Lastnost Vrednost
pasovna širina 1 MHz
območje ojačitve 1–50000 filter signala dva nastavljiva filtra vhodni signal enojni ali razlika signalov napajanje s kablom ali z baterijo
Dobljene signale smo nato še dodatno obdelali v programu MatLab, kjer smo s pomočjo funkcije smooth še dodatno zgladili zajete signale. Slika 3.12 predstavlja tipičen zajeti signal pri visokih energijah.
Slika 3.12: Tipičen zajeti signal
Velika sprememba napetosti ob pričetku se zgodi zaradi laserskega bliska, ki ga fotodioda zazna. Takoj zatem se pojavi prvi padec napetosti, ki ga povzroči tlačna motnja ob preletu sondirnega območja. Ko tlačna motnja prečka območje, začnemo zaznavati formulacijo in rast kavitacijskih mehurčkov.
Metodologija raziskave
31
3.1.5 Programska oprema za zajem meritev
Z uporabo programske opreme, ki so jo sodelavci LASTEH predhodno razvili v programu LabView, smo lahko nazdorovali, prikazovali, zajemali in shranjevali vse pomembne podatke eksperimntov. S programom smo vzpostavili komunikacijo s celotnim sistemom in njegovimi podsistemi. Programska oprema je omogočala izvajanje eksperimentov na dva načina: (i) na način, pri katerem smo videli zajete podatke v realnem času, vendar je bilo potrebno vsak blisk sprožiti ročno, in (ii) na način, pri katerem nismo mogli spremljati zajetih podatkov v ralnem času, vandar smo lahko nastavili parametre za avtomatizirano proženje laserskih bliskov. Sliki 3.13 in 3.14 prikazujeta omenjena načina, na slikah se vidi, da je vsak način razdeljen še na podrazdelke. Slika 3.13 ima tako šest podrazdelkov:
- Prvi podrazdelek, kjer smo s pritiskom na gumb »Shoot the laser« sprožili laser in dobili prikaz števila bliskov, ki smo jih v določeni seriji že opravili.
- Drugi podrazdelek, kjer smo shranjvali zajete slike in signale.
- Tretji podrazdelek, kjer smo nastavljali čas zakasnitve sprožitve kamere in moč laserskih bliskov.
- Četrti podrazdelek, kjer so se nam v realnem času prikazovale zajete slike.
- Peti podrazdelek, kjer smo nastavljali datoteko, kamor se morajo zajete slike in signali shraniti, ter ime shranjene datoteke.
- Šesti podrazdelek, kjer smo nastavljali, kateri zajeti signali naj se prikažejo, in polje za prikaz zajetih signalov.
Slika 3.13: Zavihek za ročno proženje bliskov
Metodologija raziskave
32
Slika 3.14 ima prav tako šest podrazdelkov, ki se rahlo razlikujejo od podrazdelkov s slike 3.13. Ti so:
- Prvi podrazdelek, kjer smo nastavljali pričetek, konec in korak časovne zakasnitve kamere. Pri tem smo nastavljali še število slik, ki naj jih kamera izvede pri določeni zakasnitvi.
- Drugi podrazdelek, kjer smo izbirali, katere podatke naj programska oprema shrani.
- Tretji podrazdelek, kjer smo izbrali datoteko z energijami laserskih bliskov in prikaz, katera energija je bila poslana laserju.
- Četrti podrazdelek, kjer smo nastavljali predpripravljnost kamere in laserja ter signale, ki naj jih programska oprema zajema.
- Peti podrazdelek, kjer smo nastavljali datoteko, kamor se morajo zajete slike in signali shraniti, ter ime shranjenene datoteke.
- Šesti podrazdelek, kjer smo pričeli oz. prekinili avtomatizirano serijo bliskov in prikazan potek eksperimenta.
Slika 3.14: Zavihek za avtomatizirano proženje bliskov
Pri pridobivanju rezultatov smo uporabljali oba načina. Prvega smo uporabljali predvsem za nastavitve časovnih zakasnitev in vizualno potrditev, da so le te dobro določene. Drugi način smo uporabljali predvsem za olajšano izvajanje eksperimentov.
