Reaktion eines ultrasonically aufgeregt Blase in der Nähe von
eine feste starre Objekt
Hongyu Miao
Department of Mechanical Engineering, University of Rochester, Rochester, New York 14627
Sheryl M. Gracewskia)
Departments of Mechanical Engineering and Biomedical Engineering, und Rochester Center for Biomedical
Ultraschall, University of Rochester, Rochester, New York 14627
Zusammenfassung: Verschiedene unabhängige Studien deuten darauf hin, dass Echo-Kontrastmittel
können die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass der Ultraschall-bioeffects. Um besser zu verstehen bioeffects
mit Kavitation, eine zweidimensionale Grenzschicht-Elemente-Modell wurde
verwendet zu simulieren ultrasonically aufgeregt Blase Verhalten in der Nähe von einem starren Objekt,
entweder ein Flugzeug, Kugel, oder Diskette, die ungefähre Größe eines roten Blutkörperchen. Wie die
Abstand zwischen dem Objekt und erhöht die Blase, die Blase wird Zusammenbruch
mehr sphärisch symmetrischen, Erzeugnisse mit höherer maximaler Druck-Blase.
Druck-und Geschwindigkeits-Felder um ein Zusammenbrechen Blase in der Nähe von einem starren Festplatte
sind im Vergleich zu zwei Distanzen, die zeigen Unterschiede zwischen mehr
sphärisch symmetrischen und asymmetrischen Blase kollabiert.
© 2005 Acoustical Society of America
PACS-Nummern: 43.80.Gx, 43.35.Ei, 43.35.Wa, 43.25.Yw
Eingangsdatum: 15. Januar 2005 akzeptierte Datum: April 7, 2005
1. Einleitung
Echo-Kontrastmittel bestehen aus Suspensionen von mikroskopischen stabilisiert Gas Einrichtungen, die zu mehr
echogenicity von Blut gefüllt-Regionen während der diagnostischen Ultraschall-Bildgebung. Zahlreiche
unabhängige Studien deuten darauf hin, dass Hämolyse und Zellschädigung Endothelzellen sind deutlich
in der verstärkten Präsenz von Echo-Kontrast agents.1-3 Daher ist ein besseres Verständnis der
Interaktion zwischen ultrasonically aufgeregt Echo-Kontrastmittel und Zellen in der Nähe ist notwendig, um
bestimmen die Mechanismen der Hämolyse.
Die meisten früheren numerische Simulationen von Blase Dynamik in der Nähe von festen Objekten prüfen
Funke, Laser oder eine Explosion erzeugte bubbles.4, 5 wenige Studien über die Reaktion eines Gases
Blase in der Nähe von einer starren Grenze zu einem oszillierenden Druck field.6-8
In diesem Papier, die Wirkung von einem nahe gelegenen Objekt auf die Reaktion eines ultrasonically begeistert
Blase untersucht. Ein axialsymmetrische Randelementmethode wurde zur Simulation der
Antwort eines in der Nähe von Blase (1) eine unendliche Wand starren, (2) ein starres stationäre Festplatte die ungefähre
Größe eines menschlichen roten Blutkörperchen, und (3) ein starres stationären Bereich mit annähernd gleichen
Volumen als menschliche rote Blutkörperchen. Die Wirkung der Abstand zwischen der Blase und starren Objekt auf
die Blase maximal Zusammenbruch Druck und Form wurde untersucht. Auch die Druck-und
Geschwindigkeit Wiesen rund um die Blase und die feste starre Objekt sind im Vergleich zu einer asymmetrischen
Zusammenbruch und eine etwa sphärisch symmetrischen Zusammenbruch zu illustrieren den Unterschied
zwischen den beiden Fällen.
2. Methoden und Ergebnisse
Die Wechselwirkung eines ultrasonically aufgeregt Blase mit einem in der Nähe festen starren Objekt
untersucht mit Hilfe der zweidimensionalen axialsymmetrische Randelementmethode 2DynaFS ©
(DynaFlow Inc., Jessup, MD). Für Einzelheiten über die Grenze Element Formulierung verwendet, um
Blase untersuchen, Dynamik, wird der Leser auf Referenz. 9.
