Dinámica de biofluidos: Hacia una caracterización del flujo laríngeo

Presentación del tema: "Dinámica de biofluidos: Hacia una caracterización del flujo laríngeo"— Transcripción de la presentación:

1 Dinámica de biofluidos: Hacia una caracterización del flujo laríngeo
D. Sciamarella (LIMSI-CNRS) G. Artana (FIUBA) E. Chisari (LFD-FIUBA) Biofluidos en conductos deformables: función y disfunción La función del fluido laríngeo Dinámica del flujo laríngeo a través de las cuerdas vocales Impacto aerodinámico de las bandas ventriculares Experiencias in vitro y visualización de flujos: una réplica de la laringe Coloquio de Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Mayo 2008

2 Fluidos multifásicos en la geometría arborescente del pulmón
Biofluidos en conductos deformables: función y disfunción La mayor parte de los canales que llevan fluidos en los seres vivos son flexibles. Las interacciones entre el flujo interno y la deformación de la pared están a menudo asociadas con la propia función biológica del sistema, o bien con alguna disfunción. La interacción entre las fuerzas fluidomecánicas y las fuerzas elásticas conducen a una serie de fenómenos biológicos que incluyen: No linealidades en saltos de presión o relaciones de caudal Propagación de ondas Generación de inestabilidades Colapsos y oscilaciones inducidas por el flujo Deformaciones de gran amplitud Aplicaciones: Sistema sanguíneo / cardiovascular Sistema respiratorio / fonador Sistema nervioso (líquido cefalorraquídeo o cerebroespinal) Mecanismos de vuelo en biología Microfluidos biológicos (biofluidos en la escala del micrón) 2 Comprender el origen físico y la naturaleza de estos fenómenos es un desafío a nivel experimental, analítico y numérico, aplicable Sistema nervioso: El líquido cefalorraquídeo tiene tres funciones vitales importantes: Mantener flotante el encéfalo, actuando como colchón o amortiguador, dentro de la sólida bóveda craneal. Por lo tanto, un golpe en la cabeza moviliza en forma simultánea todo el encéfalo, lo que hace que ninguna porción de éste, sea contorsionada momentáneamente por el golpe. Servir de vehículo para transportar los nutrientes al cerebro y eliminar los desechos. Fluir entre el cráneo y la medula espinal para compensar los cambios en el volumen de sangre intracraneal, manteniendo una presión constante (la cantidad de sangre dentro del cerebro). Effects of micro domain: submilimeter scale laminar flow surface tension electrowetting fast thermal relaxation electrical surface charges diffusion E.g. C. Baroud (Ecole Polytechnique) The fundamental studies are inspired by the flows in the complex geometry of the lung. These flows are often multiphase and involve a strong coupling between the fluid dynamics and the elasticity of the lung. Microfluidics offers a unique opportunity to experimentally model flows in bifurcating channels with excellent control over the geometry. These experimental models fill an important gap that is difficult to reach both theoretically and numerically. Our work focuses on building simple models that capture essential features of the pulmonary airway tree, in order to draw general conclusions regarding flows in complex networks. C. Ody, C.N. Baroud and E. de Langre. J. Colloid and Interface Sci., v. 308, pp , 2007 E.g. Tao Ye, Joseph L. Bull (The University of Michigan) We are investigating a new gas embolotherapy technique that involves acoustically vaporizing perfluorocarbon liquid droplets to form gas bubbles, which are large enough to occlude flow in arterioles and capillaries with the goal of starving tumors. The bubbles typically originate as 6 micrometer, liquid droplets that are small enough to pass through capillaries. These droplets can be observed using ultrasound imaging and then vaporized by a high intensity ultrasound field when they are at the desired location. Vaporization close to the tumor will minimize the infarction of healthy tissue, but poses the risk of vessel rupture and subsequent hemorrhage if the bubbles are formed in too small of vessels. Mechanical stresses induced by bubble growth and collapse need to be determined in order to prevent rupture of the blood vessel or endothelial cell injury. In this study, the physics of the micro-scale bubble growth/collapse in a narrow tube with a flexible wall is investigated using direct numerical simulation. The computational method is a novel shape-interface, moving boundary method for solving full Navier-Stokes equations of multi-phase fluid flows with dynamic interfaces. Dimensionless parameters are varied to examine the effects of viscosity, surface tension, and bubble pressure. Our simulations reveal that normal and shear stress on the vessel wall reach peak values at different stages with peak magnitude of normal stress far greater than that of shear stress. The initial phase of the bubble expansion is the most dangerous period for the vessel in all cases. Fluidos multifásicos en la geometría arborescente del pulmón C. Baroud, Ladhyx

