文摘

沟vocalis是一个缩进平行于声襞的边缘,这可能延伸到声襞的封面和韧带层或更深。上沟vocalis深度的影响发声和声带振动进行实验研究。三维喉模型建立了健康的声带(0毫米)和不同类型的沟vocalis与典型的深度为1毫米,2毫米,3毫米。这些模型与固耦合(FSI)数值计算顺序耦合方法,包括一个浸入边界法(IBM)声门的气流造型,造型声襞的有限元方法(FEM)组织。结果表明,一个深沟vocalis在覆盖层减少声带的振动频率,扩大prephonatory声门的半宽度,增加了发声阈值压力。大沟vocalis深度使得振动声带困难和出声。沟的影响vocalis深度表明发声等特征阈值检测的压力可以帮助健康的声带和不同类型的沟vocalis。

1。介绍

沟vocalis与非齐次封面和韧带的损伤和结构声襞的畸形。这种疾病通常会导致伴随声襞障碍和有重大影响声襞振动函数(1,2]。根据临床和病理分析,福特等。3)分类沟vocalis分为三种类型:我是一个生理变异类型在声带的封面;类型II和III的特点是中层和深层固有层的破坏,分别。不同类型的沟vocalis沟深度范围不同。

探讨病理生理学、临床特点,沟vocalis,开放和内镜程序被赛斯等应用。4]。Welham et al。5)语音障碍指数(VHI)用于描述障碍对患者的心理影响沟vocalis。结合主观和客观方法,苏亚雷斯et al。6]调查个人的声音特点与沟vocalis,特别是包括无症状,使用悬挂microlaryngoscopy,语音自我评估,和声学评估的声音。然而,考虑发声的空气动力学理论,这些方法忽略气流粘度的影响。

声带振动的特点和声门的飞机动力学与物理模型很难描述和降维的模型。相反,计算模型做得很好。压力和气流的分布从研究中获得稳定的流在喉模型(7]。为探索发声的更复杂的生物力学建模,Alipour et al。8模仿一个振荡声门与有限体积方法研究脉动的流。然而,受迫振动模型只有声门动力学特征,而忽略了涡动力学和时间流变化,尤其显著的非对称流由于射流偏转。因此,基于学生的体声襞模型和navier - stokes方程,雪et al。9)专注于捕捉非对称非对称喉声门的射流偏转。在过去的几十年里,大多数学者采用一个二维喉模型(10,11)为了计算成本和复杂的喉结构。然而,实验研究主要表明声门的流高度三维(12- - - - - -14]。更重要的是,三维振动会影响喉病态前后振动下的三维模型,如沟vocalis和声襞瘫痪15- - - - - -17]。

最近,流固耦合方法广泛应用于喉模型的数值模拟[18,19]。Valasek et al。20.)耦合的线性弹性问题的不可压缩n - s方程场形成为了模型固耦合问题。史密斯和汤姆森(21]研究声门下狭窄的效果声襞振动通过建立一个完全耦合的有限元模型的声带。罗等。22)设计了一个与浸入边界法模型耦合解算器发声的流结构相互作用。田et al。23)结合沉浸边界流求解器和非线性有限元固体力学解算器,处理大位移边界与简单的网格生成。Chang et al。24]研究了几何非线性的影响声襞和气流,建议准确的模拟声襞动态需要大排量公式计算模型。虽然有一些数值模拟的研究沟vocalis对沟患者声襞振动和水动力分析,在发声上沟vocalis深度的影响尚未执行。沟vocalis深度小于声襞的封面一般不引起功能障碍,将其划分为i型与沟深度变大扩展层中层和深层的声带,这些类型的沟vocalis通常带来中度到重度异常。

在当前的研究中,开发三维喉模型来模拟和研究声襞振动以及空气动力学喉模型中的不同沟vocalis深度。

2。计算模型

我们建立了一个计算模型的喉利用郑et al。25]。事实上,人类的声带有三层,包括封面、韧带和肌肉,可以认为是一种粘弹性材料制成的是横向各向同性(26]。

数值模拟的现实,各向同性线弹性材料是应用于所有层的密度1070 kg / m³和泊松比为0.4。封面的弹性模量、韧带和身体是10,100年,40 kPa。在图1,喉部被假定为一个矩形管。基于人类喉部的实际尺寸,管的总长度是120毫米,和supraglottal和假声带的长度是63毫米和23毫米,分别为简单的观察声门的喷气动力。的声门的差距主要是声带之间的距离是1毫米。和厚度和深度的声带是10毫米和9毫米。患病的声带,沟vocalis由浅纵沟,模仿和深度是1毫米,这是我沟类型。此外,还有浅纵沟2毫米的深度和3毫米,二沟型和III型沟,分别。所有类型的沟vocalis有2毫米的长度相同。健康的沟深度声襞在这项研究中被认为是0毫米。