Die Antworten einer Blase in der Nähe einer unendlichen starre Wand, ein stationäres starre Platte, und eine feste
a) E-Mail: grace@me.rochester.edu
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starren Kugel untersucht werden in diesem Papier. Schematische Diagramme dieser Geometrien sind in
Abb.. 1. Die Abmessungen der Platte sind starr auf der Grundlage der durchschnittlichen menschlichen roten Blutkörperchen dimensions.10
Die Festplatte ist Radius 4,0 mm und die Dicke 1,73 mm. Der Radius der starren Kugel ist 2,75
mm, ausgewählt, um ungefähre eine typische menschliche rote Blutkörperchen Lautstärke. Das Gleichgewicht Umkreis von
die Blase ist gleich 1,5 mm, eine typische Größe für ein Echo Kontrast agent.11 Die Blase wird ausgesetzt
zu einer Ultraschall-Anwendung Erregung im Unendlichen mit 1-MHz-Frequenz und Amplitude 0,2 Druck
MPa. Dieser Druck Amplitude wurde gewählt, weil es knapp über der Trägheitskräfte Kavitation
Schwelle vorhergesagt durch die Rayleigh-Plesset model.12 Die Entfernung zwischen dem ursprünglichen Blase
Zentrum und den obersten Punkt des starren Objekt ist definiert als h. Die Ergebnisse werden für h
zwischen 3,5 und 15,0 mm.
Im Modell wird die Host-Flüssigkeit wird davon ausgegangen, inkompressibler, inviscid, und irrotational. Der
Gas im Inneren der Blase folgt die polytropic Gas-Gesetz, mit der Dichte und Druck davon ausgegangen,
einheitlich im gesamten bubble.13 Andere konstante Werte für diese Simulationen sind r0
51000 kg/m3, P051.013105 Pa, s = 0,077 N / m, G = 1,4, wo r0 ist die Dichte der Flüssigkeit, die P0
Umgebungs-Druck, n die Oberflächenspannung der Flüssigkeit und G der polytropic Exponent des Gases.
Abbildung 2 (a) zeigt die Blase Radius im Vergleich zur Zeit-Kurven für eine Blase in der Nähe eines festen starren
Festplatte im h55.0mm und h510.0mm. Die Blase erweitert, weil die ersten Ultraschall-sinusförmige
Abb.. 1. Schematische Diagramme zeigen eine Seifenblase (a) in der Nähe einer unendlichen starre Wand, (b) in der Nähe eines starren Festplatte;
(c) in der Nähe von einer starren Kugel.
Abb.. 2. (a) Bubble Reaktionen in der Nähe eines festen starren Festplatte. Bubble Radius im Vergleich zur Zeit für asymmetrische
(h55.0mm, feste Kurve) und mehr sphärisch symmetrischen (h510.0mm, gestrichelte Kurve) Blase
Schwingungen, (b) erweiterten Teil-Blase Zusammenbruch rund um den gewählten Punkte für Druck
Bereich Grundstücke.
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Erregung beginnt mit der negativen Phase. Wie bereits erwähnt, ist die Ultraschall-Druck verwendet wird
knapp über der Schwelle Inertial Kavitation, so dass die Blase weitet sich zu etwas mehr als zwei Mal seine ursprüngliche
Radius und bricht schnell. Diese Radius im Vergleich zur Zeit Kurven sind auch Vertreter der
Antwort für andere Werte von H. Abbildung 2 (b) erweitert die Blase Zusammenbruch Phase. Die schwarzen Quadrate
angeben, mal in der Druck Felder sind gezeichnet später in diesem Papier.
Abbildung 3 zeigt den Einfluss der Entfernung h auf die maximale Blase Zusammenbruch
Druck. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass, wenn der Abstand zwischen der Blase und der feste starre
Objekt erhöht, die maximale Zusammenbruch Druck im Inneren der Blase erhöht. Mit anderen Worten, die
Anwesenheit des starren Objekt tatsächlich mildert die maximale Druck-Blase im Kollaps. Wie die
Abstand h erhöht, die Kurven asymptotisch nähern sich der maximale Druck Zusammenbruch gleich
zu 185 MPa.
Abbildung 4 zeigt die Blase Formen, wenn die Blase erreicht ihren Mindestmenge für
verschiedene Werte des ursprünglichen Abstand h. Die maximale Druck-Blase tritt auf, wenn die
Abb.. 3. Maximale Blase Zusammenbruch Druck versus Abstand h zu einer Blase in der Nähe einer unendlichen Wand
(fest), in der Nähe eines starren Platte (gestrichelt), und in der Nähe einer starren Kugel (gestrichelt).
Abb.. 4. Bubble Formen im Moment eine Blase erreicht ihren Mindestmenge für verschiedene Werte des
der Abstand H.
