Publication: Experimental and analytical study of the interaction between short acoustic pulses and small clouds of microbubbles
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Publication date
2015-06
Defense date
2015-07-24
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Abstract
Bubbles appear in many technological and industrial applications, in the fields of medicine, pharmacology, material science and in the chemical industry. In medicine, microbubbles are used as contrast agents in combination with ultrasound waves, since they enhance the backscatterd signal, improving the quality of the images.
They are also applied in novel therapeutical techniques oriented to the elimination of thrombi or to tumor ablation, since they can be selectively driven towards precise targets. These important applications emphasize the relevance of knowing the physical behavior of bubbles under ultrasound waves.
One of the most important properties of bubbles is that they behave as oscillators when they are excited with a pressure wave, and they can act as nonlinear resonators. The resonance frequency of a bubble is strongly related to its size, but also to the properties of the surrounding medium, being the ambient pressure one of the most relevant ones. In theory, analyzing the acoustical spectrum of a bubble and determining the resonance frequency, we can determine the pressure of the medium.
This is precisely the main goal of this thesis: to study the accuracy with which the pressure can be determined.
It is well known that an isolated bubble subjected to ultrasound behaves differently than a group of bubbles forming a cloud and interacting among them. Consequently, their acoustic responses are totally different. This means that the knowledge acquired when studying a single bubble cannot directly be applied to a cloud. Nevertheless, under some conditions multiple interactions among neighboring bubbles can be neglected, and the collective response can be approximated as the addition of the individual response of each of the bubbles forming the cloud. But even in this case, the response will be different depending on the properties of the cloud. In this thesis, we study the influence of the properties of the bubble cloud on the acoustical response and on the resonance frequency.
In the first part of the thesis, we explain the different equations used to model the oscillatory motion of bubbles under the influence of ultrasound waves. We then focus on collective effects present in clouds of bubbles in order to determine under which conditions these effects can be neglected, concluding that if the cloud is very diluted, multiple interactions do not significantly affect its properties. We also examine the importance of the thermal effects in the acoustic response of bubbles, concluding that these cannot be ignored since they play a fundamental role in the damping of the bubble oscillations and consequently in the acoustic response.
In the second part, we study numerically the acoustic spectra of different polydisperse bubble clouds. We examine how the parameters of the size distribution affect the spectra and consequently the accuracy in the determination of the resonance frequency.
We are also interested in selecting the acoustic excitation parameters that maximize the response of the bubbles. We conclude that bubble populations with a small polydispersion have a stronger acoustic response than highly polydisperse clouds. Moreover, we found that to use a frequency chirp is the best option to excite the resonance behavior of the bubbles. In order to find a less expensive method—from the computational point of view—to study the acoustic spectrum of bubble clouds, we developed an analytic formulation for the pressure radiated by a cloud, based on a linear analysis of the equations.
In the third part of the thesis, hydrogen microbubbles are generated using water electrolysis. We show how mini clusters of bubbles with a size of a few tens of microns can be produced in an easy and inexpensive manner. The technique consists of using a train of short intensity pulses to produce the electrolysis, instead of using a continuous voltage. In this way, only a few bubbles are produced. Moreover, they are sufficiently distant from each other to be considered as isolated.
The bubbles produced by electrolysis are used to study experimentally the displacement suffered by the bubble as a consequence of the radiation force produced by an ultrasound wave. In chapter 6, we study the displacement achieved by bubbles of different sizes, as well as the maximum velocities that they attain. The most relevant result is that a same bubble, subjected to two consecutive and identical pulses, can reach different maximum velocities and consequently can experience different displacements. Through a numerical study of the Bjerknes force, we show that the initial condition of the velocity of the bubble has a significant effect on the experienced radiation force, and therefore on the maximum velocity.
Finally, monodisperse microbubbles produced using flow-focusing techniques are excited with an ultrasound wave. Their backscatterd signal is analyzed in order to detect their resonance frequency. Although we are able to detect a peak around the expected resonance frequency in some cases, unfortunately no conclusive results are obtained, as shown in chapter 4.
