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Proposition de thse: Contrle de la dynamique chaotique de bulle de cavitation ultrasonore

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du 29 juin 2015 au 30 septembre 2015 /

Proposition de thèse:
Contrôle de la dynamique chaotique de bulle de cavitation ultrasonore

Que l’on parle d’imagerie (imagerie harmonique, etc.) ou de thérapie (lithotritie, délivrance ciblée de médicaments, sonoporation cellulaire, etc.), c’est un large spectre d’applications médicales des ultrasons dans lesquelles le phénomène de cavitation ultrasonore joue un rôle majeur. Ce phénomène correspond à l’apparition, à l’oscillation et éventuellement au collapse de bulles excitées acoustiquement, dans le milieu soumis aux ultrasons.

En fonction du régime d’excitation, ces bulles peuvent adopter des comportements complexes très différents : des oscillations faiblement non linéaires exploitées en imagerie harmonique aux collapses inertiels qui interviennent largement dans la désagrégation de calculs rénaux ou biliaires (lithotritie), des régimes d’oscillations périodiques régulières aux comportements de dynamique chaotique, chaque régime a des effets spécifiques sur les tissus biologiques et/ou les cellules les constituant. Compte-tenu de cette dynamique complexe, éventuellement chaotique, l’exploitation de la cavitation ultrasonore nécessite de développer des techniques de contrôle du phénomène, afin d’obtenir les effets visés sur des tissus biologiques dans une application donnée en évitant tout autre impact potentiellement négatif.

C’est dans ce contexte que se situe ce sujet de thèse qui vise à étudier et développer des méthodes expérimentales de contrôle de la dynamique chaotique de bulles de cavitation à partir de la modulation des paramètres de l’onde d’excitation. Le sujet sera développé au sein du Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique (LMFA, UMR CNRS 5509), qui constitue un acteur majeur dans les domaines de la mécanique des fluides et de l’acoustique non linéaire, et bénéficie de plateformes expérimentales performantes dans ces deux domaines. Il s’effectuera en collaboration avec le Laboratoire d’Application Thérapeutiques des Ultrasons (LabTAU, UMR_S 1032), qui bénéficie d’un savoir-faire important dans le domaine des ultrasons, et au sein duquel des travaux concernant la régulation de l’activité de cavitation ultrasonore ont déjà été réalisés [1].
Le travail envisagé s’appuie sur des études ayant montré que la dynamique de cavitation est largement modifiée par l’emploi d’excitations multifréquentielles [2-4]. Récemment, des travaux numériques ont notamment mis en évidence des régimes de stabilisation de la dynamique chaotique d’une bulle de cavitation par l’emploi d’excitations multifréquentielles [5], ainsi que des possibilités de contrôle de la dynamique chaotique de la cavitation [6]. Cependant, aucune étude expérimentale permettant de valider cette approche n’existe sur le sujet.

L’objectif du travail de thèse consistera à mettre en évidence et étudier expérimentalement la réduction du comportement chaotique par l’utilisation d’excitations multifréquentielles sur une bulle unique piégée et excitée acoustiquement, en caractérisant sa dynamique par des observations à la caméra rapide. Au-delà de la réduction du comportement chaotique d’une bulle unique, la thèse visera à étudier la possibilité de mettre en œuvre des méthodes de contrôle du chaos dans ce contexte, et à étudier la transposition des résultats obtenus sur une bulle au cas d’un ensemble de bulles en interactions (nuage de cavitation), en vue de développer de nouvelles méthodes de contrôle de la cavitation ultrasonore.

Profil recherché : le candidat devra posséder de solides connaissances dans un ou plusieurs des domaines suivants : acoustique, dynamique des fluides, physique non linéaire ; il devra en outre présenter un fort intérêt pour le développement de dispositifs expérimentaux comme pour la modélisation des systèmes étudiés.

Financement : Le financement de cette thèse est assuré par le LabEx CeLyA (Centre Lyonnais d’Acoustique)

Contact : Philippe Blanc-Benon (philippe.blanc-benon@ec-lyon.fr), Bruno Gilles (Bruno.Gilles@univ-lyon1.fr)

[1] Desjouy, C., Poizat, A., Gilles, B., Inserra, C., & Bera, J. C. (2013). Control of inertial acoustic cavitation in pulsed sonication using a real-time feedback loop system. The Journal of the Acoustical Society of America, 134(2), 1640-1646. [2] Holzfuss, J., Rüggeberg, M., & Mettin, R. (1998). Boosting sonoluminescence. Physical review letters, 81(9), 1961. [3] Feng, R., Zhao, Y., Zhu, C., & Mason, T. J. (2002). Enhancement of ultrasonic cavitation yield by multi-frequency sonication. Ultrasonics sonochemistry, 9(5), 231-236. [4] Saletes, I., Gilles, B., & Bera, J. C. (2011). Promoting inertial cavitation by nonlinear frequency mixing in a bifrequency focused ultrasound beam. Ultrasonics, 51(1), 94-101. [5] Behnia, S., Sojahrood, A. J., Soltanpoor, W., & Jahanbakhsh, O. (2009). Suppressing chaotic oscillations of a spherical cavitation bubble through applying a periodic perturbation. Ultrasonics sonochemistry, 16(4), 502-511. [6] Behnia, S., Yahyavi, M., & Mobadersani, F. (2014). Intelligent controlling microbubble radial oscillations by using Slave–Master Feedback control. Applied Mathematics and Computation, 245, 404-415


