en fr Macroscopic and acousto-mechanic analogy of gas microbubble:: application to ultrasound contrast agents Analogie macroscopique et acousto-mécanique dune microbulle: : application aux agents de contraste ultrasonore Report as inadecuate




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1 Inserm U930 - Université François Rabelais de Tours

Abstract : Under specific ultrasound excitation, contrast microbubbles undergo nonlinear oscillations.Considering the size and the complexity of the phenomenon, expensive and complexexperiments and-or simulations are required. To overcome this, the use of an analogy isproposed and validated numerically. When subjected to ultrasound, microbubbles presenta fairly rich and complex dynamics of which some aspects can be described by a lattice ofnonlinearly coupled oscillators. In this thesis, we propose to study the oscillatory behaviorof a microbubble through an acousto-mechanical setup of coupled pendula parametricallyexcited by a vertical force. The aim of this work is to understand the dynamics of a singlebubble, to subsequently study it in experimental and clinical conditions for both imagingand therapy. From the theoretical point of view, we have shown that both systems aredescribed by a Mathieu type equation. From the experimental point of view, we have developpedthe pendula ring. It consists of an aluminum ring on which pendula are fixed withnylon strings. The pendula chain lies on the excitation system that generate a sinusoidalexcitation ranging from 1 Hz to 5 Hz. Results obtained vibration modes, subharmonicoscillations, radial mode are in agreement with simulations and are similar to the resultsobtained for microbubbles.

Résumé : Les agents de contraste ultrasonore ACUs utilisés en imagerie médicale, représentent l’une des innovationsmajeures dans le domaine de l’échographie. Ces ACUs, non toxiques pour l’organisme sont constituésde microbulles de gaz. Ces derniers sont couramment utilisés en clinique afin de rehausser l’écho en provenancede la circulation sanguine. Leur utilisation en imagerie ultrasonore a permis, grâce aux propriétésphysiques des microbulles, de mettre en évidence la vascularisation de tissus parfois inaccessibles et parconséquent de préciser les diagnostics. Par ailleurs, la combinaison des microbulles avec des ultrasons,connue sous le terme de sonoporation permet la délivrance locorégionale des médicaments dans les tissus.En effet, en présence d’une excitation ultrasonore, les microbulles oscillent et génèrent ainsi des phénomènesacoustiques utilisés à la fois pour l’imagerie et la thérapie. Pour ces deux applications, une compréhensioncomplète de la dynamique de la microbulle est indispensable afin d’optimiser les conditions d’excitationpermettant d’augmenter la qualité des images dans un cas et de potentialiser l’effet thérapeutique desmédicaments en réduisant leurs effets secondaires dans l’autre cas. Cependant, la complexité et la petitessede la dynamique de la bulle et la difficulté à étudier une bulle unique posent certains problèmes.Nous proposons d’étudier le comportement oscillatoire d’une microbulle via un système acousto-mécaniquede pendules couplés paramétriquement excités par une force verticale. En effet, lorsqu’elles sont soumisesaux ultrasons, les microbulles 1-8 m présentent une dynamique riche et complexe qui peut être décritepar un réseau d’oscillateurs couplés. Il s’agit de comprendre la dynamique d’une bulle unique pourl’étudier ensuite dans des conditions expérimentales et cliniques pour des applications en imagerie et enthérapie. L’objectif est de décrire l’évolution, l’apparition et les conditions expérimentales d’instabilité dumode radial faisant apparaître les modes de vibration décrits à partir des harmoniques sphériques. Dans unpremier temps, un état de l’art comparant les différents modèles mathématiques des ACUs a motivé notreétude sur l’analogie entre une microbulle et une chaîne de pendules. Dans un second temps, nous avonsmontré que les deux systèmes sont décrits par une équation de Mathieu. D’un point de vue expérimental,nous avons développé la chaîne de pendules. Celle-ci consiste en un cercle d’aluminium sur lequel sont fixésdes pendules à l’aide de fil de nylon. La chaîne de pendules repose sur le système d’excitation qui génèreune excitation sinusoïdale variant de 1 Hz à 5 Hz. Les résultats obtenus ont été confirmés par une étudenumérique et montrent un comportement similaire entre la chaîne de pendules et une microbulle. Nousavons noté l’apparition de modes de vibration dont certains oscillant à des fréquences sous-harmoniques.L’utilisation de ce système macroscopique a permis d’extraire des informations qui seront exploitées pourune utilisation optimale des agents de contraste en imagerie et thérapie.

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Keywords : microbubbles vibration modes acousto-mechanical analogy

Mots-clés : Microbulles modes de vibration analogie acousto-mécanique





Author: Jennifer Chaline -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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