Ultraljud används inom biomedicinsk forskning för att manipulera mikroskopiska objekt, särskilt inom akustofluidik, där stående ultraljudsvågor möjliggör styrning av partiklar med hög precision. I detta arbete har vi studerat hur kontrastfaktorn och den akustiska strålningskraften påverkas av partikelstorlek, val av frekvens och materialegenskaper. Särskild tonvikt har lagts vid det storleksområde där den klassiska teorin, som antar att kontrastfaktorn är oberoende av storlek inte längre är giltig.

När den klassiska teorin inte är tillämpbar bör kontrastfaktorn i stället beskrivas som en storleksberoende, oändlig serieexpansion. För att förenkla beräkningarna har vi i denna studie valt att begränsa expansionen till andra och fjärde ordningens termer.

Genom en kombination av litteraturstudier och numeriska simuleringar har vi analyserat kontrastfaktorns beroende av celltyp, storlek, mediets egenskaper samt expansionens ordning. Simuleringarna genomfördes i MATLAB R2024b, där både den klassiska modellen och de storleksberoende modellerna som går upp till andra och fjärde ordningen implementerades. Baserat på dessa modeller kunde vi även simulera den akustiska strålningskraften.

Vidare undersöktes specifika cellinjer (MCF-12A, MCF-7, HEPG2 och HT-29) under antagandet om sfärisk geometri och homogena materialegenskaper. Resultaten visar att approximationen av kontrastfaktorn har en betydande inverkan på storleken av den akustiska strålningskraften, särskilt för större sfäroider där kR > 1, där k är vågtalet och R är sfäroidens radie.

Den klassiska modellen med konstant kontrastfaktor är endast tillförlitlig inom ett begränsat storleksintervall, medan modeller av högre ordning krävs för att korrekt beskriva beteendet vid större partikelstorlekar. Studien visar även att kontrastfaktorn är känslig för variationer i mediets egenskaper, särskilt kompressibilitet, vilket har praktisk betydelse för akustofluidiska experiment.

Våra resultat indikerar att den storleksberoende modellen avviker markant från den klassiska vid större objektstorlekar. Dock kvarstår en osäkerhet kring hur många termer som krävs i serieexpansionen för att modellen ska vara tillförlitlig. Fortsatta studier med fler termer i expansionen är därför nödvändiga för att verifiera resultaten.

Ultrasound is used in biomedical research to manipulate microscopic objects, particularly within acoustofluidics, where standing ultrasound waves enable the control of particles with high precision. In this work, we have studied how the contrast factor and the acoustic radiation force are affected by particle size, choice of frequency, and material properties. Particular emphasis has been placed on the size range where the classical theory, which assumes that the contrast factor is independent of size, is no longer valid.

When the classical theory is not applicable, the contrast factor should instead be described as a size-dependent, infinite series expansion. To simplify the calculations, we have in this study chosen to limit the expansion to second- and fourth-order terms.

Through a combination of literature studies and numerical simulations, we have analyzed the dependence of the contrast factor on cell type, size, the properties of the medium, and the order of the expansion. The simulations were carried out in MATLAB R2024b, where both the classical model and the size-dependent models up to second and fourth order were implemented. Based on these models, we were also able to simulate the acoustic radiation force.

Furthermore, specific cell lines (MCF-12A, MCF-7, HEPG2, and HT-29) were examined under the assumption of spherical geometry and homogeneous material properties. The results show that the approximation of the contrast factor has a significant impact on the magnitude of the acoustic radiation force, particularly for larger spheroids where kR > 1, where k is the wave number and R is the radius of the spheroid.

The classical model with a constant contrast factor is only reliable within a limited size range, whereas higher-order models are required to accurately describe the behavior at larger particle sizes. The study also shows that the contrast factor is sensitive to variations in the properties of the medium, particularly compressibility, which has practical significance for acoustofluidic experiments.

Our results indicate that the size-dependent model differs significantly from the classical one at larger object sizes. However, uncertainty remains regarding how many terms are needed in the series expansion for the model to be reliable. Further studies with more terms in the expansion are therefore necessary to verify the results.