3 Biofluidos en conductos deformables: función y disfunción
Propagación de pulsos en las arterias: presión transmural alta, las arterias están distendidas y firmes: flujo sanguíneo laminar Disfunción: Sonidos de Korotkoff: sonidos durante la medición de la presión arterial con un estetoscopio empleado para el diagnóstico de enfermedades arteriales. Controversias sobre el origen de los sonidos de Korotkoff: 3 Function: 1-D models can produce clinically relevant results because of the long wavelength of pulse propagation waves compared to arterial diameters. Each artery is modelled as a thin, elastic and homogeneous tube and blood is assumed to be Newtonian and incompressible. Disfunction In 1905 during a conference at the Imperial Medical Academy in St Petersburg, Dr Nicolai Korotkoff announced a new method to determine blood pressure.1 He placed a stethoscope over the brachial artery and inflated a rubber cuff around the upper arm. Korotkoff found that as the cuff deflated he heard different noises—snapping, murmur-like noises, and muffled tones. Since then several different theories for what causes Korotkoff sounds have been suggested: the cavitation theory (bubbles of gas collapsing): blood changes to vapor due to the release of the cuff pressure. Cavitation doesn’t explain different tones heard through the stethoscope and only seems to occur at pressures above clinical practice the arterial wall theory: Any membrane passing from flaccidity to sudden overstretching makes a sound, but replacing an arterial segment with a glass tube it is possible to obtain noises similar to Korotkoff sounds, the turbulence theory: turbulence flow would explain the murmur-like tones but not the tapping tones. It has also been suggested that the origin could be due to the transmission of heart sounds or due to waterhammer effects. But these two possibilities have been disproved consistently. Using collapsible tubes or non-living arteries limits the reliability of the results. Conservación de la masa ¿Cavitación? Conservación del impulso ¿Pared arterial? Ley del tubo Fuerza viscosa ¿Turbulencia?

4 Biofluidos en conductos deformables: función y disfunción
Ventilación: actividad continua y periódica con fases inspiratorias y expiratorias. La variabilidad entre ciclos (¿caos?) es un parámetro importante y su disminución puede ser precursora de disfunciones. Disfunción: Insuficiencia respiratoria crónica obstructiva o restrictiva: requiere aliviar el trabajo inspiratorio con ventilación asistida no invasiva. Controversias sobre el origen físico de asincronismos entre paciente y ventilador. Apnea obstructiva del sueño: suspensión del flujo respiratorio cuando los músculos que controlan lengua y paladar se relajan. R: serie temporal del flujo respiratorio Insuficiencia respiratoria: Obstructiva (fumadores) Restrictiva (obesos) Hipoapnea: disminución Ventilación asistida no invasiva (se aplica una presión inspiratoria y expiratoria superpuesta al ciclo espontáneo de respiración). Estrechamiento del pasaje nasofaringeo (por malformaciones de la nariz o por la toma de alcohol o de tranquilizantes) El ronquido es propio de los humanos (salvo en bulldogs)! Uvula-palatoplastia asistida con láser. Respiración normal por nariz y por boca (2001, Delcarte & Wysocki) Ronquido: vibración del velo del paladar, de la base de la lengua o de la pared de la faringe cuando pasa el aire durante la respiración por un estrechamiento del pasaje nasofaringeo. En cirugía, se practican pequeñas incisiones en el paladar con un láser de CO2, para disminuir la capacidad vibratoria del tejido.

