Smart-UltraSons : détection/caractérisation/contrôle de sources de non linéarité ultrasonore – Smart US

Les échographes modernes mettant en oeuvre des techniques Non-Linéaires (NL) (Imagerie Harmonique : Inversion de Pulse, Modulations d’amplitude et de phase…) ont permis d’accroître la sensibilité et la spécificité des UltraSons (US). Dans le but d’étendre le domaine de détection vers les nanobulles et de permettre la caractérisation des mélanges diphasiques (histogramme des bulles, taux de gaz, vitesse des flux), le projet « Smart US » vise d’une part à développer des techniques de génération de bulles calibrées et d’autre part à concevoir des nouvelles technologies de senseurs ultrasonores : un Senseur Magnéto-Acoustique (SMA) et un Senseur Paramétrique Adapté (SPA). Ce dernier type exploite le comportement NL d’un milieu à bulles. Ces transducteurs NL ont des propriétés acoustiques exceptionnelles : focalisation automatique par conjugaison de phase, détection automatique de non-linéarités, excitation très large bande, contrôles dynamiques de la directivité et de l’étendue spectrale.

Afin de produire des bulles calibrées, des techniques microfluidiques et de nano-électrolyse sont mises en œuvre. La microfluidique permet la production d’une population de microbulles de polydispersité inférieure à 2%. La génération de bulles submicroniques requiert encore un changement d’échelle (nanofluidique) dont les difficultés associées seront traitées (procédés de fabrication, contrôle des instabilités des flux et des nanostructures). Par ailleurs, la fabrication de microstructures obtenues par auto-organisation (cristal) des microbulles est envisagée ainsi que leur caractérisation ultrasonore. De manière alternative, la nanoélectrolyse permet le contrôle spatial et temporel de la nucléation grâce à l’utilisation d’électrodes de tailles nanométriques (~10 nm) qui induisent de forts gradients électriques. La forme, la taille et le traitement de surface de l’apex des électrodes et la nature de la solution modifient notablement la génération et le détachement des nanobulles.

Des bulles calibrées dont la taille est comprise entre 20 et 150 microns ont été produites avec une bonne reproductibilité en utilisant les procédés microfluidique et microélectrolytique.
Par ailleurs, afin de simuler d'une part, le comportement dynamique d'une bulle unique et, d'autre part, la propagation NL en milieu diphasique, des modèles numériques sont en développement. Ils permettront d'optimiser les protocoles de caractérisation de microbulles et d'émission paramétrique respectivement.
Les premiers cristaux de microbulles ont été réalisés, toutefois, le matériau réticulé constituant la matrice dot être assoupli afin de permettre une interaction acoustique conséquente.

Les travaux en cours sont structurés autour de trois actions principales :
1/ développer des moyens de production de microbulles calibrées utilisant des techniques microfluidiques qui offrent une bonne maîtrise de la génération et, par auto-organisation, permettent la réalisation de microstructures (cristaux de bulles). L’objectif est désormais d’atteindre les échelles submicrométriques. Par ailleurs, en nano-électrolyse (électrodes ~10nm) le contrôle spatial et temporel de la nucléation (noyaux gazeux) est une voie prometteuse pour maîtriser la genèse d’une bulle unique.
2/ développer des moyens de caractérisation ultrasonore non-linéaire de nouvelles génération : l’interaction magnéto-acoustique permet à l’image du (pompage) LASER une amplification « géante » (80dB) d’une onde conjuguée, une focalisation automatique sur des objets échogènes (bulles) et l’estimation d’un profil de vitesse. D’autre part, l’exploitation du comportement non-linéaire des bulles est envisagée pour faciliter une émission paramétrique adaptée.
3/ concevoir des modèles d’interaction onde-bulle ainsi que des méthodes algorithmiques de traitement du signal capables d’extraire une information non-linéaire extrêmement ténue en environnement bruité

Revues
MC. Pauzin, S. Mensah, B. Cochelin, JP. Lefebvre, « High order harmonic balance formulation of free and encapsulated microbubbles », J. of Sound and Vibration, 330 (2011) 987 – 1004.

