Thesis defense: Focused ultrasound control of flow in a tube for vascular treatments.

Author: Mouna GUIZANI
Time: 14H00
Language: French
Place: Conference Room at LabTAU

Abstract: This thesis investigates the flow generated by focused ultrasound within a fluid confined in a circular tube, in a configuration compatible with a centimetric human blood vessel.  Experimental and numerical investigations are conducted on simplified model of a rigid, straight circular tube, both in the case of a closed conduit and in the case of an imposed steady flow. Experimentally, a setup based on a high-intensity focused ultrasound (HIFU) therapy transducer was implemented to generate a focused ultrasound beam parallel to the tube axis. Velocity field measurements were performed in water using particle image velocimetry (PIV). In parallel, numerical simulations based on the experimental HIFU field and modeling its fluidic effect as a volumic force field were carried out using OpenFOAM software, first for a Newtonian fluid and then for a non-Newtonian fluid modeled by the Bird-Carreau law.
The vortex structure generated by focused ultrasound is characterized by a dense core of streaming flow aligned with the direction of the ultrasonic wave, accompanied by a low-velocity reverse flow. While the position of the ultrasound focus within the tube is not critical for generating mixing, it significantly influences the wall shear stress, which increases as the focus approaches the tube wall. The comparison between Newtonian and Bird-Carreau fluid revealed that at high acoustic intensities, the Bird-Carreau fluid behaves similarly to the Newtonian fluid, maintaining effective mixing and wall shear stress. Further investigation, focusing on the case where ultrasound cavitation occurs under the influence of the HIFU field, enabled the estimation of an effective ultrasound attenuation coefficient characterizing the cavitating medium.

Titre : Contrôle par ultrasons focalisés d’un écoulement en conduite en vue de traitements vasculaires.

Résumé : La présente thèse étudie l'écoulement induit par des ultrasons focalisés au sein d’un fluide confiné en conduite, dans une configuration compatible avec un vaisseau sanguin humain de calibre centimétrique. Les investigations, expérimentales et numériques, sont menées sur le modèle simplifié d’un tube circulaire droit indéformable, à la fois dans le cas d’un conduit fermé et celui  d’un débit permanent imposé. Sur le plan expérimental, un dispositif basé sur un transducteur de thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) a été mis en œuvre afin de générer un faisceau ultrasonore focalisé parallèle à l’axe du tube. Des mesures de champs de vitesse ont été réalisées dans l’eau à l’aide de la technique de vélocimétrie par images de particules (PIV). En parallèle, des simulations numériques basées sur le champ HIFU expérimental et la modélisation de son effet fluidique par un champ de force volumique ont été menées à l’aide du logiciel OpenFOAM, pour un fluide newtonien puis un fluide non-newtonien modélisé par la loi de Bird-Carreau.
La structure tourbillonnaire générée par les ultrasons focalisés se caractérise par un cœur dense d'écoulement de streaming aligné avec la direction de l'onde ultrasonore, accompagné d'un écoulement de retour à faible vitesse. Tandis que la position du foyer ultrasonore dans le tube ne s’avère pas critique pour générer le mélange, elle influence significativement la contrainte de cisaillement pariétal, qui augmente à mesure que le foyer se rapproche de la paroi du tube. La comparaison entre les fluides newtonien et de Bird-Carreau a montré qu’à des intensités acoustiques élevées, le fluide Bird-Carreau se comporte de manière similaire au fluide newtonien, en maintenant un mélange efficace et une contrainte de cisaillement pariétal. Une investigation complémentaire, consacrée au cas où de la cavitation ultrasonore apparaît sous l’effet du champ HIFU, a permis d’estimer un coefficient d’atténuation ultrasonore effectif caractérisant le milieu cavitant.