Indukcja mikrostrumieniowania przez niesferyczne oscylacje pęcherzykowe w systemie lewitacji akustycznej

Zrozumienie mechanicznego działania pęcherzyków powietrza ma kluczowe znaczenie w wielu zastosowaniach inżynieryjnych i terapeutycznych. Kontrolowanie oscylacji pęcherzyków i indukowanych przepływów w pobliżu jest nadal trudnym zadaniem. Proponowane techniki pozwalają na kontrolowanie oscylacji kształtu pojedynczej bańki uwięzionej w lewitatorze akustycznym.

Indukowane przepływy są następnie wizualizowane i korelowane z dynamiką pęcherzyków. Estelle Mezianai, studentka z Laboratorium Terapeutycznego Zastosowania Ultradźwięków, zademonstruje przebieg zabiegu. Rozpocznij od generowania pęcherzyków, umieszczając zbiornik na wodę oscylatora w taki sposób, aby punkt skupienia lasera znajdował się wewnątrz zbiornika wody, co prowadzi do generowania iskry na każde 5 do 10 milidżuli impulsu laserowego.

Włącz przetwornik ultradźwiękowy i zwiększaj przyłożone napięcie, aż pęcherzyki przestaną unosić się pionowo, ale odchylą się w kierunku antywęzła ciśnienia i zostaną uwięzione. Ustaw podświetlenie na ciągłą diodę elektroluminescencyjną i wybierz szybką kamerę, aby umożliwić obserwację uwięzionej bańki. Aby zapułapkować bąbelek i uchwycić jego oscylacje promieniowe, ustaw rozmiar klatki na 128 na 128 pikseli, a szybkość akwizycji na 180 kiloherców.

Rejestruj oscylacje promieniowe pęcherzyków od 3 do 30 milisekund przy rosnącym napięciu przetwornika od 0 do 8 woltów. Po ostatnim nagraniu wyłącz przetwornik ultradźwiękowy i uchwyć jeden obraz tła do analizy końcowej. W celu przetworzenia końcowego serii filmów uruchom VoltagePressure.

plik exe. Określ parametry fizyczne i doświadczalne oraz wartości przyłożonego napięcia dla serii nagrań. W panelu analizy promienia bąbelkowego kliknij przycisk wczytaj parametry i wybierz folder zawierający wszystkie serie filmów i pliki obrazów tła.

Dla każdego pliku wideo ewolucja promienia pęcherzyka zostanie wykreślona w ciągu jednego okresu akustycznego, a dopasowanie numeryczne zostanie nałożone. Po przetworzeniu wszystkich filmów kliknij opcję Regresja liniowa, aby wykonać liniowe dopasowanie krzywej napięcia ciśnienia. Dane zostaną zapisane w pliku txt w bieżącym katalogu.

Aby wywołać koalescencję pęcherzyków, włącz przetwornik ultradźwiękowy i ustaw przyłożone napięcie na tyle wysoko, aby odpowiednie ciśnienie akustyczne mogło wywołać niestabilność powierzchni, zarodkować pęcherzyk, który następnie będzie migrował do miejsca pułapki. Gdy uwięziony bąbel wykazuje tylko oscylacje sferyczne, wygeneruj nową iskrę laserową. Gdy nowy pęcherzyk dotrze do miejsca pułapki, następuje koalescencja Jeśli koalescencyjna bańka wykazuje tylko sferyczne oscylacje po iskrzeniu, wygeneruj nową bańkę.

Należy jednak pamiętać, że wielokrotne koalescencje mogą być konieczne, aby osiągnąć promień, przy którym występują deformacje niesferyczne. Gdy połączony pęcherzyk wykazuje oscylacje niesferyczne, rejestruj oscylacje pęcherzyka przez około 3 do 30 milisekund i użyj rysunku do określenia numeru trybu oscylacji kształtu pęcherzyka. Aby wykonać pomiary przepływu płynu, ustaw liczbę klatek na sekundę na 180 kiloherców, rozmiar klatki na 128 na 128 pikseli, a czas ekspozycji na 1 mikrosekundę, aby zarejestrować dynamikę interfejsu pęcherzykowego.

Aby rejestrować ruch znaczników barwnika, ustaw rozmiar klatki na 1024 na 768 pikseli, liczbę klatek na sekundę na 600 Hz, a czas ekspozycji na 1 milisekundę. Dostosuj położenie arkusza laserowego tak, aby oświetlone cząstki były widoczne dla kamery i zanukleizowały i uwięziły pęcherzyk, jak pokazano. Dostosuj położenie arkusza laserowego dalej, aby cień stał się widoczny za pęcherzykiem i wywołaj koalescencję pęcherzyków, aż pojawi się stabilny tryb oscylacji kształtu.

Następnie zdobądź kilka nagrań, przełączając się między dynamiką bąbelków a mikrostrumieniowaniem. Aby przetworzyć i przeanalizować obraz, zaimportuj plik cine zawierający przechwycony ruch cząstek do obrazu J i kliknij obraz, dostosuj, jasność, kontrast i auto. Automatycznie zoptymalizowany obraz zastąpi ciemne tło.

Aby wyświetlić wynikowy wzór, kliknij pozycję obraz, stosy i rzut Z, a następnie wybierz opcję maksymalnej intensywności projekcji obrazu. Zostanie wyświetlony obraz wyjściowy z pikselami zawierającymi maksymalną wartość dla wszystkich obrazów w stosie. Pokazana tutaj jest pełna sekwencja koalescencji pęcherzyków prowadząca do stabilnych w czasie, kontrolowanych symetrią, niesferycznych oscylacji, które można zaobserwować.

Zbliżająca się faza dwóch sferycznie oscylujących pęcherzyków kończy się, gdy cienka warstwa cieczy między dwoma pęcherzykami zostaje rozerwana. Po momencie koalescencji pozostaje pojedynczy pęcherzyk wykazujący niesferyczne oscylacje o złożonym kształcie, odpowiadający przejściowemu reżimowi oscylacji po wzbudzeniu dowolnego układu dynamicznego. Po upływie od kilkunastu do 100 okresów akustycznych kształty oscylacji stabilizują się do oscylacji w stanie ustalonym.

Gdy pęcherzyk zostanie uwięziony i wykazuje stałe oscylacje kształtu, można uchwycić ruch znaczników fluorescencyjnych w pobliżu pęcherzyka. Kiedy występują oscylacje kształtu, ruch cieczy jest wytwarzany w pobliżu granicy faz pęcherzyków. Alternatywny zapis dynamiki granicy faz pęcherzyków w akustycznej skali czasowej oraz ruchu cząstek w niższej skali czasowej pozwala na korelację wzorca mikrostrumienia z daną liczbą modów kształtu.

Jeśli dynamika interfejsu bąbelkowego zawiera dodatkowe tryby, wówczas przepływ mikrostrumieniowy może być znacznie zmodyfikowany ze względu na wiele interakcji między modami, które generowałyby określone wzorce. Aby bezpiecznie skojarzyć wzorzec przepływu z sedacją o danym kształcie, należy pamiętać, że konieczne jest alternatywne uchwycenie dynamiki pęcherzyków i ruchu przepływu. Odkrycia te mogą mieć praktyczne zastosowanie w zastosowaniach neuropatycznych, takich jak dostarczanie leków za pośrednictwem transformacji.

Rzeczywiście, wiadomo, że pęcherzyki akustyczne wywierają na błony komórkowe wywołane przepływem czyste naprężenia, które prowadzą do ich przenikania.