Metodologija raziskave
33
3.2 Priprava vzorcev tkivnih fantomov
Za pripravo vzorcev fantomov smo izbrali agar, saj dobro posnema lastnosti tkiva, hkrati pa je priprava vzorcev izredno enostavna. Agar je poleg tega enostavno in poceni dobavljiv ter je v literaturi praktično največkrat uporabljen material za pripravo tkivnih fantomov pri raziskavah optoakustičnih pojavov. Za naše potrebe je agar tudi dovolj prozoren za uporabo schliernove hitre fotografije. Agarjevi fantomi se po lastnostih dovolj približajo lastnostim kože na področju gostote, hitrosti zvoka in koeficientom dušenja. Zanje smo se odločili tudi zaradi njihove visoke temperature tališča, ki znaša okoli 78 ◦C. Med eksperimenti smo namreč OA lečo namestil tik nad površino fantoma, ki se zaradi dovedenih laserskih bliskov močno segreje in to toploto oddaja v okolico. Zaradi tega smo potrebovali fantome, ki se ob izpostavitvi visokih temperatur ne utekočinijo.
Vzorce smo pripravili po prilagojeni recepturi Maxwell in sodelavcev [42], pri čemer smo povečali procent dodanega agarja, odvzeli rdeče krvničke, fiziološko raztopino zamenjali z demineralizirano vodo in na koncu vzorca nismo postavili v delni vakuum. Rdeče krvničke in fiziološko raztopino so umaknili, ker smo dobljene rezultate želeli primerjati z rezultati, pridobljenimi v vodi. Kot sta ugotovila že Holland in Apfel, fiziološka raztopina znižuje prag pojava kavitacije [43]. Po drugi strani uporaba vakuuma zvišuje prag kavitacije, saj iz agarja odstrani ujete pline. Iz tega razloga smo ga tudi umaknili iz priprave fantoma. Delež dodanega agarja smo povečali, da se je še dodatno povečala hitrost zvoka. Tako smo fantome pripravljali v razmerju 2 % mase na enoto volumna. Ker v literaturi nikjer ni omenjeno, ali se mora zmes mešati ročno, mehansko ali magnetno, smo zmes mešali ročno. Uporabili smo kulinarični agar Agartina proizvajalca Kotanyi in demineralizirano vodo blagovne znamke Šampionka.
Priprava fantoma je potekala v sledečih korakih:
- Natehtali smo 2 g agarjevega prahu.
- V čašo smo odmerili 100 ml demineralizirane vode.
- Agar smo dodali v čašo in zmes dodobra zmešali, da v njej ni bilo večjih grudic agarja.
- Čašo smo nato v 30-sekundnih intervalih segrevali v mikrovalovni pečici.
- Med intervali smo zmes dodobra premešali, da na dnu ni bilo agarjevih delcev.
- Postopek smo ponavljali, dokler zmes ni postala povsem prosojna.
- Agar smo nato iz čaše prelili v tri enake kalupe, ki smo jih napolnili skoraj popolnoma do vrha.
- Agar se je tako najprej hladil na prostem, pokrit z aluminijasto folijo, nato pa smo kalupe postavili v hladilnik, kjer so bili vsaj 1 uro.
- Vse vzorce smo testirali v 24 urah od njihove priprave.
Agar smo vlivali v tri enake steklene kalupe dimenzij 22x47x25 mm, ki niso imeli zgornje ploskve. Slika 3.15 a) prikazuje uporabljen kalup, ki smo ga uporabili za shranjevanje fantoma in slika 3.15 b) vzorec fantoma, pripravljen za izvajanje eksperimentov.
Metodologija raziskave
34
Slika 3.15: a) uporabljen kalup in b) vzorec, pripravljen za eksperimente
Na sliki 3.15 b) lahko opazimo, da je prosojnost vzorcev dovolj velika, da smo lahko uporabljali schliernov sistem. Vse vzorce fantomov smo pred izvajanjem eksperimenta vzeli iz hladilnika, kjer so se na prostem segreli na sobno temperaturo, ki je za pojav kavitacijskega oblaka pomemben faktor.
