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Nonlinear Behaviour of Microbubbles: Application to their Ultrasonic Detection

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A method allowing the detection and size measurement of steady bubbles included in biological tissues is described. Radial movement of a bubble driven by an ultrasonic wave is determined with the help of the Kirkwood-Bethe-Gilmore equation. Numerical investigation shows that the frequency spectrum of the pressure radiated by the bubble contains a second harmonic with a non-negligible amplitude only when the radius of the bubble is close to the resonant value. The feasibility of the steady-bubble detection method is demonstrated using a transducer which emits an ultrasonic wave of frequency f and a transducer which receives the pressure radiated from the bubble. A lock-in amplifier then extracts the frequency component 2f included in the signal produced by the receiving transducer. In the case of a driven wave with a frequency of 1.6 MHz and an amplitude of 1.45 kPa, a 2nd harmonic with amplitude of 200 mPa is collected at a point 3.3 cm distant from the bubble. In the presence of a bubble distribution, a frequency scan allows measurement of the various sizes of bubbles.

Zusammenfassung

Es wird eine Methode zum Nachweis und zur Messung der Größe von stationären Blasen in biologischen Geweben beschrieben. Die Radialbewegung einer Blase in einer Ultraschallwelle wird mit Hilfe der Kirkwood-Bethe-Gilmore-Gleichung bestimmt. Die numerische Untersuchung zeigt, daß das Frequenzspektrum des von der Blase abgestrahlten Schalls eine zweite Harmonische mit merklicher Amplitude nur dann enthält, wenn der Blasenradius nahe dem Resonanzwert ist. Die Brauchbarkeit der Methode zum Nachweis stationärer Blasen wird mit Hilfe eines Wandlers nachgewiesen, der eine Ultraschallwelle der Frequenz f aussendet und einem Wandler, der den von der Blase abgestrahlten Schalldruck empfängt. Ein Lock-In-Verstär-ker extrahiert die Frequenzkomponente 2f aus dem Ausgangssignal des Empfangswandlers. Im Falle einer Anregungswelle mit einer Frequenz von 1,6 MHz und einer Amplitude von 1,45 kPa wird eine zweite Harmonische mit einer Amplitude 200 mPa in einer Entfernung von 3,3 cm von der Blase erhalten. Bei einer Blasenverteilung erlaubt eine Frequenzänderung die Messung der verschiedenen Blasengrößen.

Sommaire

Dans ce travail on décrit une méthode qui permet de détecter les bulles stationnaires présentes dans les tissus biologiques. Le mouvement radial des bulles est déterminé au moyen de l'équation de Kirkwood-Bethe-Gilmore. Une résolution numérique indique que le spectre fréquentiel de la pression rayonnée par la bulle contient un second harmonique d'amplitude non négligeable seulement quand le rayon de la bulle est proche de la valeur de résonance. La faisabilité expérimentale de la méthode de détection proposée est démontrée en utilisant un transducteur qui émet une onde ultrasonore de fréquence f et un transducteur qui reçoit la pression rayonnée à la fréquence 2f. Un amplificateur synchrone extrait du signal reçu la composante à la fréquence 2f Dans le cas d'une onde excitatrice de fréquence 1,6 MHz et d'amplitude 1,45 kPa, un second harmonique d'amplitude 200 mPa est recueilli à 3,3 cm de la bulle. Dans le cas d'une population de bulles, un balayage en fréquence permet de déterminer les diverses tailles des bulles.
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Document Type: Research Article

Publication date: March 1, 1984

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  • Acta Acustica united with Acustica, published together with the European Acoustics Association (EAA), is an international, peer-reviewed journal on acoustics. It publishes original articles on all subjects in the field of acoustics, such as general linear acoustics, nonlinear acoustics, macrosonics, flow acoustics, atmospheric sound, underwater sound, ultrasonics, physical acoustics, structural acoustics, noise control, active control, environmental noise, building acoustics, room acoustics, acoustic materials, acoustic signal processing, computational and numerical acoustics, hearing, audiology and psychoacoustics, speech, musical acoustics, electroacoustics, auditory quality of systems. It reports on original scientific research in acoustics and on engineering applications. The journal considers scientific papers, technical and applied papers, book reviews, short communications, doctoral thesis abstracts, etc. In irregular intervals also special issues and review articles are published.
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