חקירת הפרדת הזרימה התלת מימדית הנגרמת על ידי מודל פוליפ קיפול ווקאלי

Summary

פוליפים קיפול קולי יכול לשבש את הדינמיקה קיפול הקול ולכן יכול להיות השלכות הרסניות על היכולת של המטופל לתקשר. הפרדת זרימה תלת מימדית הנגרמת על ידי פוליפ מודל רכוב על הקיר והשפעתו על עומס לחץ הקיר נבדקים באמצעות ולוצ'ימטריה של תמונת חלקיקים, הדמיה של קו חיכוך העור ומדידות לחץ על הקיר.

Abstract

תהליך חילופי האנרגיה של מבנה הנוזלים לדיבור רגיל נחקר בהרחבה, אך הוא אינו מובן היטב לתנאים פתולוגיים. פוליפים וגושים, שהם חריגות גיאומטריות היוצרות על פני השטח המדיאליים של קפלי הקול, יכולים לשבש את הדינמיקה של קיפול הקול ובכך יכולות להיות השלכות הרסניות על יכולתו של המטופל לתקשר. המעבדה שלנו דיווחה על מדידות velocimetry תמונת חלקיקים (PIV), בתוך חקירה של פוליפ מודל הממוקם על פני השטח המדיאלי של מודל קיפול קולי מונחה במבחנה, אשר מראים כי חריגה גיאומטרית כזו משבשת במידה ניכרת את התנהגות סילון glottal. התאמת שדה זרימה זו היא סיבה סבירה לפגיעה חמורה באיכות הקול בחולים עם פוליפים. הבנה מלאה יותר של היווצרות והתפשטות של מבנים מערבולת מתוך protuberance גיאומטרי, כגון פוליפ קיפול קולי, ואת ההשפעה וכתוצאה מכך על הטעינה האווירודינמית המניעים את הדינמיקה קיפול הקול, יש צורך לקידום הטיפול במצב פתולוגי זה. החקירה הנוכחית נוגעת להפרדת הזרימה התלת מימדית הנגרמת על ידי חמיספרויד פרולט רכוב על הקיר עם יחס גובה-רוחב של 2:1 בזרימה צולבת, כלומר פוליפ קיפול קולי לדוגמה, בטכניקת הדמיה של סרט שמן. הפרדת זרימה תלת מימדית לא יציבה והשפעתה על עומס לחץ הקיר נבחנים באמצעות הדמיית קו חיכוך העור ומדידות לחץ על הקיר.

Introduction

קפלי הקול הם שתי רצועות של רקמה המשתרעות על פני דרכי הנשימה הקוליות. דיבור קולי מופק כאשר מושגת לחץ ריאות קריטי, המאלץ אוויר באמצעות קפלי קול מודבקים. קפלי הקול מורכבים משכבות רבות של רקמה ומיוצגים לעתים^קרובותעל ידי מערכת כיסוי גוף דו שכבתית פשוטה 1 . המטריצה החוץ תאית, המהווה את רוב שכבת הכיסוי, מורכבת מסיבי קולגן ואלסטין, ומספקת מאפיינים לא ליניאריים של מאמץ מתח, החשובים לתנועה הנכונה של קפלי הקול^1,2. כוחות אווירודינמיים מעניקים אנרגיה לרקמה של קפלי הקול ומרגשים תנודות מתמשכות עצמית³. כאשר קפלי הקול מתנדנדים, הפתח ביניהם, המכונה glottis, יוצר פתח משתנה זמנית שעובר מהתכנסות למדים ולאחר מכן למעבר מתפצל לפני הסגירה והחזרה על המחזור^4,6. תדרי רטט לדיבור רגיל משתרעים בדרך כלל על פני 100-220 הרץ אצל זכרים ונקבות בהתאמה, ויוצרים שדה זרימה פועם העובר דרך glottis⁷. תהליך חילופי האנרגיה של מבנה הנוזלים לדיבור רגיל נחקר בהרחבה^8-12; עם זאת, ההפרעה של תהליך זה עבור כמה פתולוגיות אינו מובן היטב. התנאים הפתולוגיים של קפלי הקול יכולים לגרום לשינויים דרמטיים בדינמיקה שלהם ולהשפיע על היכולת ליצור דיבור קולי.

