les mesures de pression de surface et courtes plombées au dispositif de pression de balayage. La visualisation du débit d’huile et les mesures de pression de surface ne peuvent pas être obtenues simultanément parce que l’huile s’écoulerait dans les prises de pression, ce qui entraînerait un encrassement.

La section suivante fournit le protocole pour la mise en place et l’acquisition de la visualisation du film d’huile et des mesures de pression de surface autour d’un hémisphéroïde prolate mural. Bien que des mesures de vélocimétrie d’image de particules moyennées par phase et résolues dans le temps soient acquises, l’acquisition de PIV n’est pas incluse dans ce protocole. Les auteurs suggèrent les références de Raffel et al. ³⁶ et Adrian et Westerweel³⁹ pour une compréhension approfondie de la configuration expérimentale PIV, de l’acquisition de données et du traitement des données.

1. Générer la protubérance(c’est-à-dire le polype modèle)

1. Construisez un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO) tridimensionnel avec la géométrie souhaitée. Générez le polype de pli vocal modèle comme hémisphéroïde prolate mesurant 5.08 cm de long, 2.54 cm de large, et 1.27 cm de haut. Montez une base carrée de 2,54 cm de 0,64 cm d’épaisseur au bas du polype de pli vocal modèle. Cette base sera utilisée pour ancrer le modèle au plancher de la section d’essai.
2. Exportez le modèle CAO 3D en tant que fichier de stéréolithographie (STL). Le format de fichier STL génère la surface du modèle sous la forme d’une série de triangles. Choisissez une résolution adéquate pour assurer une surface lisse sur le polype modèle. Une résolution d’au moins 600 points/in est recommandée.
3. Téléchargez le fichier STL dans le logiciel approprié et imprimez le fichier STL à l’aide d’une imprimante tridimensionnelle haute résolution ou d’un prototypeur rapide avec une résolution de couche de construction d’au moins 20 μm.
4. La section d’essai en soufflerie mesure environ 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm avec une plaque inférieure amovible comme le montre la figure 1. Fraisez un trou carré de 2,54 cm d’environ 0,85 cm de profondeur dans la plaque amovible du plancher de la section d’essai de soufflerie pour monter le polype de pli vocal modèle pour les essais. Le trou doit être situé au centre de la largeur de la section d’essai et être situé à l’emplacement en aval souhaité pour l’essai.

2. Préparation de la visualisation du flux d’huile

1. Afin de préparer la section d’essai, couvrir la surface de la section d’essai à l’intérieur de la soufflerie avec du papier adhésif blanc. Placez et lissez soigneusement le papier adhésif pour vous assurer que le plancher de la section d’essai n’a pas de bosses dues à des bulles d’air ou à des plis dans le papier adhésif. Percer un trou dans le papier adhésif au-dessus du trou carré dans le plancher de la section d’essai pour que l’ancrage polype du modèle se fixe à la paroi de la section d’essai.
2. Insérez la protubérance (polype de pli vocal modèle) dans la position d’ancrage pour préparer l’essai. Voir figure 1.
3. Montez une caméra haute résolution au-dessus de la section d’essai en soufflerie. Concentrez la caméra sur le champ de vision choisi, y compris le polype du modèle et la zone de section de test environnante. Définissez les paramètres d’acquisition de la caméra pour les tests. Un réglage vidéo doit être utilisé pour capturer la partie transitoire de la visualisation du flux d’huile ou si des écoulements instables ou pulsatiles sont d’intérêt.
4. Préparez le mélange d’huile de visualisation de flux en combinant de l’huile pour bébé, de la poudre de toner de copie et du kérosène dans un rapport de 7:1:2 en volume. Par exemple: mélanger 35 ml d’huile pour bébé, 5 ml de poudre de copie de toner et 10 ml de kérosène. Mélanger l’huile pour bébé et la poudre de toner ensemble dans un récipient et remuer jusqu’à ce que le toner soit complètement dissous. Ajoutez ensuite le kérosène et mélangez bien.
5. Transférer le mélange dans un vaporisateur pour une application facile sur la surface de la section d’essai.