Thesis proposal:
Control of the chaotic dynamics of ultrasonic cavitation bubbles

Either for imaging (harmonic imaging, etc.) or therapy (lithotripsy, targeted drug delivery, cell sonoporation, etc.), there is a broad spectrum of medical applications of ultrasound in which the phenomenon of ultrasonic cavitation plays a major role. This phenomenon corresponds to the creation, the oscillation and possibly the collapse of bubbles acoustically excited in a medium subjected to ultrasound.
Depending on the regime of excitation, these bubbles can present varied complex behaviors: From weakly nonlinear oscillations used in harmonic imaging to inertial collapses which are largely involved in kidney- or gall-stones disruption (lithotripsy), from regular periodic oscillations to chaotic dynamics, each behavior has its specific effects on biological tissue and on cells. Given this complex dynamics, with potential chaotic behavior, the use of ultrasonic cavitation requires developing techniques for the control of the phenomenon, in order to achieve the intended effects on biological tissue for a given application, while avoiding any side-effect with negative impact.

In this context, the aim of the PhD thesis is to study and to develop experimental methods for the control of chaotic cavitation bubble dynamics on the basis of the modulation of the parameters of the excitation wave. The research will be done at the LMFA (UMR CNRS 5509), which is a major laboratory in the field of fluid mechanics and nonlinear acoustics, in collaboration with the LabTAU (INSERM, UMR_S 1032), which is specialized in the field of ultrasound, and where some work on the regulation of the ultrasonic cavitation activity has already been done [1].
The proposed work is based on studies that have shown that the cavitation dynamics is significantly modified by the use of multifrequency excitations [2-4]. Recently, numerical work highlighted regimes were the chaotic dynamics of a cavitation bubble were stabilized by the use of a multifrequency excitation [5-6]. However, no experimental study has been performed to evaluate the potential of this approach for controlling cavitation dynamics.
The aim of the thesis is to study experimentally the reduction of the chaotic behavior by the use of a multifrequency excitation, on a single trapped bubble, acoustically excited. Its dynamics will be characterized by high-speed camera observations. Beyond the case of a single bubble, the thesis will aim at exploring the potential of chaos control methods in this context, and to study how the results obtained with one single bubble can be transposed to a set of interacting bubbles (cavitation cloud), in order to develop new methods for the control of ultrasonic cavitation.


The candidate will have a strong knowledge in one or more of the following areas: acoustics, fluid dynamics, nonlinear physics; He/She will also have a high interest in the development of experimental setups as well as for establishing models for the studied systems.

Funding for this work is provided by the LabEx CeLyA (Centre Lyonnais d’Acoustique).

Contacts: Philippe Blanc-Benon (philippe.blanc-benon@ec-lyon.fr), Bruno Gilles (Bruno.Gilles@univ-lyon1.fr)

[1] Desjouy, C., Poizat, A., Gilles, B., Inserra, C., & Bera, J. C. (2013). Control of inertial acoustic cavitation in pulsed sonication using a real-time feedback loop system. The Journal of the Acoustical Society of America, 134(2), 1640-1646. [2] Holzfuss, J., Rüggeberg, M., & Mettin, R. (1998). Boosting sonoluminescence. Physical review letters, 81(9), 1961. [3] Feng, R., Zhao, Y., Zhu, C., & Mason, T. J. (2002). Enhancement of ultrasonic cavitation yield by multi-frequency sonication. Ultrasonics sonochemistry, 9(5), 231-236. [4] Saletes, I., Gilles, B., & Bera, J. C. (2011). Promoting inertial cavitation by nonlinear frequency mixing in a bifrequency focused ultrasound beam. Ultrasonics, 51(1), 94-101. [5] Behnia, S., Sojahrood, A. J., Soltanpoor, W., & Jahanbakhsh, O. (2009). Suppressing chaotic oscillations of a spherical cavitation bubble through applying a periodic perturbation. Ultrasonics sonochemistry, 16(4), 502-511. [6] Behnia, S., Yahyavi, M., & Mobadersani, F. (2014). Intelligent controlling microbubble radial oscillations by using Slave–Master Feedback control. Applied Mathematics and Computation, 245, 404-415.

Lieux :