Acoustic images of gel dosimetry phantoms

AbstractThis work presents Vibro-acoustography (VA) as a tool to visualize absorbed dose in a polymer gel dosimetry phantom. VA relies on the mechanical excitation introduced by the acoustic radiation force of focused modulated ultrasound in a small region of the object. A hydrophone or microphone is used to measure the sound emitted from the object in response to the excitation, and by using the amplitude or phase of this signal, an image of the object can be generated. To study the phenomena of dose distribution in a gel dosimetry phantom, continuous wave (CW), tone burst and multi-frequency VA were used to image this phantom. The phantom was designed using ‘MAGIC’ gel polymer with addition of glass microspheres at 2% w/w having an average diameter range between 40–75 μm. The gel was irradiated using conventional 10 MeV X-rays from a linear accelerator. The field size in the surface of the phantom was 1.0×1.0 cm2 and a source-surface distance (SSD) of 100 cm. The irradiated volume corresponds to an approximately 8.0 cm3, where a dose of 50 gray was delivered to the gel. Polymer gel dosimeters are sensitive to radiation-induced chemical changes that occur in the irradiated polymer. VA images of the gel dosimeter showed the irradiate area. It is concluded that VA imaging has potential to visualize dose distribution in a polymer gel dosimeter

Quantitative characterization of viscoelastic behavior in tissue-mimicking phantoms and ex vivo animal tissues.

Viscoelasticity of soft tissue is often related to pathology, and therefore, has become an important diagnostic indicator in the clinical assessment of suspect tissue. Surgeons, particularly within head and neck subsites, typically use palpation techniques for intra-operative tumor detection. This detection method, however, is highly subjective and often fails to detect small or deep abnormalities. Vibroacoustography (VA) and similar methods have previously been used to distinguish tissue with high-contrast, but a firm understanding of the main contrast mechanism has yet to be verified. The contributions of tissue mechanical properties in VA images have been difficult to verify given the limited literature on viscoelastic properties of various normal and diseased tissue. This paper aims to investigate viscoelasticity theory and present a detailed description of viscoelastic experimental results obtained in tissue-mimicking phantoms (TMPs) and ex vivo tissues to verify the main contrast mechanism in VA and similar imaging modalities. A spherical-tip micro-indentation technique was employed with the Hertzian model to acquire absolute, quantitative, point measurements of the elastic modulus (E), long term shear modulus (η), and time constant (τ) in homogeneous TMPs and ex vivo tissue in rat liver and porcine liver and gallbladder. Viscoelastic differences observed between porcine liver and gallbladder tissue suggest that imaging modalities which utilize the mechanical properties of tissue as a primary contrast mechanism can potentially be used to quantitatively differentiate between proximate organs in a clinical setting. These results may facilitate more accurate tissue modeling and add information not currently available to the field of systems characterization and biomedical research

Dynamic radiation force of acoustic waves on absorbing spheres

We present a theoretical study on how dynamic radiation force of acoustic waves actuates on absorbing spheres. We consider the radiation force is generated by the difference-frequency component of a bichromatic plane wave in a lossless fluid. We analyze the spectrum of the dynamic radiation force for polymethymethacrylate (lucite) and polyethylene spheres. Results reveal that absorption cause the appearance of resonances in the spectrum of the force. The information associated to the resonances might be useful in radiation force techniques for nondestructive material evaluation and biological tissue characterization

L'élastographie ultrasonore dynamique vasculaire : une nouvelle modalité d'imagerie non-invasive pour la caractérisation mécanique de la thrombose veineuse

