单缝共振超声场的微粒操控理论仿真与实验研究

发布时间：2020-06-27 07:01

【摘要】：声辐射力主要是由于声波携带的动量在声场与微粒间发生交换,导致声场中的微粒受到力的作用,该力可以用于无损、非接触操控微粒,是超声给药、声操控等技术的物理基础,这些技术在生物医学工程、微加工等领域具有重要的应用前景。声场形态是影响声辐射力性能的主要因素之一。因此,在医学超声中研究各种超声声场形态下的声辐射力,可以为实现超声给药,获得优化声操控技术提供理论支持。自由超声声场中,如平面波场、驻波场、Bessel束等,物体所受到的声辐射力已经得到了广泛的理论和实验研究。然而,受解析计算方法限制,迄今为止,复杂声场(无法解析表达)中物体所受到的声辐射力的相关研究还是寥寥无几。本文利用时域有限差分法并结合动量张量方程研究单缝附近微粒受到的声辐射力,发现在单缝发生法布里—珀罗(Fabry-Perot,FP)共振效应时,微粒能够受到较强的吸引力作用,并搭建实验平台观察到了该现象。本文的具体研究内容如下：理论仿真上,首先采用二维时域有限差分(FDTD)方法研究单缝结构的透射率及场分布,然后结合应力动量张量方程研究单缝表面钢圆柱受到的声辐射力。理论仿真结果发现,在单缝透射增强频率处,即：FP共振效应处,圆柱在缝表面所受到的声辐射力为吸引力,方向指向声源,且强度大于钢柱在自由超声声场中所受到的声辐射力(方向远离声源)。此外,还仿真研究了缝宽、缝厚、钢柱与距缝距离等参量对钢柱声辐射力的影响。实验上,研究了100KHz超声声场环境下,直径为1.5mm钢球在厚度为5mm,宽度可以调控的单缝表面的运动特征。结果表明：在自由超声场中(不加单缝结构),微粒会受到与超声声波传播方向相同的声辐射力,微球的运动方向为远离声场；在有微缝结构(单缝宽度为2mm),在微缝发生FP共振时,单缝表面的微粒会受到吸引力的作用,微球的运动方向为靠近单缝。综上,本论文从理论仿真和实验上系统研究了微粒在单缝表面受到的声辐射力,发现在单缝发生FP共振时,其表面能够吸引微球。该研究成果可为单缝(复杂声场)操控微粒提供理论支持和实验指导。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R445.1
【图文】：

过程图,给药,过程,微纳米

从载体中的释放，并对其影响因素做了讨论。随后Ｊａｒｅｄ邋Ｌ．ＮｅｌｓｏｎＷ等在大鼠模型中利逡逑用低频超声将肿瘤细胞中的抗癌药物释放，并发现超声对药物进入肝痛细胞过程起到了逡逑一定的协助作用，其给药过程如图１．１所示Ｗ。逡逑超声给药过程分为两步：首先对微纳米药物颗粒进行控制，也就是将微纳米药物颗逡逑粒在定点部位聚集，其次将聚集在定点部位的微纳米药物颗粒击碎，使其释放药物，提逡逑高了局部的药物浓度，从而达到了良好的治疗效果。超声定点给药比起传统的给药方法，逡逑它具有减少全身药物用量、提高局部药物的浓度、增强药物的疗效、降低药物对全身正逡逑常姐织毒副作用等优点。逡逑＇＼邋＼＼逡逑图１．１超声给药过程逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ邋ｄｒｕｇ邋ｄｅｌｉｖｅｒｙ逡逑目前，科学家针对如何将药物运输到定点部位这一问题，提出了微纳米粒子操控技逡逑术，有基于物理学的方法：外磁场产生的磁力操控微粒Ｗ如图１．２（ａ）所示、利用流体流逡逑－１邋－逡逑

界面图,程序运行,界面,有限元计算

图２．２程序调试界面逡逑＇：？＇逡逑ＦｉTB．２．２邋Ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ邋ｉｎｔｅｒｆａｃｅ逡逑．２有限元法逡逑有限元计算方法是一种数值方法解偏微分方程，有限元计算方法是一种高效，，。

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