Voice production is the result of the fluid-structure-interaction (FSI) of airflow through glottis and the vocal folds. The physics of the voice production consists of the geometry of the vocal folds and larynx, the aerodynamics of the airflow within larynx, and mechanical properties of the vocal folds. Through these physical aspects of voice production, engineering analyses can contribute to voice research. Creation of patient-specific computer models of the vocal folds and larynx may be considered as one of the main contributions of engineering studies in voice research. Person-to-person differences in voice parameters are considered in patient-specific models and as a result, they have high potential for clinical applications. In this dissertation, the aforementioned physical aspects of voice production were studied through the creation of patient-specific geometries, numerical analyses on glottal airflow, and investigation of the vocal folds' strain-stress field during oscillation. To address the geometry parameters, the patient-specific three-dimensional (3D) geometries of the vocal folds, larynx, and laryngeal cartilages (i.e., thyroid, cricoid and arytenoid) were built. Morphometric measurements were performed and the obtained results were compared to the existing cadaver data. Low discrepancies between these measurements indicate the feasibility of using Computed Tomography (CT) scan data for creation of 3D models. General laryngeal cartilage models were created while preserving all the biomechanically important morphometric features. A methodology to create accurate geometries of the vocal folds with desired glottal angles was introduced based on mapping high-speed digital imaging (HSDI) data with that from Magnetic Resonance Imaging (MRI). To address the fluid dynamics of voice production, the quasi-steady approximation in glottal airflow simulations was investigated in a two dimensional (2D) driven model. The surface area of the model was kept constant to avoid volume variations. Two-dimensional dynamic simulations of airflow through an idealized glottal orifice with moving walls were performed. A series of steady flow simulations was then performed using vocal fold configurations and boundary conditions that instantaneously coincide with data from the dynamic simulations. Aerodynamic parameters such as fluid flow rate, normal pressure on the vocal folds, shear stress on the glottal walls, and orifice discharge coefficients were compared between the dynamic and static simulations and similarities and differences were discussed. Three-dimensional simulations of the glottal airflow within patient-specific geometries were performed. One of the models was for a healthy subject and the second model was a postsurgical geometry from a patient with cancer. The effects of the geometry differences on the aerodynamic parameters such as orifice discharge coefficient and flow resistance were shown and discussed. To investigate the 3D nature of the glottal airflow, a 2D simulation was conducted in a computational domain made from a frontal CT scan image. The 2D results were compared to the corresponding slice in the 3D simulation. Significant differences between 2D and 3D simulations were observed in orifice discharge coefficients, jet flow deflection, and secondary flow, highlighting the importance of using realistic 3D models for glottal airflow simulations.To address the mechanical properties of the vocal folds, the deformation field on the superior visible surface of the vocal folds was captured in the excised larynx experiments using Digital Image Correlation (DIC). The initial pre-phonatory strain was measured using a dissection protocol and added to the relative strain obtained during the vocal folds' vibration to calculate the net strain. Kinematics of the vocal folds' oscillation was compared to that of synthetic models and similarities and differences were discussed. / La production de la voix résulte de l'interaction fluide-structure entre l'écoulement d'air dans la glotte et les cordes vocales. La physique de la production de la voix comporte trois aspects principaux que sont respectivement la géométrie des cordes vocales et du larynx, l'aérodynamique de l'écoulement d'air et les propriétés mécaniques des cordes vocales. Ces trois aspects de la production vocale se situent dans le cadre de l'ingénierie. La création de modèles numériques de cordes vocales et de larynx spécifiques à l'individu peut être vue comme une contribution majeure pour l'analyse technique dans la recherche sur la voix. Ces modèles ont beaucoup d'intérêt pour les applications médicales et thérapeutiques parce qu'ils prennent en compte la variation des propriétés des tissus et de la géométrie entre chaque individu. Dans cette thèse, trois aspects de la production vocale ont été pris en compte : la création de modèles géométriques propres à chaque individu, l'analyse numérique de l'écoulement glottique et la recherche des relations entre les déformations et les contraintes au sein des cordes vocales au cours de la vibration.Afin d'obtenir des paramètres géométriques, des modèles numériques de cordes vocales, du larynx et des cartilages laryngés ont été conçus en trois dimensions et pour chaque patient. Des mesures morphométriques ont été réalisées et comparées à des données ex-vivo. La faible divergence entre ces mesures a permis de valider l'utilisation de la tomographie par rayons X pour la création de modèles 3D. Des modèles standards de cartilages laryngés furent créés tout en conservant les caractéristiques biomécaniques importantes. Une méthode basée sur la mise en correspondance de données d'imageries haute vitesse (HSDI) et d'Imageries par Résonnance Magnétique (IRM), a été introduite pour créer des géométries précises des cordes vocales avec le contour glottique souhaité. La dynamique des fluides lors de la production vocale a été étudiée en utilisant une approximation quasi-statique de l'écoulement glottique dans un modèle 2D. La surface du modèle était fixée constante afin d'éviter des variations de volume et éliminer ainsi la création de sources monopôles parasites. Les simulations dynamiques à deux dimensions de l'écoulement de l'air ont alors été réalisées à travers une glotte idéale aux parois mobiles. Une série de simulations d'écoulement statique étaient alors réalisées en utilisant les configurations de cordes vocales ainsi que les conditions aux limites qui coïncidaient avec les données provenant des simulations dynamiques au même instant. Les paramètres aérodynamiques tels que le débit du fluide, la pression normale aux cordes vocales, la contrainte de cisaillement sur les parois glottiques, le coefficient de perte de charge ont été comparés et discutés pour les simulations dynamiques et statiques.Des simulations 3D de l'écoulement glottique ont été réalisées pour chaque modèle individuel. Une des géométries étaient considérée comme saine et la seconde correspondait à la géométrie post-chirurgicale pour un patient atteint d'un cancer. Les effets des différences géométriques sur les paramètres aérodynamiques tels que le coefficient de perte de charge dû à un changement de section et la résistance à l'écoulement ont été mis en valeur et discutés.Afin de caractériser les propriétés mécaniques des cordes vocales, le champ de déformation de la surface supérieure et visible des cordes vocales d'un larynx excisé a été mesuré à l'aide d'une technique de corrélation d'image numérique (DIC). La déformation initiale de pré-phonation a été mesurée à l'aide d'un récent protocole de dissection et ajoutée à la mesure de déformation relative obtenue pendant la vibration des cordes vocales afin de calculer la contrainte totale. La cinématique de l'oscillation de ces cordes vocales a alors été comparée à celle de modèles synthétiques afin d'observer les similitudes et les différences.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.119612 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Bakhshaee, Hani |
| Contributors | Luc Mongeau (Supervisor1), Rosaire Mongrain (Supervisor2) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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