5 Amplia gama de sonidos realizables
La función del flujo laríngeo La posición de la laringe y el volumen de la zona supralaríngea Las características de la laringe son comunes a casi todos los mamíferos. La diferencia esencial entre el hombre adulto con respecto a bebés y animales es la posición de la laringe. En animales y bebés la laringe esta alta para poder respirar y alimentarse simultáneamente. Pero como consecuencia la zona supralaríngea es mas reducida y los sonidos producidos en la laringe tienen poca posibilidad de modulación (y en consecuencia de diversidad). En estas condiciones se puede producir un numero de sonidos muy limitado por una limitación anatómica. En el hombre la cavidad supralaringea es mas voluminosa y la variedad de sonidos producibles mucho mayor. Limitación anatómica: los sonidos producidos en la laringe están sujetos a leves modificaciones Amplia gama de sonidos realizables Conducto con membranas deformables capaces de oscilar bajo la presión del flujo de aire

6 La función del flujo laríngeo
Un detalle morfológico presente en muchos mamíferos y en algunas patologías de la laringe, es la multiplicación de estructuras vecinas a las cuerdas vocales, que son susceptibles de oscilar. catarrhinien Primates antropoideos: mamíferos primates, de cráneo grande, cerebro que sobrepasa y cubre al cerebelo, músculos faciales que permiten expresar las emociones, orejas reducidas, posición más o menos erguida, costumbres arborícolas o terrestres; son diurnos y, a menudo, sociales. Se originaron en el oligoceno, y son los llamados en general, monos, hombre y especies fósiles intermedias. Está divido en tres secciones o superfamilias; los ceboideos o platirrinos, los cercopitecoideos o catarrinos y los hominoideos. En el murciélago juega un rol fundamental en la producción de sonidos de alta frecuencia necesarios para la ecolocación: los sonidos reflejados bajo forma de eco informan al animal sobre la posición, la distancia relativa y la naturaleza de los objetos de su entorno. Estructura de la laringe en el murciélago Coriandre Vilain, Thèse El labio vocal es una prolongación de la membrana vocal (presente en primates antropoideos no hominoideos, en llamas, lobos y murciélagos) que puede ser muy delgada (inframilimétrica) y que es funcional a la producción de sonidos fuertes y agudos necesarios para la comunicación a grande distancias.

7 La función del flujo laríngeo
catarrhinien Med. Hosp. Aachen (Germany)

8 La función del flujo laríngeo
Algunas hipótesis simplificadoras sobre el flujo de aire en la laringe: Fluido incompresible (la región estudiada es pequeña en comparación con las longitudes de onda acústicas). La pertinencia de Sr y Re depende de una elección correcta de los valores de referencia necesita un cierto conocimiento previo del flujo. Usando los valores típicos de la literatura, resulta que los efectos viscosos y estacionarios aparecen, al menos en promedio, como términos de segundo orden. Despreciar estos efectos conduce a un flujo potencial que predice una caída de presión nula cualquiera sea la acción de las cuerdas vocales. Sr indica la importancia de los términos de inercia con respecto a los convectivos. Re indica la importancia de los términos convectivos con respecto a los viscosos. Phi=V A = constante ‘Es imposible aplicar la ley de Bernoulli al flujo de aire a través de la glotis durante la fonación’ Husson, 1962. Physiologie de la Phonation ‘El flujo potencial es silencioso’ Howe, Journal of Sound and Vibration, 70:

9 La función del flujo laríngeo
Paradoja de D’Alembert, 1752 El arrastre en un fluido invíscido es nulo. Desprendimiento de vórtices Turbulencia A1 As Los efectos de la viscosidad no pueden despreciarse por completo aunque sean débiles en promedio. La fuerte desaceleración del flujo puede inducir un aumento del espesor de la capa límite que conduce a un fenómeno espectacular: el de separación turbulenta. El arrastre de un objeto en un fluido invíscido es nulo. La paradoja provoca la división entre la hidráulica y mecánica de fluidos teórica: la primera observaba fenómenos que no se podían explicar y la segunda explicaba fenómenos que no se podían observar, parafraseando a Hinshelwood (premio Nóbel de química). La paradoja la resuelve Prandtl en 1904 que sugirió que los efectos de una fina capa limite podían explicar el arrastre (¿una fuerza de fricción muy pequeña con un efecto significativo en las propiedades del flujo?) Ludwig Prandtl, Motion of fluids with very little viscosity, NACA Technical Memorandum 452, 1904. Keith Stewartson, D'Alembert's Paradox, Siam Review, Vol 23(3), pp , 1981. Las capas límites se separan de la pared en un torbellino y se forma un chorro libre cuyo comportamiento es complejo por la inestabilidad del flujo. Las fluctuaciones del flujo en el interior de una constricción dependen esencialmente de la posición del punto de separación del flujo, que no es sencillo determinar. A2 La ecuación de Bernoulli puede aplicarse entre la tráquea y el punto de separación del flujo: ‘Vortices are the voice of the flow’ E.A. Müller and F. Obermeier. Vortex sound. Fluid Dynamics Research, 3:43–51, 1988.

