Inducción de microstreaming por oscilaciones de burbujas no esféricas en un sistema de levitación acústica

La comprensión de las acciones mecánicas inducidas por burbujas es crucial en muchas aplicaciones terapéuticas y de ingeniería. Controlar las oscilaciones de burbujas y los flujos inducidos en las cercanías sigue siendo una tarea difícil. Las técnicas propuestas permiten controlar la oscilación de la forma de una sola burbuja atrapada en un levitador acústico.

Los flujos inducidos se visualizan y correlacionan con la dinámica de la burbuja. Estelle Mezianai, estudiante del Laboratorio de Aplicación Terapéutica de Ultrasonido demostrará el procedimiento. Comience con la generación de burbujas colocando el tanque de agua del oscilador de tal manera que un punto de enfoque del láser se encuentre dentro del tanque de agua, lo que lleva a la generación de chispas por cada pulso láser de 5 a 10 milijulios.

Encienda el transductor de ultrasonido y aumente el voltaje aplicado hasta que las burbujas ya no se eleven verticalmente, sino que se desvíen hacia el antinodo de presión y queden atrapadas. Ajuste la iluminación retroiluminada al diodo emisor continuo de luz y seleccione la cámara de alta velocidad para permitir la observación de la burbuja atrapada. Para atrapar una burbuja y capturar sus oscilaciones radiales, establezca el tamaño del fotograma en 128 por 128 píxeles y la tasa de adquisición en 180 kilohercios.

Registre las oscilaciones radiales de burbuja de 3 a 30 milisegundos bajo el aumento de los voltajes aplicados del transductor de 0 a 8 voltios. Después de la última grabación, apague el transductor de ultrasonido y capture una imagen del fondo para el análisis posterior. Para el posprocesamiento de la serie de vídeos, ejecute VoltagePressure.

EXE. Especifique los parámetros físicos y experimentales y los valores de la tensión aplicada para la serie de grabaciones. En el panel de análisis de radio de burbuja, haga clic en parámetros de carga y seleccione la carpeta que contiene todas las series de vídeo y archivos de imagen de fondo.

Para cada archivo de vídeo, la evolución del radio de la burbuja se trazará durante un período acústico y se superpondrá un ajuste numérico. Cuando se hayan procesado todos los videos, haga clic en regresión lineal para realizar un ajuste lineal de la curva de voltaje de presión. Los datos se guardarán en un archivo txt dentro del directorio actual.

Para inducir la coalescencia de burbujas, encienda el transductor de ultrasonido y ajuste el voltaje aplicado lo suficientemente alto como para que la presión acústica correspondiente pueda desencadenar inestabilidad superficial, nuclee una burbuja que luego migrará a su ubicación de captura. Cuando una burbuja atrapada exhibe solo oscilaciones esféricas, genere una nueva chispa láser. Cuando la nueva burbuja alcanza la ubicación de captura, se produce la coalescencia Si la burbuja fusionada exhibe solo oscilaciones esféricas después de la chispa, genere una nueva burbuja.

Pero tenga en cuenta que pueden ser necesarias múltiples coalescencias para alcanzar el radio en el que ocurren las deformaciones no esféricas. Una vez que la burbuja fusionada exhibe oscilaciones no esféricas, registre las oscilaciones de la burbuja durante aproximadamente 3 a 30 milisegundos y use la figura para identificar el número de modo de las oscilaciones de forma de la burbuja. Para realizar mediciones de flujo de fluido, establezca la velocidad de fotogramas en 180 kilohercios, el tamaño de fotograma en 128 por 128 píxeles y el tiempo de exposición en 1 microsegundo para registrar la dinámica de la interfaz de burbuja.

Para grabar el movimiento de los trazadores de tinte, establezca el tamaño del fotograma en 1024 por 768 píxeles, la velocidad de fotogramas en 600 hercios y el tiempo de exposición en 1 milisegundo. Ajuste la posición de la lámina láser para que las partículas iluminadas sean visibles para la cámara y se nucleen y atrapen una burbuja como se demuestra. Ajuste aún más la posición de la lámina láser para que una sombra se haga visible detrás de la burbuja e induzca la fusión de burbujas hasta que se vea un modo de forma oscilante estable.

Luego adquiera varias grabaciones, cambiando entre la dinámica de burbujas y el micro streaming. Para el procesamiento y análisis de imágenes, importe el archivo de cine que contiene el movimiento de la partícula capturada en la imagen J y haga clic en imagen, ajuste, brillo, contraste y automático. Una imagen optimizada automáticamente reemplazará el fondo oscuro.

Para mostrar el patrón resultante, haga clic en imagen, pilas y proyecto Z, y seleccione la opción de intensidad máxima para la proyección de imágenes. Se mostrará una imagen de salida con píxeles que contienen el valor máximo sobre todas las imágenes de la pila. Aquí se muestra una secuencia completa de coalescencia de burbujas que conduce a oscilaciones no esféricas controladas por simetría estable en el tiempo que se pueden observar.

La fase de aproximación de dos burbujas oscilantes esféricamente termina cuando se rompe la delgada película líquida entre las dos burbujas. Después del momento de la coalescencia, queda una sola burbuja que exhibe oscilaciones no esféricas con una forma compleja, correspondiente al régimen transitorio de oscilaciones después de la excitación de cualquier sistema dinámico. Después de una docena a 100 períodos acústicos, las formas de oscilación se estabilizan a una oscilación de estado estacionario.

Una vez que una burbuja queda atrapada y exhibe oscilaciones de forma constantes, se puede capturar el movimiento de los trazadores fluorescentes dentro de la vecindad de la burbuja. Cuando se producen oscilaciones de forma, el movimiento del líquido se produce en las proximidades de la interfaz de la burbuja. El registro alternativo de la dinámica de la interfaz de burbujas en la escala de tiempo acústica y del movimiento de las partículas en una escala de tiempo más baja permite la correlación del patrón de micro transmisión con un número de modo de forma dado.

Si la dinámica de la interfaz de burbuja contiene modos suplementarios, entonces el flujo de micro transmisión puede modificarse significativamente debido a las múltiples interacciones entre los modos que generarían patrones específicos. Para asociar de forma segura el patrón de flujo a una sedación de forma determinada, recuerde que es necesario capturar alternativamente la dinámica de la burbuja y el movimiento del flujo. Estos hallazgos pueden tener un uso práctico en aplicaciones neuropáticas, como la administración de fármacos mediada por transformación.

De hecho, se sabe que las burbujas acústicas ejercen tensiones inducidas por el flujo en las membranas celulares que conducen a su permeación.