3. Mesures de visualisation du débit d’huile

1. Nettoyer et sécher la surface de la section d’essai avant chaque application du mélange d’huile.
2. Utilisez le vaporisateur rempli du mélange d’huile pour pulvériser une fine couche uniforme de liquide sur la section d’intérêt. Une couche mince et uniforme de mélange d’huile est importante pour produire des images de visualisation de film d’huile appropriées.
3. Lancez l’acquisition de l’image ou de la vidéo sur la caméra. Commencez l’acquisition de la caméra avant que la soufflerie ne soit mise sous tension afin de capturer le mouvement de mélange d’huile transitoire initial.
4. Réglez la soufflerie d’aspiration à la vitesse souhaitée. Le mélange d’huile commencera à s’écouler le long de la surface de la section d’essai.
5. Une fois que le mélange d’huile cesse de s’écouler et a atteint un état stable(c’est-à-dire que les motifs sont stationnaires), ou lorsque le temps souhaité s’est écoulé, arrêtez l’enregistrement de la caméra et mettez la soufflerie sous tension.
   Remarque : La vidéo 1 montre le mélange d’huile qui s’écoule jusqu’à ce qu’un état d’équilibre soit atteint et que le motif de frottement de la peau devienne stationnaire. Dans la vidéo, le flux se déplace de gauche à droite.

4. Préparation de la mesure de la pression de surface

1. Préparer la surface du plancher de la section d’essai (plaque amovible) en perçant des trous pour le montage de tubulations en acier inoxydable (diamètre extérieur de 0,16 cm et 2,54 cm de long) dans le plancher de la section d’essai pour construire des prises de pression statiques. En commençant par la ligne médiane de la position d’ancrage de l’hémisphéroïde prolate, percer les trous sur une grille qui s’étend sur 8,89 cm dans le sens de l’envergure et 22,86 cm en aval avec un espacement de grille de 1,27 cm dans le sens de l’envergure et un espacement de grille de 2,54 cm en aval (voir la figure 1). Les tubulations en acier inoxydable ont un renflement à une extrémité pour fixer des tubes flexibles et sont droites à l’autre extrémité pour le montage.
   Remarque: Les prises de pression statiques peuvent être positionnées à des intervalles plus rapprochés pour une grille plus fine d’emplacements d’acquisition de pression.
2. Monter les tubulations entourant la position d’ancrage de l’hémisphéroïde prolate mural(c.-à-d. polype de pli vocal modèle) dans la configuration souhaitée sur le plancher de la section d’essai pour se préparer à l’essai. Les tubulations doivent être montées au ras du plancher de la section d’essai.
3. Fixer des morceaux de tubes flexibles courts (longueur de 6,35 cm, diamètre intérieur de 0,159 cm, diamètre extérieur de 0,475 cm de tube de chlorure de polyvinyle transparent) des tubes montés en acier inoxydable aux orifices de mesure du transducteur de pression de balayage. Le transducteur de pression de balayage dispose de seize orifices de pression.

5. Acquisition de la mesure de la pression de surface

1. Connectez le transducteur de pression de balayage à un ordinateur et configurez les paramètres d’acquisition à l’aide du logiciel de transducteur de pression de balayage. Définissez le logiciel d’acquisition pour acquérir des données à 500 Hz pendant la durée souhaitée de l’acquisition de données.
   Note : Les données ont été acquises à la fréquence d’échantillonnage maximale du transducteur de pression de balayage, soit 500 Hz, en raison des faibles variations de pression aux basses fréquences d’oscillation.
2. Réglez la soufflerie d’aspiration à la vitesse souhaitée.
3. Commencez l’acquisition de la mesure de la pression. Les mesures de pression peuvent être acquises simultanément avec n’importe quelle technique de diagnostic de débit souhaitée(par exemple PIV, anémométrie Doppler laser, anamométrie à fil chaud, etc.)

Résultats

Des travaux antérieurs utilisant un modèle de pli vocal dynamiquement mis à l’échelle 7,5 fois ont démontré que la présence d’une protubérance géométrique, le polype de pli vocal modèle, perturbe la dynamique normale du jet glottal tout au long du cycle phonatoire. Les résultats représentatifs de l’étude précédente du modèle de pli vocal sont présentés à la figure 2 et à la vidéo 2. La vidéo montre le mouvement des plis vocaux entraînés alors qu’ils passe...

Discussion

Comprendre la formation et la propagation des structures vortical d’une protubérance géométrique et leur effet suivant sur les charges aérodynamiques qui conduisent la dynamique de pli vocal, est nécessaire pour fournir la perspicacité et les modèles afin d’avancer le traitement des polypes et des nodules vocaux de pli. Les variations des charges aérodynamiques causées par le polype modèle dans cette expérience devraient contribuer à la dynamique irrégulière des plis vocaux observée chez les patients a...

matériels

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