L’accident thromboembolique veineux, tel que la thrombose veineuse profonde (TVP) ou thrombophlébite des membres inférieurs, est une pathologie vasculaire caractérisée par la formation d’un caillot sanguin causant une obstruction partielle ou totale de la lumière sanguine. Les embolies pulmonaires sont une complication mortelle des TVP qui surviennent lorsque le caillot se détache, circule dans le sang et produit une obstruction de la ramification artérielle irriguant les poumons. La combinaison d’outils et de techniques d’imagerie cliniques tels que les règles de prédiction cliniques (signes et symptômes) et les tests sanguins (D-dimères) complémentés par un examen ultrasonographique veineux (test de compression, écho-Doppler), permet de diagnostiquer les premiers épisodes de TVP. Cependant, la performance de ces outils diagnostiques reste très faible pour la détection de TVP récurrentes. Afin de diriger le patient vers une thérapie optimale, la problématique n’est plus basée sur la détection de la thrombose mais plutôt sur l’évaluation de la maturité et de l’âge du thrombus, paramètres qui sont directement corrélées à ses propriétés mécaniques (e.g. élasticité, viscosité). L’élastographie dynamique (ED) a récemment été proposée comme une nouvelle modalité d’imagerie non-invasive capable de caractériser quantitativement les propriétés mécaniques de tissus. L’ED est basée sur l’analyse des paramètres acoustiques (i.e. vitesse, atténuation, pattern de distribution) d’ondes de cisaillement basses fréquences (10-7000 Hz) se propageant dans le milieu sondé. Ces ondes de cisaillement générées par vibration externe, ou par source interne à l’aide de la focalisation de faisceaux ultrasonores (force de radiation), sont mesurées par imagerie ultrasonore ultra-rapide ou par résonance magnétique. Une méthode basée sur l’ED adaptée à la caractérisation mécanique de thromboses veineuses permettrait de quantifier la sévérité de cette pathologie à des fins d’amélioration diagnostique. Cette thèse présente un ensemble de travaux reliés au développement et à la validation complète et rigoureuse d’une nouvelle technique d’imagerie non-invasive élastographique pour la mesure quantitative des propriétés mécaniques de thromboses veineuses. L’atteinte de cet objectif principal nécessite une première étape visant à améliorer les connaissances sur le comportement mécanique du caillot sanguin (sang coagulé) soumis à une sollicitation dynamique telle qu’en ED. Les modules de conservation (comportement élastique, G’) et de perte (comportement visqueux, G’’) en cisaillement de caillots sanguins porcins sont mesurés par ED lors de la cascade de coagulation (à 70 Hz), et après coagulation complète (entre 50 Hz et 160 Hz). Ces résultats constituent les toutes premières mesures du comportement dynamique de caillots sanguins dans une gamme fréquentielle aussi étendue. L’étape subséquente consiste à mettre en place un instrument innovant de référence (« gold standard »), appelé RheoSpectris, dédié à la mesure de la viscoélasticité hyper-fréquence (entre 10 Hz et 1000 Hz) des matériaux et biomatériaux. Cet outil est indispensable pour valider et calibrer toute nouvelle technique d’élastographie dynamique. Une étude comparative entre RheoSpectris et la rhéométrie classique est réalisée afin de valider des mesures faites sur différents matériaux (silicone, thermoplastique, biomatériaux, gel). L’excellente concordance entre les deux technologies permet de conclure que RheoSpectris est un instrument fiable pour la mesure mécanique à des fréquences difficilement accessibles par les outils actuels. Les bases théoriques d’une nouvelle modalité d’imagerie élastographique, nommée SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography »), sont présentées et validées sur des fantômes vasculaires. Cette approche permet de caractériser les propriétés mécaniques d’une inclusion confinée (e.g. caillot sanguin) à partir de sa résonance (amplification du déplacement) produite par la propagation d’ondes de cisaillement judicieusement orientées. SWIRE a également l’avantage d’amplifier l’amplitude de vibration à l’intérieur de l’hétérogénéité afin de faciliter sa détection et sa segmentation. Finalement, la méthode DVT-SWIRE (« Deep venous thrombosis – SWIRE ») est adaptée à la caractérisation de l’élasticité quantitative de thromboses veineuses pour une utilisation en clinique. Cette méthode exploite la première fréquence de résonance mesurée dans la thrombose lors de la propagation d’ondes de cisaillement planes (vibration d’une plaque externe) ou cylindriques (simulation de la force de radiation par génération supersonique). DVT-SWIRE est appliquée sur des fantômes simulant une TVP et les résultats sont comparés à ceux donnés par l’instrument de référence RheoSpectris. Cette méthode est également utilisée avec succès dans une étude ex vivo pour l’évaluation de l’élasticité de thromboses porcines explantées après avoir été induites in vivo par chirurgie.The venous thromboembolism such as the lower limb deep venous thrombosis (DVT) is a vascular pathology characterized by a blood clot formation that induces partial or total vessel lumen occlusion. Pulmonary embolism is a fatal complication of DVT where the clot detaches from the wall, circulates in the blood flow, and produces an obstruction of pulmonary arterial branches. The combination of clinical prediction rules (signs or symptoms) and blood tests (D-dimer testing) coupled to venous ultrasonography (i.e. compression ultrasonography, color Doppler) allows an accurate diagnosis of first DVT. Nevertheless, such clinical tools present poor results to detect recurrent thrombotic events. Then, in order to guide patients towards optimal therapy, the problem is no more to detect the presence of thrombus, but to evaluate its maturity and its age, which are correlated to their mechanical properties (e.g. elasticity, viscosity). The dynamic elastography (DE) has been recently proposed as a novel non-invasive imaging modality capable to characterize the quantitative mechanical properties of tissues. The DE is based on the analysis of acoustical parameters (i.e. velocity, attenuation, wave pattern) of low frequency (10-7000 Hz) shear waves propagating within the probed medium. Such shear waves generated by external vibration, or remotely using ultrasound beam focalisation (radiation force), were tracked using ultra-fast ultrasound or magnetic resonance imaging. A method based on DE and adapted to mechanical characterization of venous thrombosis may allow the quantification of diseases severity in order to improve the final diagnosis. This thesis presents the works related to the development and complete validation of a novel non-invasive elastography imaging method for the quantitative and reliable estimation of mechanical properties of venous thrombosis. In order to fulfil the main objective, it is first necessary to improve knowledge about mechanical behaviours of blood clot (coagulated blood) subjected to a dynamic solicitation similar to DE. The shear storage (elastic behaviour, G’) and loss (viscous behavior, G’’) moduli of porcine blood clots are measured by DE during the blood coagulation kinetics (at 70 Hz) and after completely coagulation (between 50 Hz and 160 Hz). These results are the first dynamic behaviour measurements of blood clots in such wide frequency range. The subsequent step consists in introducing an innovative reference instrument (« gold standard »), called RheoSpectris, dedicated to measure the hyper-frequency viscoelasticity (between 10 Hz and 1000 Hz) of materials and biomaterials. This tool is indispensable to validate new dynamic elastography techniques. A comparative study between RheoSpectris and classical rheometry is performed to validate the measurements on different materials (silicon, thermoplastic, biomaterials, gel). The excellent agreement between both technologies allows to conclude that RheoSpectris is a reliable instrument for mechanical measurements at high frequencies, which is not always possible with current tools. The theoretical basis of a novel elastographic imaging modality, labelled SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography ») is presented and validated on vascular phantoms. Such approach allows the characterization of mechanical properties of a confined inclusion (e.g. blood clot) from its resonance (displacement amplification) due to the propagation of judiciously oriented shear waves. SWIRE has also the advantage to amplify the vibration amplitude within the heterogeneity to help for its detection and segmentation. Finally, the method DVT-SWIRE ((« Deep venous thrombosis – SWIRE ») is adapted to the quantitative elasticity estimation of venous thrombosis in the context of clinical use. DVT-SWIRE exploits the first resonance frequency measured within the thrombosis during the plane (vibration of rigid plate) or cylindrical (simulating supersonic radiation force generation) shear waves propagation. The technique is applied on DVT phantoms and the results are compared to those given by the RheoSpectris reference instrument. This method is also used successfully in an ex vivo study for the elasticity assessment of explanted porcine thrombosis surgically induced in vivo