Poleg zgoraj omenjene priprave smo testirali še druge načine priprave vzorcev agarja, saj smo želeli ugotoviti, ali lahko še izboljšamo čistost in optično homogenost. Pri tem smo najprej primerjali vzorce, pridobljene z uporabo mikrovalovne pečice, in vzorce, ki smo jih segreli na električnem grelcu do 88 ◦C, pri čemer smo jih konstantno mešali z magnetnim mešalom. Ko je zmes postala prozorna, smo nekatere vzorce postavili v ultrazvok in druge v rahli vakuum. Slika 3.16 prikazuje slike vseh treh različno pripravljenih vzorcev, narejene s schliernovo hitro fotografijo.
Slika 3.16: a) vzorec, narejen po končni recepturi, b) vzorec, narejen z električnim grelnikom in ultrazvokom, c) vzorec, narejen z električnim grelnikom
Vzorca s slike 3.16 b) in c), ki sta bila pripravljena na električnem grelcu, vsebujeta v primerjavi z vzorcem a) veliko količino slabo raztopljenega agarjevega prahu. Tudi sama priprava vzorcev je trajala veliko dlje kot priprava z mikrovalovno pečico. Ta je trajala okoli 5 minut, priprava z električnim grelnikom pa okoli 60 minut. Zaradi razlik v času priprave vzorcev in zrnatosti smo se na koncu odločili za uporabo mikrovalovne pečice in za zgoraj omenjeno recepturo.
Metodologija raziskave
35
3.3 Izvedba eksperimentov
V okviru raziskav smo izvedli dve seriji eksperimentov, s katerima smo želeli določiti prag nastanka kavitacije, velikost kavitacijskega oblaka in lokacijo oblaka kavitacijskih mehurčkov.
3.3.1 Variacija energije laserskih bliskov
Povezava med optoakustiko in kavitacijskim oblakom je generirana tlačna motnja. Iz enačbe (2.1) vemo, da je jakost tlačne motnje močno povezana s spreminjanjem dovedene fluence.
To lahko povečujemo s povečevanjem laserske energije. Tako je smiselno najti energijo, pri kateri ravno še dosežemo pojav kavitacijskih mehurčkov. Poleg minimalne energije smo želeli določiti za posamezno energijo še oscilacijski čas Tosc in amplitudo kavitacijskega oblaka. Omenjene vrednosti smo lahko izmerili z lasersko presevnostno sondo.
Variacijo energij laserskih bliskov smo izvajali po sledečih korakih: Pričeli smo z največjo energijo laserja, ki jo je eksperimentalni sistem še prenesel. Energijo smo nato postopoma zniževali v intervalih po 100 mJ. Eksperiment smo ponavljali dokler na presevnostni sondi s schliernovo fotografijo nismo več opazili kavitacijskega oblaka.
Izvedba eksperimenta je potekala v sledečih korakih:
- S spreminjanjem kota na polarizatorju in merilnikom energije smo umerili laser na željeno energijo.
- Enkrat smo ustrelili z laserjem, da smo dobili signal z laserske presevnostne sonde.
Iz zajetega signala smo lahko odčitali čas, ko je bil kavitacijski oblak največji.
- V programski opremi LabView pod zavihkom »eksprimental procedure« smo nastavili odčitani čas oz. željeno zakasnitev. Nastavili smo še 5-kratno ponovitev eksperimenta, pri čemer so se morali shraniti zajeti signali s presevnostne sonde in schliernove fotografije. Pred pričetkom eksperimenta smo vzorec premaknili za 1 mm.
- Po končanem eksperimentu smo preverili zajete signale in fotografije ter zopet vzorec premaknili za 1 mm, da smo lahko ponovili celotno proceduro.
Preglednica 3.5 prikazuje povprečne energije laserja po desetih zaporednih strelih in izračunane standardne deviacije. Standardna deviacija pri vseh energijah predstavlja 2,5 % odstopanja, kar je bilo zadovoljivo za naše eksperimente.
Preglednica 3.5: Izmerjene povprečne energije in standardne deviacije