[論文レビュー] Nonlinear dynamics of acoustic bubbles excited by their pressure dependent subharmonic resonance frequency: oversaturation and enhancement of the subharmonic signal

Amin Jafari Sojahrood, R. Earl+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2019

Ultrasound and Hyperthermia Applications参考文献 72被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、圧力に依存するサハーモニック（SH）共振周波数で励振されるコーティングのない音響バブルの非線形ダイナミクスを調査し、線形共振周波数（fr）の1.5–1.8倍の周囲で超音波を印加すると、サドルノード分岐が発生し、SHおよびアンダーハーモニック（UH）の振幅が増幅されることを示している—UHでは最大7 dB、散乱圧では9.4倍に達する。これにより、超音波応用における対比対組織比と信号対雑音比が向上する。

ABSTRACT

The acoustic bubble is an example of a highly nonlinear system which is the building block of several applications and phenomena ranging from underwater acoustics to sonochemistry and medicine. Nonlinear behavior of bubbles, and most importantly 1/2 order subharmonics (SH), are used to increase the contrast to tissue ratio (CTR) in diagnostic ultrasound (US) and to monitor bubble mediated therapeutic US. It is shown experimentally and numerically that when bubbles are sonicated with their SH resonance frequency (fsh=2fr where fr is the linear resonance frequency), SHs are generated at the lowest excitation pressure. SHs then increase rapidly with pressure increase and reach an upper limit of the achievable SH signal strength. Numerous studies have investigated the pressure threshold of SH oscillations; however, conditions to enhance the saturation level of SHs has not been investigated. In this paper nonlinear dynamics of bubbles excited by frequencies in the range of fr

研究の動機と目的

• 圧力に依存するサハーモニック（SH）共振周波数近傍で励振されるコーティングのない音響バブルの非線形ダイナミクスを理解すること。
• 従来の2frでの励振を超えて、SHおよびアンダーハーモニック（UH）信号の上側飽和限界を高める条件を同定すること。
• バブルの破壊を伴わずに信号増幅を引き起こす分岐メカニズム、特にサドルノード分岐を特定すること。
• 診断および治療応用における非破壊的SHおよびUH振幅を最大化するための超音波露出パラメータを最適化すること。
• まず単純なコーティングのないバブル系を特徴づけることで、コーティング済バブルの研究の基盤を築くこと。

提案手法

• 自由バブル（400 nm – 8 µm）に対して、変動する励振周波数（fr < f < 2fr）および圧力の下でレイリー＝プリュッセ方程式の数値シミュレーションを実施。
• 周波数および圧力スイープを用いた分岐構造の解析により、振動状態（P1, P2）間の遷移および周期倍増（PD）の発生を同定。
• サドルノード分岐が、低振幅から高振幅のSH振動への遷移を引き起こすメカニズムとして特定。
• 異なる励振周波数および圧力における散乱圧、壁速度、および高調波振幅（SHおよびUH）の定量的評価。
• 診断的超音波における信号増幅の可能性を評価するために、振幅変調（AM）イメージングの原則を応用。
• 熱的減衰およびバブル同士の相互作用を除外することで、孤立したコーティングのないバブルの固有の非線形ダイナミクスを分離。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バブルのサハーモニック共振周波数は、励振圧力にどのように依存するか？
• RQ2 バブルの破壊を伴わずに、サハーモニックおよびアンダーハーモニック放射の振幅を最大にする励振周波数および圧力領域は何か？
• RQ3 非線形駆動バブルにおけるSHおよびUH信号の増幅を引き起こす分岐メカニズムは何か？
• RQ4 圧力に依存するfshで励振する場合と、固定された2frで励振する場合とを比較したとき、SHおよびUH信号の上側飽和限界はどのように異なるか？
• RQ5 励振周波数を1.5–1.8frに調整することで、信号対雑音比および対比対組織比を向上させられるか？

主な発見

• サハーモニック共振周波数（fsh）は圧力に依存し、励振圧力が高くなるほど低下する。
• f ≈ 1.5–1.8frで励振すると、サドルノード分岐が発生し、バブルはP1/P2状態から高振幅のP2振動状態に遷移する。
• この分岐に伴い、1 µmバブルではアンダーハーモニック（UH）振幅が7 dB増加し、散乱圧は9.4倍に増幅される。
• 固定された2frではなく、圧力に依存するfshで励振することで、SHおよびUH信号の上側飽和限界が顕著に向上する。
• 非破壊的SH振幅の最大値はf ≈ 1.5–1.8frで達成され、超音波画像診断における対比対組織比と信号対雑音比が向上する。
• 振幅変調（AM）イメージングは、この増幅効果により恩恵を受ける。これは、サドルノード閾値の上下で圧力が変化すると、残留バブル信号が増幅され、同時に組織応答が抑制されるためである。