モデルの声帯ポリープによる三次元流分離の調査

要約

声帯ポリープは、声の折り目のダイナミクスを破壊することができ、したがって、患者の通信能力に壊滅的な結果をもたらすことができます。壁面取り付けモデルポリープによって誘導される3次元流れ分離と壁圧負荷への影響を、粒子画像の軌跡、皮膚摩擦線の可視化、および壁圧測定を用いて調べる。

要約

通常の音声のための流体構造エネルギー交換プロセスは広範囲に研究されているが、病理学的状態については十分に理解されていない。声帯の内側表面に形成される幾何学的な異常であるポリープと結節は、声の折り畳みダイナミクスを破壊し、したがって、患者の通信能力に壊滅的な結果をもたらす可能性があります。当研究室では、 インビトロ 駆動のボーカルフォールドモデルの内側表面に位置するモデルポリープの調査の中で、粒子画像のvelocimetry(PIV)測定が報告されており、このような幾何学的異常が気球ジェットの挙動を著しく破壊することを示しています。このフローフィールド調整は、ポリープ患者における声質の著しい劣化の可能性が高い理由である。声帯ポリープのような幾何学的突起からの渦構造の形成と伝播、および声の折り目のダイナミクスを駆動する空力負荷への結果の影響のより完全な理解は、この病理学的状態の治療を進める上で必要である。本研究は、クロスフローにおける2:1アスペクト比を有する壁に取り付けられたプロレート半球体、 すなわち モデルのボーカルフォールドポリープによって誘導される3次元流の分離に関する、オイルフィルム可視化技術を用いた。不安定な3次元流の分離と壁圧荷重の影響は、皮膚摩擦線の可視化と壁圧測定を使用して調べます。

概要

ボーカルフォールドは、ボーカル気道を横切って伸びる組織の2つのバンドです。音声音声は、クリティカルな肺圧が達成されると生成され、付加された声帯を通して空気を強制する。声の折り目は、組織の多くの層で構成され、多くの場合、簡略化された2層のボディカバーシステム¹によって表されます。カバー層の大部分を構成する細胞外マトリックスは、コラーゲンとエラスチン繊維で構成され、非線形応力-ひずみ特性を提供し、声帯^1,2の適切な運動に重要である。空気力学的な力は声のひだの組織にエネルギーを与え、自己持続振動³を励起する。声が揺れるにつれて、それらの間の開口部は、グロティスと呼ばれ、収束性から均一に移行し、サイクル^4,6を閉じて繰り返す前に発散通路に移行する時間的に変化するオリフィスを形成する。通常の音声に対する振動の周波数は、通常、男性と女性でそれぞれ100〜220Hzに及び、グロティス⁷を通過する脈動性流れ場を作り出す。通常の音声のための流体構造エネルギー交換プロセスは、広範囲に研究されています^8-12;しかし、いくつかの病理に対するこのプロセスの中断は十分に理解されていない。声帯の病理的状態は、そのダイナミクスの劇的な変化をもたらし、音声を生成する能力に影響を与える可能性があります。

ポリープと結節は、声帯の内側表面に形成される幾何学的な異常である。これらの異常は、患者の¹³を通信する能力に影響を与える可能性があります。それにもかかわらず、最近になって、ポリープのような幾何学的な突起に起因する流動界の破壊が¹⁴と考えられていた。その研究は、「正常な」流体構造の音声交換プロセスが劇的に変化し、フローフィールドの改変がポリープおよび結節患者の声質の深刻な劣化の最も可能性の高い理由であることを示した。脈動流におけるポリープからの三次元流れ分離によって生じる流れ構造の包括的な理解は確立されていない。ポリープからの渦構造の生成と伝播、および声帯力学的な動きを駆動する空気力学的負荷へのその後の影響は、患者のポリープの外科的改善を進めるために必要な重要な要素である。

安定した流れにおける壁に取り付けられた半球体からの流れの分離は^15-23で調査されているが、驚くべきことに、拍動性または不安定な流れ条件に従う壁の半球状からの不安定な三次元流の分離に関する情報はほとんどない。アカラーとスミス¹⁵ の精通した研究は、層状境界層内の壁に取り付けられた半球体を横切る安定した流れによって生成された三次元のコヒーレント構造の分析を提供した。アカラーとスミスは、2種類の渦構造を特定した。立っている馬蹄渦は、半球状突起の上流に形成され、両側の突起の下流に拡張された。さらに、ヘアピン渦は、壁から定期的にヘミスフェロイドをウェイクに取り付けた。ヘアピン渦の複雑な動きと進行を調査し、詳細に説明した。

