Induktion von Mikroströmungen durch nichtsphärische Blasenschwingungen in einem akustischen Levitationssystem

Das Verständnis der blaseninduzierten mechanischen Wirkungen ist in vielen technischen und therapeutischen Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Die Kontrolle der Blasenschwingungen und der induzierten Strömungen in der Umgebung ist nach wie vor eine anspruchsvolle Aufgabe. Die vorgeschlagenen Techniken ermöglichen es, die Formschwingung einer einzelnen Blase zu kontrollieren, die in einem akustischen Levitator gefangen ist.

Die induzierten Strömungen werden dann visualisiert und mit der Blasendynamik korreliert. Estelle Mezianai, eine Studentin des Labors für therapeutische Anwendung von Ultraschall, wird das Verfahren demonstrieren. Beginnen Sie mit der Blasenerzeugung, indem Sie den Wassertank des Oszillators so platzieren, dass sich ein Fokuspunkt des Lasers im Wassertank befindet, was zur Funkenerzeugung pro 5 bis 10 Millijoule Laserpuls führt.

Schalten Sie den Ultraschallwandler ein und erhöhen Sie die angelegte Spannung, bis die Blasen nicht mehr senkrecht aufsteigen, sondern in Richtung des Druckgegenknotens abweichen und eingeschlossen werden. Stellen Sie die Hintergrundbeleuchtung auf die Dauerlichtdiode ein und wählen Sie die Hochgeschwindigkeitskamera aus, um die Beobachtung der eingeschlossenen Blase zu ermöglichen. Um eine Blase einzufangen und ihre radialen Schwingungen zu erfassen, stellen Sie die Bildgröße auf 128 x 128 Pixel und die Erfassungsrate auf 180 Kilohertz ein.

Zeichnen Sie die Blasenradialschwingungen von 3 bis 30 Millisekunden unter steigenden angelegten Aufnehmerspannungen von 0 bis 8 Volt auf. Schalten Sie nach der letzten Aufnahme den Ultraschallwandler aus und nehmen Sie ein Bild des Hintergrunds für die Nachanalyse auf. Führen Sie für die Nachbearbeitung der Videoserie den Befehl VoltagePressure aus.

EXE-Datei. Geben Sie die physikalischen und experimentellen Parameter sowie die Werte der angelegten Spannung für die Aufzeichnungsreihe an. Klicken Sie im Bereich "Blasenradiusanalyse" auf "Parameter laden" und wählen Sie den Ordner aus, der alle Videoserien- und Hintergrundbilddateien enthält.

Für jede Videodatei wird die Entwicklung des Blasenradius über eine akustische Periode aufgetragen und eine numerische Anpassung überlagert. Wenn alle Videos verarbeitet wurden, klicken Sie auf Lineare Regression, um eine lineare Anpassung der Druckspannungskurve durchzuführen. Die Daten werden in einer txt-Datei innerhalb des aktuellen Verzeichnisses gespeichert.

Um eine Blasenkoaleszenz zu induzieren, schalten Sie den Ultraschallwandler ein und stellen Sie die angelegte Spannung so hoch ein, dass der entsprechende Schalldruck eine Oberflächeninstabilität auslösen kann, eine Blase zu nukleieren, die dann zu ihrem Einfangort wandert. Wenn eine eingeschlossene Blase nur sphärische Schwingungen aufweist, erzeugen Sie einen neuen Laserfunken. Wenn die neue Blase den Einfangort erreicht, kommt es zu einer Verschmelzung Wenn die zusammengewachsene Blase nach dem Funken nur noch sphärische Schwingungen aufweist, erzeugen Sie eine neue Blase.

