Wissenschaftler der Universität Tsukuba haben eine neue theoretische Gleichung für die Ausbreitung von Ultraschallwellen durch Flüssigkeiten mit eingekapselten Blasen ermittelt. Sie fanden heraus, dass die Einbeziehung der Kompressibilität der Blasenhülle für die genaue Vorhersage des Verhaltens von Schallwellen von entscheidender Bedeutung ist. Diese Arbeit kann aufgrund der Entwicklung verbesserter Kontrastmittel zu einer verbesserten Auflösung der Ultraschallbildgebung führen.
Ultraschall ist zu einem wichtigen Hilfsmittel im modernen Gesundheitswesen geworden, da er Ärzten sicher und nicht-invasiv detaillierte Diagnosebilder liefern kann. Die Technologie funktioniert, indem sie hochfrequente Schallwellen von einem Wandler sendet und auf die Echos hört, die an der Grenzfläche zwischen Geweben unterschiedlicher Dichte entstehen.
Basierend auf der Zeit, die es dauert, bis die Echos zurückkehren, kann der Computer das Bild rekonstruieren. Einer der größten Nachteile des Ultraschalls ist jedoch seine geringe Auflösung, was bedeutet, dass für Echokardiogramme oder Leberscans Kontrastmittel wie Mikrobläschen verwendet werden. Um bessere Kontrastmittel zu entwickeln, ist noch ein besseres theoretisches Verständnis der Physik der Wechselwirkung zwischen eingekapselten Mikrobläschen, die eine dicke Hülle besitzen, und Schallwellen erforderlich.
Jetzt haben Forscher der Universität Tsukuba neue nichtlineare Gleichungen abgeleitet, die die Kompressibilität der Hüllenschicht berücksichtigen, um ihre Anwendbarkeit auf mehrere Blasen zu erweitern. Die Forscher wählten diesen Weg, weil frühere Arbeiten keine realistischen Eigenschaften für die Blasenoberfläche modellierten. „Wir haben die Schale als viskoelastisches Objekt modelliert, was sich als wichtiger Faktor in der Analyse herausstellte“, sagt Autor Professor Tetsuya Kanagawa.
Die Kompressibilität misst die relative Volumenänderung einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs als Reaktion auf einen Druckanstieg oder -abfall. Andere Forschungsprojekte konzentrierten sich tendenziell auf die Verformungen des Blaseninneren und vernachlässigten die Blase selbst. Die Forscher fanden heraus, dass die Einbeziehung der Hülle in die Berechnungen zu einer Erhöhung des Dämpfungskoeffizienten (Verlustkoeffizienten) führte.
„Unsere Arbeit ebnet den Weg für zukünftige Verfeinerungen der Theorie der Schalldämpfung in Flüssigkeiten“, sagt Professor Kanagawa. Die in diesem Projekt untersuchten Mikrobläschen könnten auch für therapeutische Zwecke genutzt werden, beispielsweise für die gezielte Arzneimittelabgabe. In diesem Fall könnten Schallwellen dazu führen, dass die Blasen zu bestimmten Zeiten oder an bestimmten Stellen im Körper platzen und das Medikament freisetzen.
Die Arbeit ist veröffentlicht in Physik der Flüssigkeiten.
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Tetsuya Kanagawa et al., Nichtlineare akustische Theorie an fließenden Flüssigkeiten, die mehrere Mikroblasen enthalten, die von einer komprimierbaren viskoelastischen Hülle umhüllt sind: Nieder- und Hochfrequenzfälle, Physik der Flüssigkeiten (2022). DOI: 10.1063/5.0101219