滑らかに輪郭を描いた軸対称丘の上の流れは、表面静圧測定と表面油の視覚化の両方が乱流せん断流内のバンプの上および下流に取得された研究が以前に研究されました。オイルフィルム技術は、皮膚摩擦線、高速および低速度領域、および表面流れの中の分離およびアタッチメントポイントの可視化を可能にし、壁に取り付けられた物体のウェイクを調査するのに有用である。この技術のために、目的の表面は、油基剤と微粉末顔料(ランプ ブラック、グラファイト粉末、または二酸化チタン)混合物の薄膜でコーティングされています。所望の流れ条件では、摩擦力が表面に沿って油を動かすと、顔料粉末がストリークに沈着する。臨界点または特異点は、せん断応力が0又は2以上の成分の平均速度がゼロである場所、サドルポイントまたは節点^24~26として得られた皮膚摩擦線パターンから分類することができる。

丘の幾何学では、分離によって引き起こされる特異点は上流で見つかっていない。これは、半球形突起で発生する不利な圧力勾配を生成しなかったバンプの滑らかに上昇する輪郭に起因した。その結果、その後の隆起の頂点まで流れが加速することが判明し、ヘアピン渦^27,28の形成から予想されるように、バンプ中心線を過ぎて間もなく発達した不安定なサドル焦点分離点が発達した。異なる壁に取り付けられた幾何学を用いた同様の実験技術を用いた研究では、マルティンッツィとトロペア²⁹ によって行われた安定した流れの表面に取り付けられた立方体の周りの油膜視覚化は、物体の上流に2つの明確な皮膚摩擦線を表示した。第1の皮膚摩擦線は、不利な圧力勾配に起因する一次分離線に対応し、第2の皮膚摩擦線は馬蹄渦の時間平均位置を示した。物体の上流で行われた表面圧力測定は、馬蹄渦線に沿った局所最小および一次分離と馬蹄渦線の間の局所圧力最大値を示した。同様の上流分離線は、円筒、ピラミッド、円錐^29-31など、他の表面に取り付けられたジオメトリと形成されます。壁に取り付けられたオブジェクトの下流のサーフェスビジュアライゼーションは、通常、オブジェクト³⁰の後ろの再循環領域によって引き起こされる2つのフォチを表示する。2つの渦は、病巣位置で生成され、壁に取り付けられたヘミスフェロイド³²の後に見られる「アーチ型」またはヘアピン渦に対応する。

粒子画像のヴェロシメトリー(PIV)は、合成声の折り目モデル^33-35の下流流を研究するために以前に使用されてきた。PIVは、画像が時空間流体力学36を捕捉するために平面内でトレーサー粒子の動きを流れる非侵襲的な視覚化技術^である。振動する声の折り目の下流を形成する三次元の一貫した構造は、Neubauerらによって研究されてきた 。³⁷;渦の発生と対流とジェットフラッピングが観察された。最近、クレブス ら³⁸ は立体PIVを用いて眼内ジェットの三次元性を調べ、その結果、眼内ジェット軸切り替えを実証した。エラスとプレスニアック¹⁴ は、モデルボーカルフォールドポリープが7.5倍スケールアップされた動的に駆動されたボーカルフォールドモデルの内側表面に及ぼす影響を調査した。ポリープの下流に再循環領域が形成され、噴射ダイナミクスはフォナトリーサイクル全体を通して影響を受けた。エラスとプレスニアック¹⁴による駆動声帯ポリープ研究を阻止する以前の研究では、内側の声帯折りポリープまたは結節によって誘発される流体ダイナミクスを探求していない。

ボーカルフォールド移動壁の追加の複雑さ、誘導圧力勾配、限られた幾何学的体積および他の複雑さを含む前に、安定した、拍動性の流れ場内のモデルのポリープの流体動的効果を理解することが重要です。現在の作業は、安定したフロー条件と不安定なフロー条件の両方で、下流壁の流れ構造のシグネチャに焦点を当てています。突起から流される渦構造と下流壁との相互作用は、これらの相互作用が生物学的応答を引き出すので、声帯ポリープの調査と他の生物学的考察にとって大きな関心を持つ。