Fundamentos para evaluar la generación de campo reverberante de ondas de corte en medios homogéneos

La elastografía es una modalidad de imagen médica que estima la viscoelasticidad de los tejidos, permitiendo la diferenciación cuantitativa entre región sana y región afectada [1]. Diversas técnicas convencionales se basan en la detección de las ondas de corte y la relación de su velocidad de propagación con la elasticidad del medio [2]. Estas asumen que dicha propagación es unidireccional. Sin embargo, las heterogeneidades y fronteras de los tejidos generan reflejos, provocando artefactos en las estimaciones [3]. Es por ello, que en los últimos tres años se ha desarrollado la técnica de elastografía por campo reverberante de ondas de corte, la cual presenta resultados prometedores en su aplicación clínica [3]–[8]. Este nuevo enfoque hace uso de múltiples fuentes de vibración armónica controlada con el fin de aprovechar la naturaleza reverberante de los tejidos y producir un campo difuso en la región de interés. No obstante, la generación de dicho campo, la calidad del mismo y su relación con el desempeño de los estimadores son condiciones poco exploradas. Por ello, el presente trabajo tiene como propósito delinear el objetivo principal, los objetivos específicos y el modelo de solución para realizar un futuro estudio experimental con el fin de evaluar la generación de campo reverberante de ondas de corte en medio homogéneos. Así, se describe el procedimiento teórico para la realización de simulaciones numéricas y experimentos con maniquí de gelatina. El primero se basa en el método de simulación de Monte Carlo, mientras que el segundo consiste en la aplicación de combinatoria extrema con el fin de evaluar el efecto de superposición de fuentes de vibración externa. En ambos, se analizará la generación de campo reverberante con base en el parámetro de calidad derivado de la similitud de lo obtenido con los modelos teóricos [8]: el coeficiente de determinación (R2). Asimismo, se evaluará el desempeño de tres estimadores de la velocidad de propagación de las ondas de corte (Cs): el ajuste de curva a las funciones teóricas [8], la aproximación del número de onda [3], [4], y, se propone, una modificación en la aproximación del número de onda.Trabajo de investigació

Modélisation de la diffraction des ondes de cisaillement en élastographie dynamique ultrasonore