פוליפים וגושים הם חריגות גיאומטריות היוצרות על פני השטח המדיאליים של קפלי הקול. ליקויים אלה יכולים להשפיע על יכולתו של המטופל לתקשר¹³. עם זאת, רק לאחרונה יש את ההפרעה של שדה הזרימה עקב protuberance גיאומטרי כגון פוליפ נחשב¹⁴. מחקר זה הראה כי תהליך חילופי האנרגיה "הנורמלי" של מבנה הנוזלים השתנה באופן דרסטי, וכי השינוי בשדה הזרימה היה הסיבה הסבירה ביותר לפגיעה חמורה באיכות הקול בחולים עם פוליפים וגושים. לא הוקמה הבנה מקיפה של מבני הזרימה המיוצרים על ידי הפרדת זרימה תלת מימדית מפוליפ בזרימה pulsatile. הדור וההפצה של מבנים וורטיליים מפוליפ, והשפעתם לאחר מכן על הטעינה האווירודינמית המניעה את דינמיקת קיפול הקול היא מרכיב קריטי הכרחי לקידום תיקון כירורגי של פוליפים בחולים.

בעוד הפרדת זרימה מהמיספרואיד רכוב על קיר בזרימה קבועה נחקרה^15-23, באופן מפתיע, יש מעט מידע לגבי הפרדת זרימה תלת מימדית לא יציבה מהמיספרואיד על קיר הכפוף לתנאי זרימה פולסאטיים או לא יציבים כפי שנמצאים בדיבור. עבודתם החשובה של אקרלר וסמית'¹⁵ סיפקה ניתוח של המבנים התלת מימדיים הקוהרנטיים שנוצרו על ידי זרימה קבועה מעל המיספרואיד רכוב על קיר בתוך שכבת גבול למינארית. אקרלר וסמית' זיהו שני סוגים של מבנים וורטיליים. מערבולת פרסה עומדת נוצרה במעלה הזרם של ההמיספרואיד פרוטוורנס והורחבה במורד הזרם של ההטיה משני הצדדים. בנוסף, מערבולות סיכת ראש נשפכו מעת לעת מהקיר רכוב hemispheroid לתוך האשכבה. התנועה המורכבת וההתקדמות של מערבולות סיכות הראש נחקרו ותוארו בפירוט.

זרימה על גבעה צירית בעלת קווי מתאר חלקים נחקרה בעבר, שבה הן מדידות לחץ סטטי על פני השטח והן הדמיית שמן פני השטח נרכשו במורד הזרם ובמורד הבליטה בתוך זרימת גזירה סוערת. טכניקות צילום שמן מאפשרות הדמיה של קווי חיכוך עור, אזורי מהירות גבוהה ונמוכה ונקודות הפרדה והצמדה בתוך זרימת משטח, ושימושיות לבדיקת בעקבות עצם המותקן על הקיר. עבור טכניקה זו, פני השטח של עניין מצופה בסרט דק של בסיס שמן ופיגמנט אבקה עדין(כלומר lampblack, אבקת גרפיט, או טיטניום דו חמצני) תערובת. בתנאי הזרימה הרצויים, כוחות חיכוך גורמים לשמן לנוע לאורך פני השטח ולגרום לאבקת הפיגמנט להיות מופקדת בפסים. נקודות קריטיות או ייחודיות, מיקומים שבהם הלחץ הגזירה הוא אפס או שניים או יותר מרכיבים של המהירות הממוצעת הם אפס, ניתן לסווג מן דפוס קו חיכוך העור וכתוצאה מכך נקודות אוכף או נקודות nodal^24-26.

עבור הגיאומטריה של הגבעה, לא נמצאה סינגולריות הנגרמת על ידי ההפרדה במעלה הזרם; זה יוחס לקווי המתאר העולים בצורה חלקה של הבליטה, אשר לא ליצור את שיפוע הלחץ השלילי המתרחשת עם protuberance hemispheroid. כתוצאה מכך, הזרימה נמצאה להאיץ עד פסגת הבליטה שלאחריה, נקודות הפרדת אוכף-מיקוד לא יציבות התפתחו זמן קצר לאחר קו האמצע של הבליטה, כצפוי מהיווצרות מערבולת סיכת ראש^27,28. במחקר באמצעות טכניקות ניסיוניות דומות עם גיאומטריה שונה המותקנת על הקיר, הדמיה של סרט שמן סביב קובייה המותקנת על פני השטח בזרימה קבועה שבוצעה על ידי מרטינוצי וטרופאה²⁹ הציגה שני קווי חיכוך עור ברורים במעלה הזרם של האובייקט. קו החיכוך הראשון של העור התאים לקו ההפרדה העיקרי שנגרם על ידי שיפוע הלחץ השלילי וקו החיכוך השני של העור סימן את המיקום הממוצע בזמן של מערבולת הפרסה. מדידות לחץ פני השטח שבוצעו במעלה הזרם של האובייקט הראו מינימום מקומי לאורך קו מערבולת הפרסה ומקסימום לחץ מקומי בין ההפרדה העיקרית לבין קווי מערבולת הפרסה. קווי הפרדה דומים במעלה הזרם נוצרים עם גיאומטריות אחרות המותקנות על פני השטח, כולל גליל עגול, פירמידה וקונוס^29-31. תצוגה חזותית של פני השטח במורד הזרם של אובייקטים המותקנים על הקיר מציגה בדרך כלל שני מוקדים הנגרמים על-ידי אזור ההסתעפות שמאחורי האובייקט³⁰. שני מערבולות נוצרות בעמדות המוקדים ומתאימים למערבולת "סוג הקשת" או סיכת הראש שנראתה בעקבות המיספרואיד רכוב על הקיר³².

velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) שימש בעבר כדי ללמוד את הזרימה במורד הזרם של מודלים קיפול קולי סינתטי^33-35. PIV היא טכניקת הדמיה לא פולשנית אשר תמונות זורמות תנועת חלקיקי מעקב בתוך מישור ב כדי ללכוד דינמיקה נוזל מרחבי-טמפורלי^36. מבנים קוהרנטיים תלת מימדיים היוצרים במורד הזרם של קפלי הקול המתנדנדים נחקרו על ידי Neubauer ואח '. ^{37; 19.} דור המערבולת והסעה וניפוף סילון נצפו. לאחרונה, קרבס ואח '. ³⁸ חקר את התלת מימדי של סילון glottal באמצעות PIV סטריאוסקופי והתוצאות להדגים מיתוג ציר סילון glottal. Erath ו Plesniak¹⁴ חקרו את ההשפעה של פוליפ קיפול קולי מודל על פני השטח המדיאלי של מודל 7.5 פעמים קנה מידה דינמי קיפול קולי. אזור מחזור נוצר במורד הזרם של הפוליפ ודינמיקת הסילון הושפעה לאורך כל מחזור הזיופים. המחקרים הקודמים, חסימת מחקר פוליפ קיפול קולי מונע על ידי Erath ו Plesniak¹⁴, לא חקרו את הדינמיקה הנוזלית הנגרמת על ידי פוליפ קיפול קולי מדיאלי או גולם.

חשוב להבין את ההשפעה הדינמית הנוזלית של פוליפ המודל בתוך שדות זרימה יציבים ופועמים לפני שתכלול את המורכבות הנוספת של הקירות הנעים של קיפול הקול, שיפוע הלחץ המושרה, נפח גיאומטרי מוגבל ומורכבויות אחרות. העבודה הנוכחית מתמקדת בחתימת מבני הזרימה על הקיר במורד הזרם בתנאי זרימה יציבים ולא יציבים כאחד. האינטראקציות בין המבנים המערבולתיים שנשפכים מבלוט לבין הקיר במורד הזרם מעניינות מאוד את חקירת פוליפים קיפול הקוליים כמו גם שיקולים ביולוגיים אחרים, שכן אינטראקציות אלה מעוררות תגובה ביולוגית.

Protocol

בעבודה זו, פרולט hemispheroid רכוב על הקיר, כלומר פוליפ קיפול קולי מודל, ממוקם על רצפת קטע הבדיקה של מנהרת רוח מסוג יניקה עם יחס התכווצות 5:1. הפרדת זרימה תלת מימדית לא יציבה והשפעתה על עומס הלחץ בקיר נחקרים באמצעות הדמיה של זרימת שמן, מדידות לחץ קיר וממדי תמונת חלקיקים. מדידות הלחץ הלא יציבות נרכשות באמצעות מתמר לחץ סריקת ערוץ שש עשרה עם חיישני לחץ piezoresistive. חיישני הלחץ יש תגובת תדר של 670 הרץ. ברזי לחץ סטטיים שנוצרו צינוריות נירוסטה הם סומק רכוב במעלה הזרם במורד הזרם של פוליפ קיפול קולי מודל כדי להקל על מדידות לחץ פני השטח קצר צנרת למכשיר לחץ הסריקה. הדמיית זרימת שמן ומדידות לחץ פני השטח לא ניתן לרכוש בו זמנית כי שמן יזרום לתוך ברזי הלחץ גורם עכירות.