声带关闭声门的内收,从而创建一个屏障驱逐的空气从肺部。从肺部空气强迫,加合物的声带被分开由于空气压力,设置和声带持续流激振动。因此,边界条件的声带表面固耦合条件。它指出,肺部的空气压力0.5 kPa和2.5 kPa之间。当人类说话正常,肺部的压力常常被视为1 kPa。因此,总压力入口边界设置为1 kPa。的相对压力出口边界= 0 kPa。

3所示。数值方法

四个喉模型建立的深度0毫米,1毫米,2毫米,3毫米。0毫米深度的模型对应于健康的声带,而其他人则是不同类型的沟vocalis。流场的数值分析喉与沟vocalis需要考虑声襞组织之间的高度复杂的交互和声门的气流。在这个研究中,一个流结构相互作用计算解算器,包括一个浸入边界法(IBM) [27,28]因为造型声门的气流,有限元方法(FEM)造型声襞组织,和顺序耦合方法固耦合在发声。每个模型与固耦合有相同的计算域。和顺序耦合方法应用于解决固耦合问题。

3.1。流体力学

声门的马赫数流动通常被假定为小于0.3 (29日),可以认为是不可压缩的空气。基于动量和质量守恒定律,气流的管理设置如下: 在哪里 是速度组件,是压力,和流体密度和运动粘度。

方程(2)是离散空间中使用cell-centre并列的有限差分格式。变量的命名约定和位置的描述中使用的空间离散化如图2。

方程(2)是集成在时间使用分裂方法(31日),包括三个子步骤。(1)修改后的动量方程与先前计算压力场计算中间速度解决 。 在哪里 分别是对流和扩散项和 代表一个二阶中心差分。中间face-centre速度计算平均邻近cell-centre速度吗 ,只有面对速度分量正常cell-face计算和存储。平均过程如下: 在哪里 , ,和线性插值权重的西部,南部,分别和背面速度分量。和代表cell-centre和face-centre。(2)压力校正变量计算的压力修正方程

当最终速度散度是免费的,方程(5单细胞)是综合方程,从而导致压力泊松方程如下:

一种高效的多栅的方法应用于解决方程(6)。(3)压力和速度场是纠正采用压力校正变量

在这个研究中,声带和气道表面由非结构化网格和三角形元素。边界条件对三角形元素的节点通过规定的运动或运动计算从流结构的相互作用。

3.2。结构力学

声带是由多层组织,非线性,横向各向同性和粘弹性。考虑到变形的声带在正常发声,它可以假定应力和应变之间的关系是线性的。因此,开耳文模型(32)线性粘弹性材料采用声襞组织。

基于开耳文模型本构定律可以写成: 在哪里和弹性和阻尼矩阵。

固体力学的控制方程给出 在哪里 应力张量,是组织密度,是体力,是声襞组织位移。

3.3。流固耦合

为了确保遵循守恒流固耦合原理,下列方程应该应用于流固耦合界面。

为方便分析,建立了控制方程的一般形式。我们解决了统一方程和适当的初始条件和边界条件。这个方法解决问题由流固耦合控制方程相同的矩阵方程,求解流体和结构控制方程的解算器。 在哪里的时间步长; , ,和表示系统矩阵的流场、解决和外力,分别;和和代表的流固耦合矩阵。

投资策略基金会的方法包括直接耦合和顺序耦合方法。事实上,直接耦合方法计算流体和固体方程同时,而且没有延迟的计算时间。然而,直接耦合方法导致计算发散和大量的计算。因此,我们应用顺序流固耦合的耦合方法。计算流体和结构域是分开的。是用来计算它们的物理变量,不同求解方法和常见的变量是异步更新。当流体解算器发送固体解算器的压力,它接收位移计算固体的能手。