10 La función del flujo laríngeo
Fenómeno de separación turbulenta en una réplica del canal laríngeo Fenómeno de separación turbulenta a la salida de los labios para un sonido plosivo Esto trae problemas cuando se trata de explicar la función principal de la laringe: la fonación. Pelorson et al (2008) La determinación precisa de este punto de separación es difícil de predecir teóricamente, puesto que depende de características del flujo tales como el número de Reynolds, pero también de la geometría de la constricción. En un modelo ahora clásico para la vibración de las cuerdas vocales, Ishizaka y Flanagan suponen implícitamente un punto de separación fijo en el extremo de las cuerdas vocales, es decir independiente del flujo y de la geometría de la glotis.

11 La función del flujo laríngeo
Función principal del flujo laríngeo: transferir energía a la estructura elástica (de las cuerdas vocales) para que estas puedan oscilar. Para ello se necesita una diferencia neta en la distribución de presiones a lo largo de un ciclo vocal. ¿Cómo se genera esa diferencia? Mediante alguna asimetría entre la fase de apertura y la fase de cierre. M1M: La presión intraglotal es menor en la fase de cierre. La fuerza de presión que se opone a la velocidad de la pared en el cierre es menor que la fuerza de presión en la dirección de la velocidad en la apertura. M2M: La presión promedio en la glotis es mas alta en configuración convergente que en configuración divergente. La acción de retardo temporal entre la parte superior e inferior de las cuerdas introduce un efecto de retardo similar al que produce la inercia en el caso en que el tracto funciona como una carga acústica. Modelos a dos grados de libertad asimétricos: diferencia estructural (de densidad) vertical en las cuerdas vocales que es artificial. 1) Inercia de la columna de aire 2) Asimetría vertical en la estructura del tejido M1M M2M

12 La función del flujo laríngeo
Revisión de la descripción fluido-dinámica del flujo a través de la glotis: un punto de separación fijo es inadecuado. Se necesita una dinámica para el punto de separación del fluido M2M simétrico La asimetría entre las fases de apertura y cierre es de origen fluido-dinámico: la dinámica del punto de separación en un canal divergente es esencial para explicar la fonación y para determinar correctamente las presiones sobre las paredes del canal. La dinámica del punto de separación determina el caudal volumétrico y las fuerzas fluido-dinámicas sobre las paredes de las cuerdas vocales.

13 La función del flujo laríngeo
Criterios geométricos de separación incorporados a los M2M simétricos: Condición de Liljencrants: La ubicación del punto de separación es función únicamente del ángulo que adopta el canal de la laringe cuando las cuerdas vocales forman un ángulo divergente con la horizontal. La activación del criterio geométrico de separación introduce discontinuidades en la derivada del caudal glotal. El problema fluido-dinámico para la función de fonación es el de la dinámica de un flujo pulsante con separación y desprendimiento de vórtices. Este es un problema de gran generalidad en mecánica de fluidos que en la mayor parte de los casos sólo puede resolverse con técnicas de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD).

14 Dinámica del flujo laríngeo a través de las cuerdas vocales
El problema fluidodinámico completo es a priori: no estacionario compresible tridimensional viscoso fronteras móviles Hipótesis ‘tradicionales’ en simulación numérica directa del flujo laríngeo: Incompresibilidad L Vista axial vg Vista coronal hg Lg Flujo planar Aeroelasticidad cuasi-estática: sólido en evolución lenta respecto del fluido. Para el sólido, el fluido es una fuente de esfuerzos cuasi-estáticos.