Las burbujas aparecen en numerosas aplicaciones tecnológicas e industriales, en el campo de la medicina, farmacología, ciencia de los materiales o en la industria química. En medicina, las microburbujas son usadas como agentes de contraste en combinación con ultrasonidos, puesto que aumentan el eco de la señal recibida, mejorando así la calidad de las imágenes ecográficas. Actualmente además se están aplicando a nuevas técnicas terapéuticas orientadas a la eliminación de trombos, puesto que estos agentes de contraste pueden ser dirigidos selectivamente hacia zonas específicas. Estas importantes aplicaciones ponen de manifiesto la relevancia de conocer como se comportan las burbujas ante los ultrasonidos. Una de las propiedades más importantes de las burbujas es que se comportan como osciladores cuando son sometidas a una onda de presión, pudiendo actuar como resonadores no lineales. La frecuencia de resonancia de una burbuja está muy relacionada con su tamaño, pero también a las propiedades del medio que la rodea, especialmente a la presión del ambiente. En teoría, analizando el espectro acústico de una burbuja y detectando su frecuencia de resonancia en él, la presión ambiente podría ser determinada. Este es precisamente el principal objetivo de esta tesis: determinar con cuánta precisión la presión ambiente podría ser determinada. Una burbuja aislada que está sometida a ultrasonidos se comporta de manera muy diferente que un grupo o nube de burbujas que interactúan entre ellas. Como consecuencia, sus respuestas acústicas serán totalmente diferentes. Esto lamentablemente implica que el conocimiento adquirido al estudiar una única burbuja no puede ser extrapolado directamente a una nube de burbujas. Sin embargo, en algunas circunstancias las interacciones múltiples entre burbujas de un grupo pueden despreciarse, y calcular la respuesta colectiva como la suma de las respuestas individuales de cada una de las burbujas de la nube. Incluso en este caso, las propiedades de la nube afectarán mucho a la respuesta colectiva. En esta tesis, estudiaremos la influencia de las propiedades de la nube de burbujas en la respuesta acústica y por ende, en la frecuencia de resonancia. En la primera parte de la tesis, explicamos las diferentes ecuaciones usadas para modelar el movimiento oscilatorio de las burbujas sometidas a campos de ultrasonidos. Posteriormente evaluamos los efectos colectivos presentes en nubes de burbujas para determinar bajo qué condiciones estos efectos pueden ser despreciados, concluyendo que para nubes de burbujas muy diluidas las interacciones múltiples entre burbujas son insignificantes y pueden obviarse. Además, examinamos la importancia de los efectos térmicos en la respuesta acústica de las burbujas, llegando a la conclusión de que estos no pueden ignorarse puesto que desempeñan un papel fundamental en el amortiguamiento de las burbujas y por tanto en su respuesta acústica. En la segunda parte de la tesis, estudiamos numéricamente los espectros acústicos de distintas poblaciones de burbujas. Examinamos la influencia de los parámetros de la distribución de tamaños de la población sobre el espectro acústico y consecuentemente, sobre la frecuencia de resonancia. Además nos interesa seleccionar los parámetros de la excitación acústica que son más idóneos para maximizar la respuesta de la nube de burbujas. Se concluye que las poblaciones de burbujas que tienen una pequeña dispersión en tamaños tienen una respuesta acústica más fuerte que las poblaciones muy polidispersas. Además, afirmamos que el uso de un chirp en frecuencia es la mejor opción para excitar una nube de burbujas. Por último, realizamos una formulación analítica y lineal para poder calcular de una forma sencilla, desde el punto de vista computacional, el espectro acústico de una nube de burbujas. En la tercera parte de la tesis, generamos microburbujas de hidrógenos por medio de electrólisis del agua. Mostramos como producir pequeñas nubes de burbujas, con diámetros comprendidos en las decenas de micras, de una forma sencilla y económica. La técnica consiste en usar pulsos eléctricos muy cortos para producir la electrólisis, en vez de aplicar un voltaje continuo. De esta forma, sólo unas pocas burbujas son producidas en cada pulso. Además, están lo suficientemente alejadas unas de otras para considerarse como burbujas aisladas. Las burbujas generadas por electrólisis se usan para estudiar experimentalmente el desplazamiento sufrido por una burbuja como consecuencia de la fuerza de radiación primaria que induce el ultrasonido. En el capítulo 6, estudiamos tanto el desplazamiento como la velocidad máxima alcanzada por burbujas de distinto tamaño. El resultado más relevante es, sin duda, que una misma burbuja sometida a pulsos consecutivos e iguales, alcanza distintas velocidades máximas y desplazamientos en cada pulso. Mediante un estudio numérico de la fuerza de Bjerknes, demostramos cómo las condiciones iniciales en la velocidad y aceleración de la burbuja tienen un efecto muy significativo en la fuerza de Bjerknes experimentada, y por tanto, en la máxima velocidad alcanzada. Finalmente, microburbujas monodispersas producidas usando técnicas de flowfocusing son excitadas con ultrasonidos. La señal dispersada por éstas es analizada con el objetivo de detectar su frecuencia de resonancia. Aunque en algunos casos somos capaces de detectar un pico en el espectro alrededor de la frecuencia de resonancia, lamentablemente no obtuvimos resultados concluyentes con eta técnica, como se explica en el capítulo 4.