プロトコル

この研究では、壁に取り付けられたプロレート半球形、 すなわち モデルの声帯状ポリープは、5:1収縮比の吸引型風洞の試験部床に配置される。不安定な3次元流の分離と壁圧負荷への影響を、オイルフロービジュアライゼーション、壁圧測定、粒子画像のvelocimetryを使用して調査します。不安定な圧力測定は、圧抵抗型圧力センサを備えた16チャンネルの走査型圧力トランスデューサを使用して取得します。圧力センサは670 Hzの周波数応答を持っています。ステンレス鋼管から形成された静圧タップは、表面圧測定を容易にし、スキャン圧力装置に短く配管するために、モデルボーカルフォールドポリープの上流および下流にフラッシュマウントされています。油流の視覚化と表面圧力の測定は、油がファウリングを引き起こす圧力タップに流れ込むため、同時に取得することはできません。

次のセクションでは、壁に取り付けられたプロレートヘミスフェロイドの周囲のオイルフィルムの可視化と表面圧力測定を設定および取得するためのプロトコルを提供します。位相平均化および時間分解粒子画像の経過測定が取得されているが、PIV取得はこのプロトコルには含まれない。著者らはラッフェルらの参照を示唆している。^PIV実験セットアップ、データ取得、およびデータ処理の深い理解のための36とエイドリアンとウェスターウィール^39。

1. プロトゥービランスを生成する(すなわち、モデルポリープ)

1. 目的のジオメトリを使用して、3 次元コンピュータ支援設計 (CAD) モデルを構築します。長さ5.08cm、幅2.54cm、高さ1.27cmのプロレート半球形としてモデルの声帯ポリープを生成します。モデルのボーカルフォールドポリープの底部に厚さ0.64cmの2.54センチの正方形のベースをマウントします。このベースは、モデルをテスト 断面の床に固定するために使用されます。
2. 3D CAD モデルをステレオリソグラフィ(STL)ファイルとして書き出します。STL ファイル形式では、モデルサーフェスが一連の三角形として生成されます。モデルのポリップ上のサーフェスを滑らかにするために適切な解像度を選択します。600 ドット/インチ以上の解像度を推奨します。
3. STLファイルを適切なソフトウェアにアップロードし、高解像度の3次元プリンタまたは高速プロトタイプを使用してSTLファイルを印刷し、ビルドレイヤー解像度を20μm以上にします。
4. 風洞試験部は、 図1に示すように取り外し可能な底板を備えた約30.48cm x 30.48 cm x 121.92 cmです。2.54 cmの正方形の穴を約0.85 cmの深さの風洞試験セクションの床の取り外し可能な版にミルし、テストのためのモデルのボーカルフォールドポリープを取り付ける。穴はテストセクションの幅の中央に配置し、テストのために必要な下流の位置に配置する必要があります。

2. オイルフロー可視化の準備

1. 試験部を準備するために、風洞内部の試験部表面を白い粘着紙で覆う。慎重に配置し、テストセクションの床が接着剤の紙に気泡や折り目によるバンプがないことを確認するために、粘着紙を滑らかにします。テストセクションの壁に取り付けるモデルのポリープアンカーのために、テストセクションの床の正方形の穴の上にある粘着紙に穴を開けます。
2. 突起(モデルボーカルフォールドポリープ)をアンカー位置に挿入して、テストの準備をします。 図 1を参照してください。
3. 風洞試験部の上に高解像度カメラを取り付けます。モデルのポリープと周囲のテストセクション領域を含む、選択した視野に合ったカメラの焦点を合わせます。テスト用のカメラ取得パラメータを設定します。ビデオ設定は、オイルフロー ビジュアライゼーションの一時的な部分をキャプチャするために使用する必要があります。
4. ベビーオイル、コピートナーパウダー、灯油を7:1:2の比率で組み合わせることで、フロービジュアライゼーションオイル混合物を準備します。例えば:35mlベビーオイル、5mlのコピートナーパウダー、10ml灯油を組み合わせます。ベビーオイルとトナーパウダーを容器に入れ、トナーが完全に溶けるまでかき混ぜます。その後、灯油を加え、よく混ぜます。
5. テストセクション表面に簡単に適用できるようにスプレーボトルに混合物を転送します。

