Page 113 - 《应用声学》2020年第5期

第 39 卷 第 5 期 赵荣荣等： 双细胞光声信号的有限元分析 755

径球形系统) 扩展得到。根据红细胞的几何物理参 与先前研究中测量的数据一致 [10−11] 。细胞外围
3
数，确定了红细胞模型的几何形状，模型中的红细 水环境的质量密度和声速分别为 1000 kg/m 和
胞直径确定为 7.82 µm，双凹形细胞处于圆形的水 1520 m/s。模型参数设置如表 1 所示。时域的检测
环境中。为了进行有限元分析，将细胞模型的几何 范围是0∼10 ns，频域的检测范围是0∼1000 MHz，数
形状划分成自由剖分三角形网格，采用网格尺寸为 据由COMSOL Multiphysics生成，数据的后处理由
标准。 MATLAB R2014a完成。
表 1 模型参数 1.3 单个红细胞模型
Table 1 Model parameters 在二维仿真模型中，以 (0, 0) 点为圆心，以

参数种类 参数值 90 µm 为半径，建立了水环境，红细胞处于水环境
细胞初始压力 (照射前) 0 Pa 中。如图 1(a) 所示，双凹形红细胞处于圆形水环境
水的初始压力 (照射前) 0 Pa
的中心，在细胞的一侧设置探测点。细胞模拟图是
细胞的初始压力 (照射后) 1 Pa
细胞的侧视图，在侧视图中，建立直角坐标系，设置
水的初始压力 (照射后) 0 Pa
细胞的密度 1110 kg/m 3 水平的 X 轴和垂直的Y 轴，X 轴是细胞长直径的方
细胞的声速 1650 m/s 向，Y 轴是细胞的厚度方向，且红细胞的中心与圆形
水的密度 1000 kg/m 3 水环境的中心相互重合，x 轴和 y 轴是主体红细胞
水的声速 1520 m/s
的对称轴。红细胞的尺寸和取向是影响单个红细胞
在以往的研究中，已经找到了红细胞的最佳光 的光谱特征的因素，于是，选择直径为7.82 µm的双
吸收的激光束的波长，在血液样本中，红细胞可以 凹形红细胞平置于圆形水环境的中心。
被看作是入射光的主要吸收体和光声信号的主要 图 1(b) 是水环境中的细胞部分放大图，以细胞
辐射源 [9] 。因此，本研究将细胞和水环境设置为理 中心为圆心，建立极坐标系，以 10 µm 为半径，以
想状态，只将红细胞作为入射光辐射的吸收体和 −75 ∼75 为范围，每隔 15 布置一个探测点，检测
◦
◦
◦
光声信号辐射源，忽略外围水对入射光的吸收和 红细胞的频域声压级曲线。声压是大气压受到声波
光声信号的对外辐射，且红细胞均匀吸收激光。激 扰动后产生的变化，在大气压强上的叠加一个声波
光束照射之前，细胞的初始压力值为 0 Pa，水的初 扰动引起的压强变化，通过声压可以描述光声信号
始压力值为 0 Pa，激光束照射之后，细胞的初始压 的传播情况。声压级定义为被测光声信号的声压与
力值为 1 Pa，水的初始压力值为 0 Pa。红细胞内 基准参考声压之比取以 10为底的对数再乘以20，单
的质量密度和声速分别为1110 kg/m 和1650 m/s， 位是分贝(dB)。
3



 





mm  mm 
֓
֓
֓
֓
֓
֓
֓
֓
r/ r/
֓
 ֓  
mm mm
(a) டʹڏ (b) ጺᑊᦊѬஊܸڏ
图 1 单细胞二维模型
Fig. 1 Single cell two-dimensional model