הסעיף הבא מספק את הפרוטוקול להקמה ורכישה של הדמיה של סרטי שמן ומדידות לחץ על פני השטח סביב ההמיספרואיד הפרולט המותקן על הקיר. למרות מדידות velocimetry תמונת חלקיקים בממוצע שלב וזמן נפתרים נרכשים, רכישת PIV אינה כלולה בפרוטוקול זה. המחברים מציעים את ההפניות על ידי רפל ואח '. ³⁶ ואדריאן ווסטרוויל³⁹ להבנה מעמיקה של התקנה ניסיונית PIV, רכישת נתונים ועיבוד נתונים.

1. צור Protuberance(כלומר פוליפ מודל)

1. בנה מודל תכנון תלת מימדי בעזרת מחשב (CAD) עם הגיאומטריה הרצויה. צור פוליפ קיפול קולי מודל כמו hemispheroid פרולט מדידה 5.08 ס"מ אורך, 2.54 ס"מ רוחב, ו 1.27 ס"מ גובה. הר בסיס מרובע 2.54 ס"מ בעובי 0.64 ס"מ לתחתית פוליפ קיפול הקול מודל. בסיס זה ישמש לעיגון הדגם לרצפת מקטע הבדיקה.
2. יצא את דגם ה- CAD תלת-ממדי כקובץ סטריאוליטוגרפיה (STL). תבנית הקובץ STL יוצרת את משטח הדגם כסדרה של משולשים. בחר רזולוציה מתאימה כדי להבטיח משטח חלק בפוליפ הדגם. מומלץ לקבל רזולוציה של 600 נקודות/in לפחות.
3. העלה את קובץ ה- STL לתוכנה המתאימה והדפס את קובץ ה- STL באמצעות מדפסת תלת-ממדית ברזולוציה גבוהה או אב-טיפוס מהיר עם רזולוציית שכבת בנייה של 20 מיקרומטר לפחות.
4. מקטע בדיקת מנהרת הרוח הוא כ-30.48 ס"מ x 30.48 ס"מ x 121.92 ס"מ עם לוח תחתון נשלף כפי שמוצג באיור 1. טחנה חור מרובע 2.54 ס"מ כ 0.85 ס"מ עמוק לתוך מנהרת הרוח מבחן קטע צלחת נשלפת כדי לטעון את פוליפ קיפול קולי מודל לבדיקה. החור צריך להיות ממוקם במרכז רוחב קטע הבדיקה ולהיות ממוקם במיקום הרצוי במורד הזרם לבדיקה.

2. הכנת הדמיה של זרימת שמן

1. על מנת להכין את קטע הבדיקה, לכסות את משטח קטע הבדיקה בתוך מנהרת הרוח עם נייר דבק לבן. בזהירות למקם ולהחליק את נייר דבק כדי להבטיח כי רצפת סעיף הבדיקה אין בליטות עקב בועות אוויר או קמטים בנייר דבק. חותכים חור בנייר דבק מעל החור המרובע ברצפת קטע הבדיקה עבור עוגן פוליפ המודל לצרף לקיר קטע הבדיקה.
2. הכנס את ה-protuberance (פוליפ קיפול קולי מודל) לתוך עמדת העוגן כדי להתכונן לבדיקה. ראו איור 1.
3. הר מצלמה ברזולוציה גבוהה מעל מקטע הבדיקה מנהרת הרוח. מקד את המצלמה עבור שדה הראייה שנבחר, כולל פוליפ הדגם ואזור מקטע הבדיקה המקיף אותו. הגדר את הפרמטרים של רכישת המצלמה לבדיקה. יש להשתמש בהגדרת וידאו כדי ללכוד את החלק הארעי של ההדמיה של זרימת השמן או אם זרימות לא יציבות או pulsatile מעניינות.
4. הכן את תערובת שמן הדמיית הזרימה על ידי שילוב שמן תינוקות, אבקת טונר העתקה ונפט ביחס של 7:1:2 לפי נפח. לדוגמה: לשלב 35 מ"ל שמן תינוקות, 5 מ"ל להעתיק אבקת טונר, ו 10 מיליליטר נפט. מערבבים את שמן התינוק ואבקת הטונר יחד במיכל ומערבבים עד שהטונר מתמוסס לחלוטין. לאחר מכן מוסיפים את הנפט ומערבבים היטב.
5. מעבירים את התערובת לבקבוק ספריי ליישום קל למשטח קטע הבדיקה.

