マイクロバブルの非線形力学とその生体組織に及ぼす影響

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12650177
• Research Institution: Osaka Prefecture University
• Principal Investigator: 高比良 裕之 大阪府立大学, 工学研究科, 助教授 (80206870)
• Keywords: マイクロバブル / トロイダル気泡 / レーザトラッピング / 光学力 / 光散乱 / 境界要素法 / 熱移動 / 弾性境界

Research Abstract

I.レーザトラッピング法を用いたマイクロバブルの力学解析
(1)Mie散乱理論を用いて光散乱強度とレーザ捕捉された気泡の半径との関係を調べた.捕捉されたマイクロバブル以外の気泡からの散乱光を排除するために観測倍率を上げたことが原因で,気泡半径が大きくなると,光散乱強度が飽和する傾向が見られた.そこで,より大きなマイクロバブルに対して散乱理論を適用するために,毛細管を利用して数密度を制御しながらマイクロバブルを発生させる方法を検討した.
(2)血管内のせん断流れ場とマイクロバブルとの相互干渉を解析するための第段階として,固体境界近傍でマイクロバブルのレーザ捕捉を行った.固体境界(カバーガラス)下方でのレーザ捕捉力を検討した結果,鉛直および水平方向レーザ捕捉力は,カバーガラスなしで自由界面の下方で捕捉した場合とほぼ同じであることが示された.また,固体境界近傍で鉛直方向にレーザマニピュレーションを行い,壁面から約50ミクロンの位置までマイクロバブルを近づけられることを示した.
(3)せん断流れ場中で,マイクロバプルがレーザ捕捉域を逃れる際の軌跡をシミュレートした.同じせん断流れ場では,気泡径が小さいほど,下方に大きくはじかれ捕捉を逃れること等が示された.
II.境界要素法を用いた微小気泡の崩壊挙動の解析
気泡内部に非構造格子を用いて,内部気体の熱移動を考慮しつつ,マイクロジェット貫通後のトロイダル気泡の力学を解析する数値解析手法を開発した.本手法を用いて,固体境界ならびに生体を模擬した弾性境界近傍での微小気泡の崩壊挙動を解析し,以下の知見を得た.
(1)微小気泡の崩壊過程では,気泡内部の熱移動のために崩壊が促進され,ジェット貫通後は気泡周囲に局所的な高圧領域が形成される.また,気泡の膨張過程では内部に局所的な低温領域が形成される.
(2)内部気体の熱移動の影響を線形近似することにより導出した有効ポリトロープ指数は,定性的な気泡崩壊挙動を予測するには有効である.しかし,気泡崩壊時の最大圧力や再膨張後のトロイダル気泡を解析するためには,内部の熱移動を厳密に評価する必要がある.

Research Products

• [Publications] Akihiro Yasuda: "Numerical Analysis of Temperature Fields Inside Nonspherical Bubbles in the Final Stage of Collapse"Proc. 4th International Symposium on Cavitation (http://resolver. caltech. edu/cav2001 : sessionB6. 003). N/A. 8 (2001)
• [Publications] 安田章宏: "非構造格子を用いた非球形気泡崩壊時の内部温度場に関する数値解析"日本機械学会論文集(B編). 67巻・658号. 1384-1391 (2001)
• [Publications] 大倉栄志: "レーザ捕捉されたマイクロバブルのサイズと散乱強度の測定"日本機会学会2001年度年次大会講演論文集. Vol.II・No.01-1. 277-278 (2001)
• [Publications] 安田章宏: "非構造格子を用いたトロイダル気泡の力学に関する数値計算(内部気体の熱移動を考慮した解析)"キャビテーションに関するシンポジウム(第11回). 1巻. 31-34 (2001)
• [Publications] 安田章宏: "弾性壁近傍における非球形気泡崩壊時の内部温度場に関する数値解析"日本機械学会関西支部第77期定時総会講演会講演論文集. (掲載予定)(未定). (2002)
• [Publications] 萩平隆司: "固体境界近傍でのマイクロバブルのレーザ捕捉"日本機械学会関西支部第77期定時総会講演会講演論文集. (掲載予定)(未定). (2002)