3. オイルフロー可視化測定

1. オイル混合物の各アプリケーションの前にテストセクション表面をきれいにし、乾燥させます。
2. 油混合物で満たされたスプレーボトルを使用して、関心のあるセクションに薄い、均一な流体の層をスプレーします。薄い、さらには油の混合物層は適切なオイルフィルム視覚化イメージを作り出す上で重要である。
3. カメラで画像またはビデオの取得を開始します。風洞の電源が入る前にカメラの取り込みを開始し、最初の過渡油混合運動をキャプチャします。
4. 吸引風洞を希望の速度に設定します。油混合物は試験セクション表面に沿って流れ始める。
5. 油の混合物が流れ止めて定常状態に達したら(すなわち 、パターンは静止している)、または所望の時間が経過したら、カメラの記録を停止し、風洞をパワーダウンする。
   注: ビデオ 1 は、定常状態に達し、皮膚摩擦パターンが静止するまで流れる油混合物を表示します。ビデオでは、フローは左から右に移動しています。

4. 表面圧力測定準備

1. ステンレス鋼管(0.16 cm外径0.16cm、長さ2.54cm)をテストセクションの床に取り付けるための穴を掘削して、静圧タップを構築することで、テストセクションの床面(取り外し可能なプレート)を準備します。プロレート半球体のアンカー位置の中線から始まり、スパン方向に8.89 cm、下流22.86cmの22.86 cmの下流に1.27 cmのスパンワイズグリッド間隔と2.54 cmの下流グリッド間隔を持つグリッド上の穴をドリルします( 図1を参照)。ステンレス鋼の管は適用範囲の高い管を取り付けるための一端に膨らみを備え、取付けのための反対側にまっすぐである。
   注: 静圧タップは、圧力取得位置のより細かいグリッドの間隔を近い間隔で配置できます。
2. テストの準備のためにテストセクションの床に所望の構成で壁取り付けプロレート半球体(すなわち モデルボーカルフォールドポリープ)のアンカー位置を囲む管を取り付けます。チューブは、テストセクションの床とフラッシュマウントする必要があります。
3. 取り付けられたステンレス鋼の管から取り付けられたステンレス鋼の管からスキャン圧力トランスデューサー測定ポートに短い柔軟な管(長さ6.35 cm、0.159 cm内径0.159cm、0.475 cmの透明なポリ塩化ビニルチューブ)を取り付けます。走査圧力トランスデューサには16個の圧力ポートがあります。

5. 表面圧力測定の獲得

1. スキャン圧力トランスデューサをコンピュータに接続し、スキャン圧力トランスデューサソフトウェアを使用して取得パラメータを設定します。取得ソフトウェアを設定して、データ取得の目的の期間に 500 Hz でデータを取得します。
   注:データは、低発振周波数での小さな圧力変動のために、スキャン圧力トランスデューサの最大サンプリングレート、500 Hzで取得されました。
2. 吸引風洞を希望の速度に設定します。
3. 圧力測定の取得を開始します。圧力測定は、任意の所望の流れの診断技術(例えば PIV、レーザードップラー麻酔、ホットワイヤー解剖 学など)と同時に取得することができる。

結果

7.5倍スケールアップ動的に駆動されたボーカルフォールドモデルを使用した以前の研究は、幾何学的突起、モデルボーカルフォールドポリープの存在が、フォナトリーサイクルを通じて眼球ジェットの正常なダイナミクスを破壊することを実証しました。前回の駆動ボーカルフォールドモデルスタディの代表的な結果を 、図2 と ビデオ2に表示します。ビデオは、収?...

ディスカッション

幾何学的突起からの渦構造の形成と伝播を理解し、その後の声帯力学的負荷に対する影響を理解することは、声帯ポリープおよび結節の治療を進めるために洞察とモデルを提供する必要がある。この実験におけるモデルポリープによって引き起こされる空力負荷の変動は、ポリープ^13,41の患者に観察される不規則な声の折り目のダイナミクスに寄与すると予想される。今後の作業には...

資料

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