3. מדידות הדמיה של זרימת שמן

1. לנקות ולייבש את משטח קטע הבדיקה לפני כל יישום של תערובת השמן.
2. השתמש בבקבוק ספריי מלא בתערובת השמן כדי לרסס שכבה דקה, אפילו של נוזל על החלק של עניין. שכבת תערובת שמן דקה ואפילו חשובה להפקת תמונות ויזואליזציה נאותות של סרטי שמן.
3. התחל את רכישת התמונה או הווידאו במצלמה. התחל את רכישת המצלמה לפני מנהרת הרוח מופעלת על מנת ללכוד את התנועה הראשונית תערובת שמן ארעי.
4. הגדר את מנהרת רוח היניקה למהירות הרצויה. תערובת השמן תתחיל לזרום לאורך משטח קטע הבדיקה.
5. לאחר שתערובת השמן מפסיקה לזרום והגיעה למצב יציב(כלומר הדפוסים נייחים), או כאשר הזמן הרצוי חלף, עצרו את הקלטת המצלמה והפעילו את מנהרת הרוח.
   הערה: סרטון 1 מציג את תערובת השמן הזורמת עד לקבלת מצב יציב ודפוס החיכוך בעור הופך לנייח. בסרטון הזרימה נעה משמאל לימין.

4. הכנת מדידת לחץ משטח

1. הכינו את משטח הרצפה של מקטע הבדיקה (צלחת נשלפת) על ידי קידוח חורים להרכבת צינוריות נירוסטה (קוטר חיצוני של 0.16 ס"מ ואורך 2.54 ס"מ) לרצפת קטע הבדיקה לבניית ברזי לחץ סטטיים. החל מקו האמצע של מיקום העוגן של ההמיספרואיד הפרולט, קדח את החורים ברשת המשתרעת על פני 8.89 ס"מ בכיוון spanwise ו- 22.86 ס"מ במורד הזרם עם מרווח רשת של 1.27 ס"מ לאורך טווח ומרווח רשת של 2.54 ס"מ במורד הזרם (ראו איור 1). צינוריות נירוסטה יש בליטה בקצה אחד לחיבור צינורות גמישים והם ישר בצד השני להרכבה.
   הערה: ניתן למקם את ברזי הלחץ הסטטי במרווחי זמן קרובים יותר עבור רשת עדינה יותר של מיקומי רכישת לחץ.
2. הר את הצינוריות המקיפות את מיקום העוגן של הקיר רכוב פרולט hemispheroid(כלומר פוליפ קיפול קולי מודל) בתצורה הרצויה על רצפת קטע הבדיקה כדי להתכונן לבדיקה. הצינוריות צריך להיות מותקן סומק עם רצפת סעיף הבדיקה.
3. צרף חתיכות של צינורות גמישים קצרים (6.35 ס"מ אורך, 0.159 ס"מ קוטר פנימי, 0.475 ס"מ קוטר חיצוני ברור צינורות פוליוויניל כלוריד) מן צינוריות נירוסטה רכוב ליציאות מדידת מתמר לחץ הסריקה. מתמר לחץ הסריקה יש שש עשרה יציאות לחץ.

5. רכישת מדידת לחץ משטח

1. חבר את מתמר לחץ הסריקה למחשב וקבע את תצורת פרמטרי הרכישה באמצעות תוכנת מתמר הלחץ הסריקה. הגדר את תוכנת הרכישה לרכישת נתונים במהירות של 500 הרץ למשך הזמן הרצוי של רכישת נתונים.
   הערה: הנתונים נרכשו בקצב הדגימה המרבי של מתמר לחץ הסריקה, 500 הרץ, בשל וריאציות הלחץ הקטנות בתדרי תנודה נמוכים.
2. הגדר את מנהרת רוח היניקה למהירות הרצויה.
3. התחל רכישת מדידת לחץ. ניתן לרכוש את מדידות הלחץ בו זמנית עם כל טכניקת אבחון זרימה רצויה (למשל PIV, כלנית דופלר בלייזר, אנמומטריית חוט חם וכו ').

תוצאות

עבודה קודמת באמצעות 7.5 פעמים קנה מידה למעלה דינמית מונחה מודל קיפול קולי הוכיחה כי נוכחות של protuberance גיאומטרי, מודל פוליפ קיפול קולי, משבש את הדינמיקה הרגילה של סילון glottal לאורך כל מחזור phonatory. תוצאות מייצגות ממחקר מודל קיפול הקול הקודם מוצגות באיור 2 ובוידאו 2. הסרטון מדגים...

Discussion

הבנת היווצרותם והתפשטותם של מבנים וורטיים מתוך תבונה גיאומטרית והשפעתם לאחר מכן על הטעינה האווירודינמית המניעה את דינמיקת הקיפול הקולי, נחוצה כדי לספק תובנות ומודלים על מנת לקדם את הטיפול בפוליפים ובגושים של קיפול ווקאלי. הווריאציות בטעינה אווירודינמית הנגרמות על ידי פוליפ המודל בניסו?...

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