Feasibility studies of ultrasonic approaches to evaluate the mechanical properties of viscoelastic medium

Mudanças nas características mecânicas de tecidos biológicos geralmente estão relacionadas com algum tipo de patologia. Técnicas de imagens elastográficas são métodos quantitativos de se estimar as propriedades mecânicas de tecidos. Em geral, o objetivo destas técnicas de imagem é medir o movimento do tecido provocado por uma força interna ou externa. Por meio desse movimento, parâmetros viscoelásticos do meio em análise são reconstruídos. A força de excitação pode ser tanto quasi-estática, como dinâmica. O trabalho apresentado nesta tese aborda as técnicas de elastografia dinâmica e quasi-estática. Na abordagem quasi-estática, a elasticidade não-linear é estudada através de phantoms com características que simulam as do tecido humano. Na abordagem dinâmica, o movimento dinâmico promovido por força de radicação acústica é avaliado através de técnicas ultrassônicas e magnéticas. O desenvolvimento de materiais para serem usados como phantoms para elastografia por ultrassom é descrito. O comportamento elástico não-linear desses materiais foi analisado através de resultados de ensaios mecânicos. Esses materiais foram desenvolvidos para apresentarem uma relação tensão/deformação que não dependesse do módulo de cisalhamento para pequenas deformações, e foram projetados para serem usados em phantoms em que configurações heterogêneas são empregadas (por exemplo, phantoms com inclusões esféricas). O efeito da não-linearidade elástica dos materiais sobre o contraste, a relação sinal ruído e a relação contraste ruído de imagens elastográficas de um phantom contendo inclusões esféricas, sofrendo altas deformações (até 20%) foi investigada. Foi demonstrada a viabilidade de se medir movimentos vibratórios induzidos por feixes acústicos confocais através de um ultrassom Doppler que utiliza ondas contínuas. A interferência de feixes de ultrassom com pequena diferença de frequências provoca o aparecimento de uma força dinâmica no alvo. Foi demonstrada a formação de imagens de uma esfera rígida imersa em um phantom viscoelástico, através da varredura de ambos os transdutores (confocal e Doppler) pelo plano focal do transdutor confocal. O comportamento dinâmico de uma esfera magnetizada induzido por força de radicação acústica foi investigado. A esfera foi suspensa em água em configuração de pêndulo. Forcas estática de longa (poucos segundos) e curta (poucos milisegundos) duração foram utilizadas. O movimento da esfera foi medido através de um sensor magnetoresistivo. A partir da nova posição de equilíbrio em resposta à força de radicação de longa duração, a amplitude dessa força foi estimada. Para se estimar a viscosidade da água, o movimento de relaxação da esfera após a força ter sido desligada foi ajustado a um modelo de movimento-harmônico amortecido. O movimento de uma esfera rígida imersa em um phantom feito de gelatina, deslocada por força de radicação acústica, foi avaliado por meio de ecos ultrassônicas obtidos com um sistema pulso/eco. A teoria utilizada para se estimar os parâmetros viscoelásticos do phantom, usando o movimento induzido na esfera, é uma extensão da teoria usada para se estimar a viscosidade da água.Changes in the mechanical properties of soft tissues may be related with pathological disorders. Elasticity imaging is a quantitative method of estimating the mechanical properties of the tissue. In general, the aim of this technique is to measure tissue motion caused by external or internal forces and use it to reconstruct the viscoelastic parameters of the medium. The excitation stress used can be (quasi-) static or dynamic. Both elastographic approaches are explored in this thesis work. In the quasi-static approach, the nonlinear elasticity is studied through tissue-mimicking phantom experiments. In the dynamic approach, the dynamic motion provided through acoustic radiation force is evaluated using ultrasonic and magnetic techniques. The development of phantom materials for elasticity imaging is reported. These materials were specifically designed to provide nonlinear stress/strain relationship that can be controlled independently of the small strain shear modulus of the material, and were designed for use in phantoms where heterogeneous configurations (e.g, spherical targets in a uniform background) are employed. The effects of phantom materials nonlinearity over the strain contrast, signal-to-noise ratio and contrast-to-noise ratio of a phantom containing spherical inclusions undergoing large deformations (up to 20%) were investigated.The feasibility of measuring vibration movement, through a mono-channel continuous wave Doppler system, induced by focused confocal beams, is demonstrated. The interference of two ultrasonic beams promotes a dynamic force to the target. The ability to form images of a rigid spherical inhomogeneity embedded in viscoelastic phantom by scanning both ultrasonic transducers (confocal and Doppler) across the confocal transducer focal plane is presented. The dynamic behavior of a rigid magnetic sphere induced by an acoustic radiation force was investigated. The sphere was suspended in water in a simple pendulum configuration. Steady forces of long (few seconds) and short (few milliseconds) durations were used. The movement of the magnetic sphere was tracked using a magnetoresistive sensor. From the new equilibrium position of the sphere in response to the long-duration static radiation force, the amplitude of this force was estimated. To access the water viscosity, the relaxation movement after the acoustic force had stopped was fitted to a harmonic-motion model. The motion of a rigid sphere embedded in gelatin phantom, displaced by acoustic radiation force, was evaluated using the ultrasonic echoes from a pulse-echo system. The theory used to estimate the viscoelastic parameters of the phantom, from the oscillation of the rigid sphere is an extension of the relation used to estimate the water viscosity