Beachten Sie jedoch, dass mehrere Verschmelzungen erforderlich sein können, um den Radius zu erreichen, bei dem nicht-sphärische Verformungen auftreten. Sobald die zusammengewachsene Blase nicht-sphärische Schwingungen aufweist, zeichnen Sie die Blasenschwingungen für etwa 3 bis 30 Millisekunden auf und verwenden Sie die Abbildung, um die Modusnummer der Formschwingungen der Blase zu identifizieren. Um Strömungsmessungen durchzuführen, stellen Sie die Bildrate auf 180 Kilohertz, die Bildgröße auf 128 x 128 Pixel und die Belichtungszeit auf 1 Mikrosekunde ein, um die Dynamik der Blasenschnittstelle aufzuzeichnen.

Um die Bewegung der Farbstofftracer aufzuzeichnen, stellen Sie die Bildgröße auf 1024 x 768 Pixel, die Bildrate auf 600 Hertz und die Belichtungszeit auf 1 Millisekunde ein. Passen Sie die Position des Laserblatts so an, dass die beleuchteten Partikel für die Kamera sichtbar sind und wie gezeigt nukleieren und eine Blase einfangen. Passen Sie die Position der Laserfolie weiter an, so dass ein Schatten hinter der Blase sichtbar wird, und induzieren Sie die Blasenverschmelzung, bis ein stabil oszillierender Formmodus sichtbar wird.

Nehmen Sie dann mehrere Aufnahmen auf und wechseln Sie zwischen der Blasendynamik und dem Mikrostreaming. Importieren Sie für die Bildverarbeitung und -analyse die Cine-Datei mit der erfassten Partikelbewegung in Bild J und klicken Sie auf Bild, Anpassen, Helligkeit, Kontrast und Auto. Ein automatisch optimiertes Bild ersetzt den dunklen Hintergrund.

Um das resultierende Muster anzuzeigen, klicken Sie auf "Bild", "Stapel" und "Z-Projekt" und wählen Sie die Option "Maximale Intensität" für die Bildprojektion aus. Es wird ein Ausgabebild mit Pixeln angezeigt, die den Maximalwert für alle Bilder im Stapel enthalten. Hier ist eine vollständige Sequenz der Blasenkoaleszenz dargestellt, die zu zeitstabilen, symmetriegesteuerten nicht-sphärischen Oszillationen führt, die beobachtet werden können.

Die Annäherungsphase zweier kugelschwingender Blasen endet, wenn der dünne Flüssigkeitsfilm zwischen den beiden Blasen aufgebrochen ist. Nach dem Moment der Verschmelzung verbleibt eine einzelne Blase, die nicht-sphärische Schwingungen mit einer komplexen Form aufweist, die dem transienten Schwingungsregime nach der Anregung eines dynamischen Systems entspricht. Nach einem Dutzend bis 100 akustischen Perioden stabilisieren sich die Schwingungsformen zu einer stationären Schwingung.

Sobald eine Blase gefangen ist und stetige Formschwingungen aufweist, kann die Bewegung der fluoreszierenden Tracer in der Umgebung der Blase erfasst werden. Wenn Formschwingungen auftreten, wird eine Flüssigkeitsbewegung in der Nähe der Blasengrenzfläche erzeugt. Die alternative Aufzeichnung der Dynamik der Blasengrenzfläche auf der akustischen Zeitskala und der Bewegung der Partikel auf einer niedrigeren Zeitskala ermöglicht die Korrelation des Mikroströmungsmusters mit einer gegebenen Formmodenzahl.

Wenn die Dynamik der Blasenschnittstelle zusätzliche Modi enthält, kann die Mikroströmung aufgrund der vielfältigen Wechselwirkungen zwischen den Modi, die bestimmte Muster erzeugen würden, erheblich modifiziert werden. Um das Strömungsmuster sicher einer bestimmten Formsedierung zuzuordnen, denken Sie daran, dass es notwendig ist, alternativ die Blasendynamik und die Strömungsbewegung zu erfassen. Diese Erkenntnisse könnten in neuropathischen Anwendungen, wie z. B. der transformierten Wirkstoffabgabe, von praktischer Bedeutung sein.

Tatsächlich ist bekannt, dass akustische Blasen strömungsinduzierte schiere Belastungen auf die Zellmembranen ausüben, die zu ihrer Permeation führen.