15 Dinámica del flujo laríngeo a través de las cuerdas vocales
El objetivo primordial en simulación numérica directa (DNS) del flujo laríngeo es lograr una caracterización adecuada de los efectos no estacionarios y viscosos. Primeros ensayos numéricos: Sin geometrías suaves Sólido se mueve según M2M tradicional Imposición de simetría axial Baja resolución espacial ¿Se prescribe la presión de entrada al dominio? De Vries et al, JASA 111 (4) April 2002. Instituto de Ingeniería Biomédica, Holanda

16 Dinámica del flujo laríngeo a través de las cuerdas vocales
El objetivo primordial en simulación numérica directa (DNS) del flujo laríngeo es lograr una caracterización adecuada de los efectos no estacionarios y viscosos. Primeras medidas ‘n silico del punto de separación: Con geometrías suaves Sólido en oscilación forzada sin colisión Imposición de simetría axial Alipour et Scherer, JASA 116 (3) Sept 2004. Universidad de Iowa, Ohio, USA

17 Dinámica del flujo laríngeo a través de las cuerdas vocales
El objetivo primordial en simulación numérica directa (DNS) del flujo laríngeo es lograr una caracterización adecuada de los efectos no estacionarios y viscosos. Caracterización de la dinámica del punto de separación móvil para un modelo forzado: Con geometrías suaves Sólido en oscilación forzada con colisión No se impone simetría axial Método multigrilla para resolver las escalas más pequeñas Condición advectiva en la frontera virtual de salida del dominio computacional

18 Fluidodinámica de la producción vocal
Dinámica del flujo laríngeo a través de las cuerdas vocales Caracterización de la dinámica del punto de separación móvil para un modelo forzado: Margen inferior Margen superior Ambos márgenes Estos experimentos numéricos resaltan la diversidad de la dinámica del punto de separación en una constricción 2D que recoge las características principales del canal laríngeo durante la vibración de las cuerdas vocales. Sugiere que los criterios geométricos o cuasi-estáticos deben ser abandonados a favor de un criterio dinámico. La dinámica del punto de separación tiene un comportamiento que difiere del que predice el criterio geométrico y que depende de diversos factores, entre ellos: el flujo promedio la velocidad de las paredes el modo en que la estructura mecánica modula al fluido. Ambos márgenes, Re

19 Impacto aerodinámico de las bandas ventriculares
Fluidodinámica de la producción vocal Impacto aerodinámico de las bandas ventriculares Las bandas ventriculares son estructuras laríngeas ubicadas por encima de las cuerdas vocales. La influencia aerodinámica del ventrículo laríngeo (la región comprendida entre ambas estructuras) puede favorecer o impedir la vibraciones de las cuerdas vocales. Falsas cuerdas vocales Entre otras hipótesis, se ha postulado que el canto gutural practicado en Siberia del Sur por algunas tribus se logra mediante la contracción de las bandas ventriculares. ¿un resabio de la evolución? Kongar-Ol Ondar De qué depende la activación del modo ventricular, qué impacto tiene en la distribución de presión dentro de la laringe, qué efectos no estacionarios en la aerodinámica del flujo pueden perturbar las vibraciones de las cuerdas vocales …

20 Fluidodinámica de la producción vocal
Impacto aerodinámico de las bandas ventriculares Comprender la física de la evolución del jet en el ventrículo laríngeo es esencial para predecir adecuadamente la distribución de la presión en el canal. El objetivo es estudiar el acople entre el jet y las bandas ventriculares. Jet plano: disipación viscosa de la energía cinética Comprender la física de la evolución del jet en el ventrículo laringeo Efectos sobre la caída de presión en la laringe: 1) Jet uniforme 2) Réplica deformable de las cuerdas vocales y una replica rígida de las bandas ventriculares con geometría ajustable. El ventrículo es un tubo de geometría cilíndrica que crea una expansión del canal axisimétrica. Se ubican sensores de presión en algunos puntos estratégicos y un láser para medir la oscilación de las cuerdas vocales.