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Mindestmenge erreicht wird. Die Flächen weisen darauf hin, dass, je näher eine Seifenblase ist ein starres Objekt, das
mehr asymmetrischen Kollaps der Blase. Kombiniert mit Abb.. 3, festgestellt wird, dass die sphärische
Zusammenbruch der Blase, desto höher ist der maximale Druck zusammenbrechen.
Druck und Geschwindigkeit Felder sind gezeichnet vergleichen die asymmetrische (h55.0mm) und
mehr sphärisch symmetrischen (h510.0mm) Blase Zusammenbruch für eine Blase in der Nähe eines starren Festplatte. Der
Druck Felder sind in Abb. verglichen. 5 und Abb.. 6 für die Zeiten von den schwarzen Quadrate in
Abb.. 2 (b).
Wie in Abb.. 5 (a), kurz vor dem JET Bildung für die Blase an h55.0mm, ein highpressure
Region entwickelt wird oberhalb der Blase (wegen der Trägheit der Flüssigkeit), während der Druck
unterhalb der Blase nach wie vor relativ niedrig. Abbildung 5 (b) zeigt, dass im selben Augenblick für die
Blase in h510.0mm, der Druck ist fast sphärisch symmetrischen. Zu diesem Zeitpunkt,
die Blase Druck ist mehr als 5 mal grösser für die Blase an h510.0mm als für die Blase
in h55.0mm, auch wenn der maximale Druck auf die umliegenden Flüssigkeit vergleichbar ist. In
Feigen. 5 und 6, das Insert zeigt einen erweiterten Blick auf den Bereich Druck am oberen Rand der Blase.
In der INSERT, die Blase ist grau, um anzuzeigen, seine Grenzen. Der Druck im Inneren der Blase und pbub
den Umgebungsdruck (plus Ultraschall atmosphärischen Druck) PAMB beschriftet sind in der oberen linken
Ecke des Grundstücks.
Abbildung 6 zeigt die Einzelheiten der Druck im Bereich der Moment der Blase erreicht ihren
Mindest-Volumen. Für die eher sphärisch symmetrischen Zusammenbruch in Bild. 6 (b) (h
510.0mm), dem höchsten Druck (185 MPa) tritt innerhalb der Blase. Allerdings ist für die
asymmetrische Zusammenbruch wie in Abb.. 6 (a) (h55.0mm), dem höchsten Druck (96 MPa) tritt auf
in den Wasserstrahl. Ein höherer Druck vorhergesagt wird auf der Platte, für h55.0mm als für h
510.0mm, vor allem, weil die Festplatte ist näher an der Blase. Um zu verstehen, den Schaden
Mechanismus, wenn die Blase liegt in der Nähe eines Objekts, die Berechnung muss weiter ausgebaut
Abb.. 5. Field Druck (Pa) für eine Blase in der Nähe eines starren Festplatte. (a) Feld Druck (Pa) im Moment
(0,736 ms) kurz vor der Jet beginnt zu bilden für ein asymmetrisches Blase Zusammenbruch (h55.0mm), (b)
Bereich Druck für eine sphärisch symmetrischen Blase Zusammenbruch (h510.0mm) gleichzeitig
(0,736 ms).
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Zeit und die Eigenschaften des Jet müssen mehr in vollem Umfang verstanden. Dies würde den Rahmen
die vorliegende Papier.
Velocity Wiesen rund um die Blase für beide asymmetrisch (h55.0mm) und mehr
sphärisch symmetrischen (h510.0mm) Zusammenbruch sind in Abb.. 7. Die Felder sind axialsymmetrische,
so dass nur die linke Hälfte des einen Querschnitt durch das Zentrum der Spekulationsblase ist gezeichnet. Die Achse der
Symmetrie liegt am rechten Rand des jeweiligen Grundstücks. Bei klarer Sicht, die Größe der Blase und der
Länge der Geschwindigkeits-Vektoren sind so eingestellt, dass der Rahmen passen. Die Geschwindigkeits-Vektor-Skala und die
Vergrößerungsfaktor (MF) in Bezug auf die erste Handlung sind in der linken oberen Ecke eines jeden
Handlung. Die Zeit ist unter der Bezeichnung jedes Grundstück. Die Geschwindigkeit wird darauf hingewiesen, Vektor mit seinem Schwanz zeitgleich
mit dem Feld.
