بررسی عددی رفتار شعاعی و فشار انتشاریافته از میکروحباب پوشش‌دار در مجاورت مرزهایی با الاستیسیته متفاوت در تصویربرداری فراصوت

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی

چکیده

یکی از بهترین روش­های بهبود کیفیت و وضوح تصویربرداری فراصوتی، استفاده از حباب­های پوشش‌دار است. در این مقالهدینامیک حباب کپسوله در نزدیکی دیواره با الاستیسیته مختلف برای تصویربرداری فراصوت شبیه­سازی شده است. برای این منظور برنامه کامپیوتری در
نرم­افزار متلب توسعه داده شده که در آن معادله دیفرانسیل رایلی-پلیست اصلاح شده، به روش رانچ کاتا مرتبه چهارم حل عددی شده است. در ابتدا نتایج به‌دست‌آمده با داده­های آزمایشگاهی مقایسه شده، سپس رفتار شعاعی حباب پوشش‌دار (عوامل تقابلی فراصوتی) برای دو حالت مجاورت با دیواره صلب و الاستیک بررسی شده و فشار انتشاریافته از حباب شبیه­سازی شده است. در ادامه تأثیر میزان لزجت پوسته (Ks)، شعاع اولیه حباب و فاصله حباب تا دیواره بر رفتار دینامیکی حباب و میزان فشار انتشاریافته از آن بررسی شده است. نتایج به‌دست‌آمده به‌صورت جدول و نمودار آمده است. نتایج به‌دست‌آمده نشان می­دهد که مقدار لزجت پوسته حباب و شعاع اولیه حباب تأثیر قابل ملاحظه­ای بر دینامیک حباب دارد. درنهایت پاسخ فرکانسی حباب پوشش‌دار بررسی گردیده و نحوه تأثیر شعاع اولیه حباب، جنس پوسته و مدول کشسانی دیوار بر روی میزان قدرت طیف موج اصلی آورده شده است. نتایج به‌دست‌آمده نشان می­دهد که با افزایش مدول کشسانی دیواره، مقدار قدرت طیف موج اصلی به حالت حدی رسیده و تغییر نمی­کند.

کلیدواژه‌ها


  1. Brennen, C. E. “Cavitation and Bubble Dynamics”, Oxford University Press, New York, 1995.##
  2. Leighton, T. G. “The Acoustic Bubble”, Academic Press, University of Southampton, England, 1994.##
  3. Blake, J. R. and Gibson, D. C. “Cavitation Bubbles Near Boundaries”, J. of Annual Review Fluid Mechanics, Vol. 19, pp. 99–123, 1987.##
  4. Brujan, E. A., Nahen, K., Schmidt, P., and Vogel, A. “Dynamics of Laser-induced Cavitation Bubbles Near an Elastic Boundary”, J. Fluid Mech., Vol. 433, pp. 251-281, 2001.##
  5. Brujan, E. A., Nahen, K., Schmidt, P., and Vogel, A. “Dynamics of Laser-Induced Cavitation Bubbles Near Elastic Boundaries: Influence of the Elastic Modulus”, J. Fluid Mech., Vol. 433, pp. 283–314, 2001.##
  6. Brujan, E. A., Pearson, A., and Blake, J. R. “Pulsating Buoyant Bubbles Close to a Rigid Boundary and Near the Null Final Kelvin Impulse State” Int. J. Multiphas. Flow, Vol. 31, no. 3, pp. 302–317, 2005.##
  7. Kodama, T. and Tomita, Y. “Cavitation Bubble Behavior and Bubble-shock Wave Interaction Near a Gelatin Surface as a Study of in Vivo Bubble Dynamics” Appl. Phys. B, Vol. 70,no. 1, pp.139–149, 2000.##
  8. Zhao, S., Kruse, D. E., Ferrara, K. W., and Dayton, P. A. “Acoustic Response from Adherent Targeted Contrast Agents” J. Acoust. Soc. Am., Vol. 120, no. 6, pp. 63–69, 2006.##
  9. Fong, S. W., Klaseboer, E., Turangan, C. K., Khoo, B. C., and Hung, K. C. “Numerical Analysis of a Gas Bubble Near Bio-Materials in an Ultrasound Field” Ultrasound Med. Biol., Vol. 32, no. 6, pp. 925-942, 2006.##
  10. Bettinger, T. and Tranquart, F “Design of Microbubbles for Gene and Drug Delivery” Therapeutic Ultrasound, Advances in Experimental Medicine and Biology Vol. 880, pp.191-204, 2016.##
  11. Doinikov, A. A., Aired, L. and Bouakaz, A. “Acoustic Scattering From a Contrast Agent Microbubble Near An Elastic Wall Of finite thickness” Physics in Medicine & Biology Vol. 56, no. 21, pp. 6951-6967, 2011.##
  12. Herring, C. “Theory of the Pulsations of the Gas Bubble Produced by an Underwater Explosion” Technical report, New London, Conn. Columbia Univ., Div. of National Defense Research, OSRD report 236, 1941.##
  13. Strasberg, M. “The pulsation frequency of nonspherical gas bubbles in liquids” J. Acoust Soc. Am., Vol. 25, pp. 536-537,1953.##
  14. Blue, J. E. “Resonance of a Bubble on an Infinite Rigid Boundary” J. Acoust. Soc. Am., Vol. 41, pp. 369–372, 1967.##
  15. Illesinghe, S., Ooi, A., and Manasseh, R. “Eigenmodal resonances of polydisperse bubble systems on a rigid boundary” J. Acoust. Soc. Am., Vol. 126, pp. 2929-2938, 2009.##
  16. Doinikov, A., Zhao, S., and Dayton, P.  “Modeling of the acoustic response from contrast agent microbubbles near a rigid wall” J. of Ultrasonics, Vol. 49, pp. 195-20, 2009.##
  17. Shima, A. and Tomita, Y. “The behavior of a spherical bubble near a solid wall in a compressible liquid” Ing. Arch, Vol. 51, pp. 243–255, 1981.##
  18. Doinikov, A., Aired, L., and Bouakaz, A. “Acoustic response from a bubble pulsating near a fluid layer of finite density and thickness” J. Acoust. Soc. Am., Vol. 129, pp. 616-621, 2011.##
  19. Garbin, V., Cojoc, D., Ferrari, E., Fabrizio, E., Overvelde, M. L. J., Van Der Meer, S. M., De Jong, N., Lohse, D., and Versluis, M. “Changes in microbubble dynamics near a boundary revealed by combined optical micromanipulation and high-speed imaging” Applied physics letters, Vol. 90, pp. 114103-1-114103-3, 2007.##
  20. Marmottant, P., Van Der Meer, S., Emmer, M., Versluis, M., De Jong, N., Hilgenfeldt, S., and Lohse, D. “A model for large amplitude oscillations of coated bubbles accounting for buckling and rupture” J. Acoust. Soc. Am., Vol. 118, pp. 3499-3505, 2005.##
  21. Martynov, S., Stride, E., and Saffari, N. “The natural frequencies of microbubble oscillation in elastic vessels” J. Acoust. Soc. Am., Vol. 126, pp. 2963-2972, 2009.##
  22. Der Meer, S. M., Dollet, B., Voormolen, M. M., Chin, C. T., Bouakaz, A, De Jong, N., Versluis, M., and Lohse, D. ”Microbubble spectroscopy of ultrasound contrast agents” J. Acoust. Soc. Am., Vol. 121, pp. 648-656, 2007.##
  23. Garbin V, Cojoc D, Ferrari E, Di Fabrizio E, Overvelde M L J, van der Meer S M, de Jong N, Lohse D and Versluis M “Changes in microbubble dynamics near a boundary revealed by combined optical micromanipulation and high-speed imaging” Appl. Phys. Lett. Vol. 90, pp.114103-1-114103-3, 2007.##