21 Fluidodinámica de la producción vocal
Impacto aerodinámico de las bandas ventriculares Tres hipótesis para el jet plano en el ventrículo: 1) Jet uniforme (no hay interacción entre el jet y las bandas) 2) Jet laminar (se expande a presión constante) 3) Jet turbulento libre Jet plano: disipación viscosa de la energía cinética

22 Fluidodinámica de la producción vocal
Impacto aerodinámico de las bandas ventriculares Las hipótesis 2 y 3 funcionan para hacer predicciones cualitativas de las presiones medidas experimentalmente. Algunos resultados: - la configuración geométrica del ventrículo laríngeo es un parámetro crítico que requiere un estudio sistemático, - la influencia de las bandas ventriculares como un segundo modulador del flujo no queda demostrada por estas experiencias - el estudio de la dinámica de la formación del jet en presencia de las bandas ventriculares requiere herramientas que permitan caracterizar las inestabilidades que aparecen en el flujo. Jet plano: disipación viscosa de la energía cinética Proyecto 07/06

23 Fluidodinámica de la producción vocal
Impacto aerodinámico de las bandas ventriculares Simulaciones numéricas directas (DNS) para caracterizar el flujo laríngeo inicial, en condiciones semejantes a las de inicio de la fonación / fase de flujo glotal creciente durante la fonación para distintas posiciones de las bandas ventriculares.

24 Fluidodinámica de la producción vocal
Impacto aerodinámico de las bandas ventriculares Simulaciones numéricas directas (DNS) para caracterizar el flujo laríngeo inicial, en condiciones semejantes a las de inicio de la fonación / fase de flujo glotal creciente durante la fonación para distintas posiciones de las bandas ventriculares. ¿un resabio de la evolución?

25 Visualizaciones Schlieren de flujos a través de las cuerdas vocales
Experiencias in vitro y visualización de flujos: una réplica de la laringe Visualizaciones Schlieren de flujos a través de las cuerdas vocales Denisse Sciamarella (LIMSI-CNRS, Francia) Guillermo Artana (LFD, FIUBA) Nora Elisa Chisari (LFD, FIUBA) Laboratorio de Fluidodinámica Depto. de Ingeniería Mecánica Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

26 1) Construcción de un Sistema Schlieren
Experiencias in vitro y visualización de flujos: una réplica de la laringe 1) Construcción de un Sistema Schlieren 2) Dispositivo para estudiar el flujo a través de las cuerdas vocales 3) Algunos resultados 4) Conclusiones y propuestas utilizado para visualizar

27 Siembra de partículas en el flujo
1 Experiencias in vitro y visualización de flujos: una réplica de la laringe Estudio de flujos Técnicas invasivas ﺳ Particle Image Velocimetry Siembra de partículas en el flujo ﺳ Laser-Doppler Velocimetry ﺳ Sensores punto a punto (tubo Pitot) HIPÓTESIS ni las partículas ni los sensores modifican apreciablemente el flujo SISTEMA SCHLIEREN

28 Principio de funcionamiento de un sistema Schlieren
Un haz paralelo es desviado de su dirección original por un gradiente en el índice de refracción del medio que atraviesa. f cámara fuente cuchillas lente espejo 2 Diagrama de un sistema Schlieren tipo Z espejo 1 Objeto en la zona de prueba

29 Eastern Virginia Medical School http ://www.voice-center.com
2 Experiencias in vitro y visualización de flujos: una réplica de la laringe Objetivo: visualizar el flujo en una maqueta que representa la laringe. Comparación con mediciones de presión y simulaciones numéricas. Flujo a través de las cuerdas vocales Flujo a través de las cuerdas vocales y de las bandas ventriculares Eastern Virginia Medical School http ://

30 Imagen de la parte inferior de la maqueta
2 Experiencias in vitro y visualización de flujos: una réplica de la laringe Esquema de la maqueta Disposición en el sistema Schlieren Espejo 1 Falsas cuerdas vocales Maqueta Espejo 2 Cuerdas vocales Tanque de helio Inyección de helio Circuito de alimentación Inyección de aire Imagen de la parte inferior de la maqueta

31 Dispositivo experimental
Experiencias in vitro y visualización de flujos: una réplica de la laringe Dispositivo experimental válvula de alivio manómetros electroválvula a la fuente, 24 VAC válvula de paso caudalímetro sensor + amplificador maqueta tanque de aire comprimido tanque de He comprimido acumulador P1 > P2 a PC Queremos garantizar cierta velocidad entre las cuerdas  nuestro procedimiento es: Llenado del acumulador monitoreando la presión desde la PC. En caso de sobrepresión se libera el recipiente mediante la válvula de alivio. Al llegar a la presión deseada (dependiente del caudal que se quiera que circule) se activa la electroválvula y se inicia el flujo. Al mismo tiempo se realiza la adquisición de imágenes.