4所示。结果

4.1。验证和振动声襞

历史时间的位移健康声襞和沟vocalis方向图所示3(一个)和3 (b)。图3(一个)表明,数值模拟了成功提供拟定的周期。结果从Vazifehdoostsaleh et al。15)包含在这里比较。图3说明当前与先前的仿真数据结果有很好的一致性。此外,位移大于右边的左边的沟vocalis,也验证的可信度沟vocalis模型。

更多的重要性往往是附加到声门的波形对语音质量评估。由于不可压缩性流动,它可以测量设备涵盖主题的嘴巴和鼻子。等统计参数的基本频率,声门的流率的峰值和平均值,开放和扭曲商(33)通常从这个波形中提取检查语音质量。健康的声带振动频率的估计从图107.5赫兹3(一个)。健康的声带和沟流参数vocalis(1毫米)比较与其他仿真和实验数据表1;这种模拟可以似乎真实的人体发声的表示。

声带的振动要复杂得多,它的行为部分字符串和部分喜欢春天。基频声带可以将振动的表达式字符串和表达的春天。 在哪里是声带的长度,是压力,是组织密度,是声带的刚度,是声带的质量。

声襞的大规模的表达 ,在哪里和声带的密度和厚度吗覆盖层的深度,只有柔软的封面声带振动在软说话。声带的有效刚度可以从方程(11),这是 。然后,上沟vocalis刚度的表达式是 。压力是常数相同的弹性模量和肺部的压力。因此,沟深度的增加将产生较低的声带振动频率。

的振动频率沟vocalis估计约85赫兹从图4。的振动频率沟vocalis(1毫米)低于健康声带(0毫米)。更深入的沟vocalis在覆盖层减少的基本频率和振幅振动。然而,当沟深度变大,延伸到韧带层或更深,声带的振动频率几乎没有变化,这是相同的基本频率的表达。

4.2。动态的声门的喷气机

声门的流可能表现出各种各样的现象如射流偏转,流过渡,和不稳定的飞机。这些现象与声音的质量有着密切的关系和发声。和时空的细节声门的飞机可以由数值模拟有限元分析方法。图5说明健康声带的声门的飞机的轮廓(0毫米)和沟vocalis与典型的深度为1毫米,2毫米,在一个振动周期3毫米。

在图5,时间瞬间一个周期的选择,而不是特定的时间由于不同振动频率的健康声襞和三种类型的沟vocalis。即时的0.1 T时,声门的飞机是从声门的差距随着声带却相去甚远。更重要的是,声门的飞机是对称计算模型是否健康声襞或沟vocalis周期的开始。然而,当声门进一步打开,声门的飞机的前面附加声门的束的一边,这是一个值得注意的现象称为康达效应。声门的射流偏转的存在现在讨论。与其他研究相比,执行声门的射流偏转(36,37),雪et al。33]发现声门的飞机几乎是对称的,没有强大的射流偏转为了更现实的应用几何配置。

在我们的研究中,喉模型与简化的几何配置和各向同性材料属性。流偏转发生在喉模型的深度0毫米,1毫米,2毫米。应该注意到声门的飞机几乎四分之三的一个循环中对称模型3毫米的深度。此外,射流偏转时减少沟的深度vocalis增加。

图6展览一个更多关于喉模型之间的总速度的定量比较不同沟深度。速度数据提取以及横条线位于不同喉的x - y平面模型如图6(一)所示。0毫米喉模型的最大总速度大于其他类型的行喉模型如图16(一),这是在声门的中心。也提出了速度曲线是对称的 从1号线到3毫米6 (b)。横条线时,在该地区的劣质声门,最大速度是逐渐变化的位置向上或向下在Y方向上。可以提出,声门的飞机往往偏离到声门的的墙壁上或下呼吸道,这表明,射流偏转的方向是随机的。

4.3。压力分布和发声阈值压力

声带的振动主要由空气动力学的原理,结构动力学、流固相互作用。它可以帮助揭示不同上沟vocalis深度的影响发声通过研究声门的压力分布。FSI数值方法在三维计算模型,发声阈值压力进一步估计研究的影响。