In Abb.. 7, die Geschwindigkeit Felder sind ähnliche Blase während der Expansion für beide h55.0mm
und h510.0mm. Die Geschwindigkeit Feld zeigt mehr Asymmetrie zu Beginn des Zusammenbruchs für h
55.0mm als für h510.0mm. Das Ausmaß des Zusammenbruchs Geschwindigkeiten ist ähnlich wie bei den beiden
Fälle, sondern viel mehr für asymmetrische h55.0mm. Die Größenordnung der Geschwindigkeit der Jet erstellt
nach Zusammenbruch der Spekulationsblase im h55.0mm ist in der Reihenfolge der Blase Zusammenbruch Geschwindigkeiten. Bei
Mindest-Volumen, für h510.0mm, die Blase Form noch etwa sphärische;
jedoch die Geschwindigkeit Bereich nun einige Exponate Asymmetrie.
3. Zusammenfassung und Diskussion
Eine Randelementmethode wurde zur Simulation der Reaktion eines ultrasonically begeistert
Blase in der Nähe von einem starren Objekt. Drei verschiedene Objekte wurden in den Simulationen: (1) eine unendliche
Flugzeug, (2) einer Festplatte die ungefähre Größe und Form einer menschlichen roten Blutkörperchen, und (3) eine Kugel mit
das gleiche Volumen wie eine menschliche rote Blutkörperchen. Da die Entfernung zwischen der Blase und starren Objekt
Rückgänge, die Blase Zusammenbruch wird asymmetrisch, was eine niedrigere maximale
Abb.. 6. Field Druck (Pa) für eine Blase in der Nähe eines starren Festplatte im Moment die Blase erreicht ihren
Mindest-Volumen. (a) Für die asymmetrischen Kollaps (h55.0mm und Zeit = 0,741 ms), (b) für den
ca. sphärisch symmetrischen Kollaps (h510.0mm und Zeit = 0,739 ms).
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Abb.. 7. Velocity Bereichen der Spekulationsblase für (a) asymmetrische Zusammenbruch (h55.0mm) und (b) mehr sphärisch
symmetrischen Kollaps (h510.0mm). Die Achse der Symmetrie liegt am rechten Rand des jeweiligen Grundstücks.
Die Geschwindigkeits-Vektor-Skala und die Vergrößerung Faktor (MF) in Bezug auf die erste Handlung sind da
in der oberen linken Ecke des jeweiligen Grundstücks.
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149 Arlo 6 (3), Juli 2005 1529-7853/05/6 (3) / 149 / 7 / $ 22,50 © 2005 Acoustical Society of America 149
Zusammenbruch Druck im Inneren der Blase, wie in Abb.. 2. Für einen bestimmten Abstand, der
Kugel hatte den am wenigsten und die unendliche Flugzeug hatte den größten Einfluss auf die Blase Antwort.
Druck und Geschwindigkeit Wiesen rund um die Blase wurden im Vergleich zu einer fast symmetrischen
Kollaps (h510.0mm) und eine asymmetrische Zusammenbruch (h55.0mm) in der Nähe eines starren Festplatte. Der
Druck auf die Festplatte ist; 40% mehr für die Blase an h55mm als für die Blase bei H
510mm, durch die Schaffung des Wasserstrahls und die kürzere Distanz. Deshalb sind für kleine
bubble-Zelle Trennungen, die Strahlen durch die asymmetrische Zusammenbruch produzieren können höhere lokalisierten
betont, auf einer Zelloberfläche. Bei größeren Blase-Zell-Trennungen, desto mehr symmetrisch
symmetrische Zusammenbruch produzieren können höhere Gas-Druck und somit höhere Belastungen in den Bereichen Moleküle in
Flüssigkeit. Simulationen Bubble-Zell-Interaktion über ein breiteres Spektrum von Geometrien und Ultraschall
Frequenzen und Amplituden Druck erforderlich sind, um eine breitere Auswirkungen auf bioeffects. In
Außerdem ist es wichtig, diese Untersuchung zu dem Modell einer Blase in der Nähe eines verformbaren
Objekt betont, so dass innerhalb von Zellen kann vorhergesagt werden. Vorläufige numerische Untersuchungen für eine Seifenblase
Interaktion mit einem verformbaren Zelle sind in den Quellen. 14 und 15. Auch diese Arbeiten sollten
erweitert, um die Auswirkungen der Wasserstrahl auf der Zelloberfläche.
Danksagung
Die Autoren dankbar anerkennen hilfreich Diskussionen mit Edwin Carstensen und viele
Mitglieder des Rochester Center for Biomedical Ultraschall. Diese Arbeit wurde unterstützt von NIH
Research Grants R37CA39230-28, R37EB00213-28, und R01HL69824.
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