Numerical analysis of the airflow downstream from a tracheoesophageal voice prosthesis

Abstract

Próteses fonatórias traqueoesofágicas são a solução mais atrativa para a recuperação da fala de pacientes que foram submetidos a uma laringectomia total. A vibração induzida pelo escoamento através do segmento faringoesofágico, também conhecido como pseudoglote, pode ser influenciada pelo comportamento aerodinâmico dentro da prótese fonatória e pelas característica do escoamento a jusante da prótese. Trabalhos anteriores investigaram a queda de pressão através de diferentes próteses tanto em experimentos in-vitro quanto in-vivo. Ademais, os aspectos aerodinâmicos do escoamento na região esofágica somente foram investigados experimentalmente in-vitro para um modelo idealizado do sistema traqueoesofágico. Este trabalho propõe investigar a queda de pressão entre traqueia e esôfago, e também a distribuição de pressão ao longo do segmento faringoesofágico, como função do posicionamento e angulação da prótese. Os aspectos aerodinâmicos do escoamento a jusante da prótese também são avaliados. A investigação foi conduzida desenvolvendo um modelo numérico baseado em uma geometria idealizada encontrada na literatura. Após aferir as limitações do modelo idealizado, um experimento foi conduzido para se obter as relações entre pressão, vazão volumétrica de ar e abertura da prótese, relações fundamentais na criação de um modelo mais preciso do sistema traqueoesofágico. Após essas investigações preliminares, imagens de tomografia computadorizada foram utilizadas para construir um modelo mais realista. Este modelo foi utilizado para aferir a influência da posição da prótese na distribuição de pressão dentro do segmento faringoesofágico. Os resultados indicam que o posicionamento de prótese não tem influência significativa na queda de pressão utilizada para verificar a influência do posicionamento da prótese fonatória. Entretanto, a distribuição de pressão dentro do segmento faringoesofágico é influenciada pela posição da prótese, especialmente para altos valores de vazão de ar.

Abstract: Tracheoesophageal voice prostheses are the most appealing solution for the voice recovering process of patients that have undergone a total laryngectomy. The flow-induced vibration of the pharyngoesophageal segment, also known as the pseudoglottis, might be influenced by the aerodynamic behavior inside the prosthesis itself and by the characteristics of the flow structures downstream from its outlet. Previous works have investigated the pressure drop across different prosthesis designs with both in-vitro and in-vivo experiments. Nevertheless, the aerodynamic aspects of the flow in the tracheoesophageal region have been only investigated in-vitro with an idealized geometry. In the present study, the pressure drop between the trachea and the esophagus, as well as the pressure distribution along the pharyngoesophageal segment, are investigated as a functions of the prosthesis position and angulation. Moreover, the aerodynamic aspects of the flow downstream from the prosthesis outlet are assessed. The investigation was conducted by developing a computational model based on the idealized geometry available in the literature. After assessing the limitations of the idealized model, an experiment was performed in order to obtain the relationship between pressure, volume flow, and prosthesis opening, which was used to create a more accurate representation of the airflow through the prosthesis. The obtained results along with computed tomography images from laryngectomized subjects were used to build a more realistic computer model. This model was finally used to assess the influence of the voice prosthesis position on the pressure distribution inside the pharyngoesophageal segment. The results suggest that the prosthesis positioning does not play a significant role on the pressure drop across the prosthesis. Nevertheless, the pressure distribution inside the pharyngoesophageal segment is influenced by the prosthesis position, particularly for high volume flows.