[论文解读] 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 4

一句话总结

本文研究了在压力依赖性亚谐波（SH）共振频率下激励的未涂层声学空化泡的非线性动力学，表明在约1.5–1.8倍线性共振频率（fr）的超声照射下会引发鞍结分岔，导致亚谐波（SH）和超谐波（UH）振幅增强——超谐波振幅最高提升7 dB，散射压力最高提升9.4倍，从而在超声应用中提高对比度-组织比和信噪比。

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

研究动机与目标

• 理解未涂层声学空泡在接近其压力依赖性亚谐波（SH）共振频率时的非线性动力学行为。
• 识别在2fr常规激励之外，能够提升SH和超谐波（UH）信号上限饱和度的条件。
• 探索导致信号增强但不引起空泡破裂的分岔机制，特别是鞍结分岔。
• 优化超声照射参数，以在诊断和治疗应用中最大化非破坏性SH和UH振幅。
• 通过首先表征更简单的未涂层空泡系统，为后续研究涂层空泡奠定基础。

提出的方法

• 对自由空泡（400 nm – 8 µm）在不同激励频率（fr < f < 2fr）和压力条件下，基于雷利-普莱斯特定律方程进行数值模拟。
• 通过频率和压力扫描分析分岔结构，识别振荡模式（P1, P2）之间的转换以及周期倍增（PD）的起始。
• 将鞍结分岔识别为从低振幅向高振幅SH振荡转变的机制。
• 量化不同激励频率和压力下的散射压力、壁面速度及谐波振幅（SH和UH）。
• 应用振幅调制（AM）成像原理，评估在诊断超声中信号增强的潜力。
• 排除热阻尼和空泡-空泡相互作用的影响，以隔离孤立未涂层空泡的内在非线性动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 空泡的亚谐波共振频率如何随激励压力变化？
• RQ2 何种激励频率和压力范围可在不引起空泡破裂的前提下最大化亚谐波和超谐波辐射的振幅？
• RQ3 非线性驱动空泡中SH和UH信号增强背后的分岔机制是什么？
• RQ4 与传统的2fr激励相比，在压力依赖性SH共振频率下激励时，SH和UH信号的上限饱和度有何差异？
• RQ5 通过将激励频率调谐至1.5–1.8fr，是否可改善信噪比和对比度-组织比？

主要发现

• 亚谐波共振频率（fsh）具有压力依赖性，且随激励压力增加而降低。
• 在f ≈ 1.5–1.8fr处进行超声照射会引发鞍结分岔，使空泡从P1/P2模式转变为更高振幅的P2振荡模式。
• 该分岔伴随超谐波（UH）振幅提升7 dB，且1 µm空泡的散射压力提升9.4倍。
• 与固定2fr激励相比，在压力依赖性fsh处激励可显著提升SH和UH信号的上限饱和度。
• 在f ≈ 1.5–1.8fr处可获得最高的非破坏性SH振幅，从而在超声成像中提升对比度-组织比和信噪比。
• 振幅调制（AM）成像可受益于该增强效应，因在鞍结分岔阈值上下方的压力变化可增强残留空泡信号，同时抑制组织响应。