Fabien Chauvet, Sandrine Geoffroy, Abdelkrim Hamoumi, Marc Prat and Pierre Joseph, “ Roles of gas in capillary filling of nanoslits”, Accepted for publication in Soft Matter (2012)
DOI: 10.1039/c2sm25982f

Congrès internationaux
T. Goursole, B. Potier, D. Fouan, S. Mensah, « Free Single Excitation applied to nonlinear mixing method », Undersea & Hyperbaric Medical Society, Fort Worth, Texas, June 15-18, 2011

Fabien Chauvet, Sandrine Geoffroy, Abdelkrim Hamoumi, Marc Prat, Anne-Marie Gué and Pierre Joseph, « Nanobubbles and Gas Dynamics During Capillary Filling of Nanoslits », Proceedings of µTAS 2010 Conference, Okinawa, Japan, 26-30 Oct 2012

Z. Hammadi, R. Grossier, R. Morin, S. Veesler “Predictive Nucleation of Crystals” 10th International Conference of the Crystal Growth of Organic CGCOM 10 11-14 Juin 2012 Limerick, Irlande

M. Cavaro , C. Payan, S. Mensah , J. Moysan, JP. Jeannot, « Linear and nonlinear resonant acoustic spectroscopy of microbubble clouds », XVII International Conference on Nonlinear Elasticity in Materials, Cefalu, Sicily, Italy, 1 - 7 July 2012

La génération maîtrisée, la détection et la caractérisation de microbulles (de tailles [0,1-150] microns) sont parfois d’importance cruciale ; dans le domaine médical nous pensons à la conception/caractérisation des Agents de Contraste Ultrasonores (ACU) et à la prévention des embolies (cardiaques, cérébrales) et des accidents de décompression (astronautes, plongeurs). Présentes dans le sang et les tissus sous forme de noyaux gazeux (nanobulles), les microbulles peuvent être générées par désaturation (décompression) ou par des dispositifs médicaux tels que les prothèses cardiaques, les machines de dialyse ou d’assistance cardiaque extracorporelle. Dans le cadre industriel, une préoccupation majeure est le taux d’engazement du sodium liquide des réacteurs nucléaires de 4ème génération qui peut entre autres, altérer la chaîne de contrôle ultrasonore.

Les échographes modernes mettant en œuvre des techniques Non-Linéaires (NL) (Imagerie Harmonique : Inversion de Pulse, Modulations d’amplitude et de phase…) ont permis d’accroître la sensibilité et la spécificité des UltraSons (US).

Dans le but d’étendre le domaine de détection (nanobulles) et de permettre la caractérisation des mélanges diphasiques (histogramme des bulles, taux de gaz, vitesse des flux), le projet « Smart US » vise à développer deux nouvelles technologies de senseurs ultrasonores : un Senseur Magnéto-Acoustique (SMA), un Senseur Paramétrique dit « Intelligent » (SPI). Ce dernier type est construit sur la base d’un réseau (cristal) de bulles calibrées insérées dans des enveloppes polymériques. Ces transducteurs NL ont des propriétés acoustiques exceptionnelles : focalisation automatique par conjugaison de phase, détection automatique de non-linéarités, excitation très large bande, contrôles dynamiques de la directivité et de l’étendue spectrale.

Dans le but de produire ces bulles calibrées, des techniques microfluidiques et de nano-électrolyse seront mises en œuvre. La microfluidique diphasique permet la production d’une population de microbulles de polydispersité inférieure à 2%. La génération de bulles submicroniques requiert un changement d’échelle (nanofluidique) dont les difficultés associées seront traitées (procédés de fabrication, contrôle des instabilités des flux et des nanostructures). Par ailleurs, la microfluidique permet la fabrication de microstructures obtenue par auto-organisation (cristal) des microbulles. D’où l’idée originale d’intégrer ces cristaux dans la face active des transducteurs ultrasonores pour constituer les SPI.

De manière alternative, la nanoélectrolyse permet le control spatial et temporel de la nucléation grâce à l’utilisation d’électrodes de tailles nanométriques (~10 nm) qui induisent de forts gradients électriques. La forme, la taille et le traitement de surface de l’apex des électrodes et la nature de la solution modifient notablement la génération et le détachement des nanobulles. De plus, cette électrolyse permet la nucléation d’une bulle unique dans des gels (i.e. reproduisant les tissus biologiques) utile pour l’étude physique de l’interaction ultrasons/bulle unique.

Les SMA sont construits par interaction magnétique sur un matériau piézoélectrique actif générant une onde à phase conjuguée (opposée). Cette interaction permet, à l’image du (pompage) LASER, une amplification « géante » (80 dB) de l’onde conjuguée. Ce procédé de retournement temporel analogique permet la compensation des distorsions induites par la propagation d’une onde au sein d’un milieu hétérogène, id. une focalisation automatique sur des objets échogènes d’intérêt (ex : une bulle). D’autre part, la rupture de la réversibilité du champ induite par le déplacement du milieu hôte, permet l’estimation du profil de vitesse et de la concentration de la phase gazeuse.

Ces transducteurs NL émettront des ondes semblables à celles diffusées par les bulles (d’où le nom « Smart US »), le couplage induit facilitera caractérisation diphasique