图7说明了线的声门的压力分布的变化( 毫米, 毫米)喉模型与不同沟深度在四个不同的时间瞬间在一个振动周期,分别。它提出了声门的压力有一个压降 mm在图7(一)声门的中心。然而,声门的压力发生两个压力滴沟vocalis;一个是上沟vocalis的入口处,另一个是退出的沟vocalis。基于伯努利定律的推论,声道的气流加速由于流体区域的减少,使气流的压力迅速下降。后进入沟vocalis,气流的压力上升缓慢,直到上沟vocalis的气流到达出口。更重要的是,需要注意的是,与沟vocalis深度增加,最小声门的压力逐渐变大,的梯度声门的压力变得更小。

发声阈值压力经常与病理相关的声音,这是启动和维持所需的最小声门的压力振动声襞(38),为了喉生物力学的变化的敏感性。在这个研究,验证计算模型应用于获得发声阈值压力。图8显示的时间演化声门的入口处的压力。

根据Titze派生的发声阈值压力(39),发声阈值压力对于沟vocalis是 ,在哪里是一个transglottal压力系数,粘性阻尼系数,粘膜波的速度,是prephonatory声门的半宽度。声襞模型与沟深度0毫米,声襞开始震动时声门的入口处的压力是450 Pa。一般描述压力随时间的变化如下:(1)声门的入口处压力降至不同的合适的值来启动和维持声襞振动,当入口压力表面是1000 Pa。声带开始收敛和发散,压力曲线是基于发声阈值压力的准周期性的波形。(2)沟深度0毫米,1毫米,2毫米,3毫米,发声的阈值压力沟vocalis显然比在健康的声带。发声阈值压力提高声门的条目更加突出随着沟vocalis深度。沟的变化vocalis深度扩展了prephonatory声门的半宽度,这是一个重要因素的发声阈值根据其表达的压力。这些结果表明,压力分布和发声阈值压力将高度敏感沟vocalis不同深度。越深沟vocalis发声阈值的压力将会增加,使得它难以震动,然后出声。

5。讨论

沟深度的增加vocalis声带的生物力学特性变化,妥协声襞的柔软。声门关闭是由压痕,延伸到韧带受损的层或更深。因此,上级声门的角变大导致较低的速度在声门上沟vocalis深度增加从1毫米到3毫米。较低的速度喷射减少漩涡的交互。当沟vocalis深度最大,声门的涡旋运动新兴下游很少受到互感的影响。这很难带来非对称涡结构,几乎没有流向的变化。另一方面,增加沟vocalis突然扩大垂直方向的几何。更多的气流聚集在沟vocalis这可能影响supra-glottal涡结构与声门的射流偏转有关。

压力在声门上沟vocalis发生不稳定的波动。当有沟vocalis,压力似乎两个短期反弹和返回0 Pa最后。由于差异沟vocalis深度、发声阈值压力达到一个不同的值。相同的条件下肺压力、发声和更深层次上沟vocalis阈值压力增加。更大的发声阈值压力,更多的能量来克服气流的粘滞阻力和摩擦是必需的。因此,沟vocalis和增加沟vocalis深度会导致声带疲劳和严厉的声音质量。

与不同深度上沟vocalis模型可能是一个工具来观察和连接的物理机制的障碍及其原因,症状,进而进行定性和定量的比较健康和沟vocalis。该方法无损伤,为临床医生提供治疗的指南沟vocalis。

6。结论

三维FSI喉模型,由完全耦合的声带已经应用于提高的影响的理解沟vocalis深度发声。仿真结果顺序流固耦合计算的方法验证健康声带在正常生理范围内。然后,三个模型与不同沟vocalis开发研究声带的振动,声门的飞机动力学、压力分布和发声阈值压力。此外,随着沟vocalis深度、声门的射流偏转不明显和声门的飞机往往是对称的。最后,声门的压力下降了两倍的方向气流为了沟vocalis。随着上沟vocalis深度的增加,不同类型的喉发声阈值压力模型变大,影响发声,导致语音质量差。

本研究的主要贡献如下:(1)相同的承诺下肺压力,越深沟vocalis在覆盖层减少声带的振动频率。它还增加了发声阈值压力和影响涡结构,削弱了声门的射流偏转;(2)不同沟vocalis深度对应于三种类型的沟vocalis。沟深度的影响发声表明空气声学的发声阈值压力等参数,可以用来检测不同类型的沟vocalis。这可能有助于临床诊断的三种类型的沟vocalis和健康的声带。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金支持下授予江苏省No.61271359和研究生教育改革项目no.jglx19 - 141。