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Shirshendu, P., Amit, K., and Kausik S., "Material Characterization of the Encapsulation of an Ultrasound Contrast Microbubble and its Subharmonic Response: Strain-Softening Interfacial Elasticity Model", J. Acoust. Soc. Am., Vol. 127, no. 6, pp. 3846–3857, 2010.##
  2. Doinikov, A. A.,  Aired, L., and Bouakaz, A. "Modeling and experiments on the far-field scattering of a bubble pulsating near a wall with finite density and thickness," IEEE International Ultrasonics Symposium, San Diego, CA, 2010.##
  3. Doinikov, A. A., Aired, L., and Bouakaz, A. “Effect of an Elastic Wall on the Dynamics of an Encapsulated Microbubble: A Simulation Study”, Ultrasonics, Vol. 53, pp. 23-28, 2013.##
  4. Sarkar, K., Paul, S., and Katiyar, A. “Material Characterization of the Encapsulation of an Ultrasound Contrast Microbubble and its Subharmonic Response” J. Acoust. Soc. Am., Vol. 127, pp. 3846-3857, 2010.##
  5. Tu, J., Guan, J., Qui, Y., and Matula, T. J. “Estimating the Shell Parameters of Sonovue Microbubbles Using Light Scattering”
    J. Acoust. Soc. Am., Vol. 126, no. 6, pp. 2954-295462, 2009.##
  6. Kumar, K. and Sarkar, K. “Effects of Ambient Hydrostatic Pressure on the Material Properties of the Encapsulation of an Ultrasound Contrast Microbubble” J. Acoust. Soc. Am., Vol. 138, no. 2, 624–634, 2015.##
  7. Garashchuk, I., Sinelshchikov, D., and Kudryashov, N. “Nonlinear Dynamics of a Bubble Contrast Agent Oscillating near an Elastic Wall” Regular and Chaotic Dynamics, Vol. 23, pp. 257–272, 2018.##
  8. Garashchuk, I., Sinelshchikov, D. and Kudryashov, N. “General Solution of the Rayleigh Equation for Description of Bubble Oscillations Near a Wall” Mathematical Modeling and Computational Physics 2017 (MMCP 2017), Dubna, Russia, EPJ Web of Conferences, Vol. 173.##
  9. Doinikov, A.A., Novell, A.,  Escoffre, JM. And  Bouakaz, A. “Encapsulated Bubble Dynamics in Imaging and Therapy” Bubble Dynamics and Shock Waves, Vol. 8 , pp. 259-289, 2013.##