三輪 空司, 山越 芳樹, 高橋 悠二

Takashi MIWA, Yoshiki YAMAKOSHI, Yuuji TAKAHASHI

群馬大学大学院工学研究科電気電子工学専攻

Electronic Engineering, Graduate school of Gunma University, Faculty of Engineering

キーワード :

【目的】
微小気泡を薬液搬送媒体として用いる超音波支援のドラッグ・デリバリ・システムにおいてソノポレーションによる薬液吸収能（Efficacy）向上を行うには，壁面での気泡密度の向上や壁面と気泡との間隔制御が重要と考えられている．我々は既にポンピング超音波を周波数挿引することで壁面での気泡密度向上を図る方法を提案したが［1］，この方法において超音波照射シーケンスを最適化するには，気泡群ダイナミクスの数値解析が有効になる．本稿では音響放射圧場中の多数気泡の三次元運動を解析するために数値シミュレーションを行ったので報告する．
【方法】
血管モデルとして壁面の反射係数を考慮した有限長円筒モデルを用いてストークスの法則を有限差分法で解いている．ただし気泡へ働く力は気泡間の2次Bjerknes力を考え，流れは比圧縮性液体の定常な層流流れとし単一周波数での気泡の体積振動を仮定した．一方，気泡間相互作用の影響を解析するために気泡に働く1次Bjerknes力，気泡の大きさが十分小さいために気泡に働く重力と浮力，気泡凝集による体積振動変化，気泡破壊等の非線形効果は考慮しない．1万個の気泡を500ステップ計算するのにPCで約20時間を要した．超音波造影剤の超音波中での擬集パターンを観測した先の実験［2］では，気泡振動に寄与する高調波としての8次の高調波が支配的であったため，この条件を今回も用いた．まず数値解析の妥当性を40kPa, 2.5MHzの超音波照射による気泡凝集の実験的結果と比較したところ，本アルゴリズムによる解析結果と気泡群凝集の様子や気泡群の間隔がほぼ一致することを確認できた．

【結果】
図に5000個の気泡をランダムに配置したときのz＝0の断面内の二次Bjerknes力の発散および気泡位置の例を示す．気泡はBjerknes力の発散が小さくなる方向に移動し，移動による気泡凝集によりBjerknes力が増加する様子が分かる．また時間がたつと気泡群がほぼ波長間隔で整列することがわかるが，このようなシミュレーションは超音波による気泡群制御やメカニズムの解明に役立つと考えられる．
［1］Y.Yamakoshi. Proc. IEEE IUS, 2008, 345.
［2］Y.Yamakoshi, JJAP, 41 （2002）, 3559.