32 3 Experiencias in vitro y visualización de flujos: una réplica de la laringe Algunos resultados Video a máxima resolución temporal (200fps). Maqueta sin bandas ventriculares. Separación de 1 mm. Video a máxima resolución temporal (200fps). Maqueta con bandas ventriculares. Separación de 1 mm en las cuerdas y 2 mm en las bandas.

33 Experiencias in vitro y visualización de flujos: una réplica de la laringe
Comparación simulaciones/visualizaciones en el régimen transitorio: Se observa un jet plano que emerge de las cuerdas vocales con un frente de vótices dipolar (vórticas simétricos de signos opuestos formando una estructura tipo “hongo”). En las bandas ventriculares nace un segundo jet: simultáneamente con el primero si la constricción en las bandas y en las cuerdas es la misma; con un restraso proporcional al cociente entre las separaciones si no.

34 Experiencias in vitro y visualización de flujos: una réplica de la laringe
En la separación de 4 mm el jet avanzó más que en el caso de 2 mm y aún no se observa el jet después de las bandas. Separación de 2 mm entre las bandas Separación de 4 mm entre las bandas La geometría se complica cuando el primer jet incide sobre las bandas ventriculares. Dipolos de vorticidad nacen en las bandas y retroceden en el ventrículo, alejados primero del jet pero luego acercándose y fusionándose a él.

35 Experiencias in vitro y visualización de flujos: una réplica de la laringe
Campos de velocidad Schlieren Image Velocimetry (SIV) Se basa en una técnica de minimización de un funcional sobre el plano de la imagen. Gladstone-Dale HIPÓTESIS Continuidad Función que relaciona las intensidades con el campo de acuerdo con las hipótesis de funcionamiento del dispositivo experimental Término de suavización de rotor y divergencia de acuerdo con las hipótesis del comportamiento del flujo

36 Experiencias in vitro y visualización de flujos: una réplica de la laringe
- Análisis del funcionamiento del software con imágenes auxiliares de distintos tipos de flujos: susceptibilidad a distintos parámetros. - Estudio de resultados de campos de velocidades en presencia de obstáculos. - Estudio de resultados para campos uniformes de velocidades. Un ejemplo: Flujo alrededor de un cilindro. El objetivo de estas mediciones es utilizarlas como prueba intentando incorporar al software la hipótesis de existencia de obstáculos en los flujos. ¡Estamos en eso!

37 4 Experiencias in vitro y visualización de flujos: una réplica de la laringe Conclusiones Pudimos realizar visualizaciones en régimen transitorio del flujo laríngeo utilizando un sistema Schlieren tipo Z. Existe una concordancia entre las simulaciones numéricas y los resultados obtenidos por medio de las visualizaciones. En nuestra caracterización de los patrones de flujo hallamos distintos fenómenos aerodinámicos que son candidatos a estar presentes en la apertura del ciclo glotal del sistema fonatorio. El impacto aerodinámico de las bandas ventriculares es significativo en el flujo en el ventrículo y en las características finales del jet. y Perspectivas Incorporación al dispositivo de una cámara con mayor frecuencia de adquisición. Modulación del flujo de entrada a frecuencias del orden de las producidas por la voz humana. Construir una nueva maqueta que se adecue más a la geometría de las cuerdas vocales y de las bandas ventriculares.

38 Dinámica de biofluidos: Hacia una caracterización del flujo laríngeo
Francia Argentina Brasil Denisse Sciamarella Christophe D’Alessandro Patrick Le Quéré Etienne Mémin Guillermo Artana Elisa Chisari Juan D’Adamo Jorge Silvestrini Jorge Lucero Edson Cataldo Proyecto 07/06 Muchas gracias por su atención