Las burbujas aparecen en numerosas aplicaciones tecnológicas e industriales, en el campo de la medicina, farmacología, ciencia de los materiales o en la industria química. En medicina, las microburbujas son usadas como agentes de contraste en combinación con ultrasonidos, puesto que aumentan el eco de la señal recibida, mejorando así la calidad de las imágenes ecográficas. Actualmente además se están aplicando a nuevas técnicas terapéuticas orientadas a la eliminación de trombos, puesto que estos agentes de contraste pueden ser dirigidos selectivamente hacia zonas específicas. Estas importantes aplicaciones ponen de manifiesto la relevancia de conocer como se comportan las burbujas ante los ultrasonidos. Una de las propiedades más importantes de las burbujas es que se comportan como osciladores cuando son sometidas a una onda de presión, pudiendo actuar como resonadores no lineales. La frecuencia de resonancia de una burbuja está muy relacionada con su tamaño, pero también a las propiedades del medio que la rodea, especialmente a la presión del ambiente. En teoría, analizando el espectro acústico de una burbuja y detectando su frecuencia de resonancia en él, la presión ambiente podría ser determinada. Este es precisamente el principal objetivo de esta tesis: determinar con cuánta precisión la presión ambiente podría ser determinada. Una burbuja aislada que está sometida a ultrasonidos se comporta de manera muy diferente que un grupo o nube de burbujas que interactúan entre ellas. Como consecuencia, sus respuestas acústicas serán totalmente diferentes. Esto lamentablemente implica que el conocimiento adquirido al estudiar una única burbuja no puede ser extrapolado directamente a una nube de burbujas. Sin embargo, en algunas circunstancias las interacciones múltiples entre burbujas de un grupo pueden despreciarse, y calcular la respuesta colectiva como la suma de las respuestas individuales de cada una de las burbujas de la nube. Incluso en este caso, las propiedades de la nube afectarán mucho a la respuesta colectiva. En esta tesis, estudiaremos la influencia de las propiedades de la nube de burbujas en la respuesta acústica y por ende, en la frecuencia de resonancia. En la primera parte de la tesis, explicamos las diferentes ecuaciones usadas para modelar el movimiento oscilatorio de las burbujas sometidas a campos de ultrasonidos. Posteriormente evaluamos los efectos colectivos presentes en nubes de burbujas para determinar bajo qué condiciones estos efectos pueden ser despreciados, concluyendo que para nubes de burbujas muy diluidas las interacciones múltiples entre burbujas son insignificantes y pueden obviarse. Además, examinamos la importancia de los efectos térmicos en la respuesta acústica de las burbujas, llegando a la conclusión de que estos no pueden ignorarse puesto que desempeñan un papel fundamental en el amortiguamiento de las burbujas y por tanto en su respuesta acústica. En la segunda parte de la tesis, estudiamos numéricamente los espectros acústicos de distintas poblaciones de burbujas. Examinamos la influencia de los parámetros de la distribución de tamaños de la población sobre el espectro acústico y consecuentemente, sobre la frecuencia de resonancia. Además nos interesa seleccionar los parámetros de la excitación acústica que son más idóneos para maximizar la respuesta de la nube de burbujas. Se concluye que las poblaciones de burbujas que tienen una pequeña dispersión en tamaños tienen una respuesta acústica más fuerte que las poblaciones muy polidispersas. Además, afirmamos que el uso de un chirp en frecuencia es la mejor opción para excitar una nube de burbujas. Por último, realizamos una formulación analítica y lineal para poder calcular de una forma sencilla, desde el punto de vista computacional, el espectro acústico de una nube de burbujas. En la tercera parte de la tesis, generamos microburbujas de hidrógenos por medio de electrólisis del agua. Mostramos como producir pequeñas nubes de burbujas, con diámetros comprendidos en las decenas de micras, de una forma sencilla y económica. La técnica consiste en usar pulsos eléctricos muy cortos para producir la electrólisis, en vez de aplicar un voltaje continuo. De esta forma, sólo unas pocas burbujas son producidas en cada pulso. Además, están lo suficientemente alejadas unas de otras para considerarse como burbujas aisladas. Las burbujas generadas por electrólisis se usan para estudiar experimentalmente el desplazamiento sufrido por una burbuja como consecuencia de la fuerza de radiación primaria que induce el ultrasonido. En el capítulo 6, estudiamos tanto el desplazamiento como la velocidad máxima alcanzada por burbujas de distinto tamaño. El resultado más relevante es, sin duda, que una misma burbuja sometida a pulsos consecutivos e iguales, alcanza distintas velocidades máximas y desplazamientos en cada pulso. Mediante un estudio numérico de la fuerza de Bjerknes, demostramos cómo las condiciones iniciales en la velocidad y aceleración de la burbuja tienen un efecto muy significativo en la fuerza de Bjerknes experimentada, y por tanto, en la máxima velocidad alcanzada. Finalmente, microburbujas monodispersas producidas usando técnicas de flowfocusing son excitadas con ultrasonidos. La señal dispersada por éstas es analizada con el objetivo de detectar su frecuencia de resonancia. Aunque en algunos casos somos capaces de detectar un pico en el espectro alrededor de la frecuencia de resonancia, lamentablemente no obtuvimos resultados concluyentes con eta técnica, como se explica en el capítulo 4.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Bubble clouds, Microbubbles, Acoustic pulses