L'élastographie ultrasonore est une technique d'imagerie émergente destinée à cartographier les paramètres mécaniques des tissus biologiques, permettant ainsi d’obtenir des informations diagnostiques additionnelles pertinentes. La méthode peut ainsi être perçue comme une extension quantitative et objective de l'examen palpatoire. Diverses techniques élastographiques ont ainsi été proposées pour l'étude d'organes tels que le foie, le sein et la prostate et. L'ensemble des méthodes proposées ont en commun une succession de trois étapes bien définies: l'excitation mécanique (statique ou dynamique) de l'organe, la mesure des déplacements induits (réponse au stimulus), puis enfin, l'étape dite d'inversion, qui permet la quantification des paramètres mécaniques, via un modèle théorique préétabli. Parallèlement à la diversification des champs d'applications accessibles à l'élastographie, de nombreux efforts sont faits afin d'améliorer la précision ainsi que la robustesse des méthodes dites d'inversion. Cette thèse regroupe un ensemble de travaux théoriques et expérimentaux destinés à la validation de nouvelles méthodes d'inversion dédiées à l'étude de milieux mécaniquement inhomogènes. Ainsi, dans le contexte du diagnostic du cancer du sein, une tumeur peut être perçue comme une hétérogénéité mécanique confinée, ou inclusion, affectant la propagation d'ondes de cisaillement (stimulus dynamique). Le premier objectif de cette thèse consiste à formuler un modèle théorique capable de prédire l'interaction des ondes de cisaillement induites avec une tumeur, dont la géométrie est modélisée par une ellipse. Après validation du modèle proposé, un problème inverse est formulé permettant la quantification des paramètres viscoélastiques de l'inclusion elliptique. Dans la continuité de cet objectif, l'approche a été étendue au cas d'une hétérogénéité mécanique tridimensionnelle et sphérique avec, comme objectifs additionnels, l'applicabilité aux mesures ultrasonores par force de radiation, mais aussi à l'estimation du comportement rhéologique de l'inclusion (i.e., la variation des paramètres mécaniques avec la fréquence d'excitation). Enfin, dans le cadre de l'étude des propriétés mécaniques du sang lors de la coagulation, une approche spécifique découlant de précédents travaux réalisés au sein de notre laboratoire est proposée. Celle-ci consiste à estimer la viscoélasticité du caillot sanguin via le phénomène de résonance mécanique, ici induit par force de radiation ultrasonore. La méthode, dénommée ARFIRE (''Acoustic Radiation Force Induced Resonance Elastography'') est appliquée à l'étude de la coagulation de sang humain complet chez des sujets sains et sa reproductibilité est évaluée.Ultrasound elastography is an emerging technology derived from the concept of manual palpation and dedicated to the mapping of biological tissue mechanical properties in a diagnostic context. Various elastographic approaches have been applied to the study of organs such as the liver, breast or prostate. All proposed techniques rely on a three-steps procedure: first, the tissue to be studied is mechanically excited, in a static or dynamic way. Induced displacements are then measured and used to estimate qualitatively or quantitatively mechanical properties of the medium. This step is called inversion. While application fields of elastography are constantly broadened, efforts are made to provide robust and accurate inversion algorithms. In this monography, theoretical and experimental works related to the development of new inversion methods dedicated to the study of mechanically inhomogeneous media in dynamic ultrasound elastography are provided. In the context of breast cancer diagnosis, a localized tumour can be assumed as a confined mechanical heterogeneity, also referred as an inclusion, which can disturb the propagation of shear waves (dynamic excitation). The first objective of this thesis is to provide a theoretical model to describe physical interactions occurring between incident shear waves and a tumour, here geometrically assumed as an ellipse. Once the theoretical model is validated, an inverse problem is formulated allowing further quantification of inclusion viscoelastic parameters. Aiming the development of realistic models, the previous work has been extended to the case of three dimensional spherical heterogeneities and adapted to the specific case of an acoustic radiation force excitation. Furthermore, the feasibility of assessing the medium rheological model (i.e., the frequency dependence of mechanical properties) is demonstrated. Finally, in the context of vascular diseases and blood coagulation, an inversion method based on the study of the mechanical resonance phenomenon induced by acoustic radiation force is proposed. The technique, termed ARFIRE (Acoustic Radiation Force Induced Resonance Elastography), is applied to human whole blood samples and the reproducibility of results is assessed

Estudio experimental para evaluar la generación de campo reverberante de ondas de corte en medios homogéneos

La elastografía es una modalidad de imagen médica que estima la viscoelasticidad de los tejidos blandos, permitiendo la diferenciación cuantitativa entre región sana y región afectada. Diversas técnicas convencionales se basan en la detección de las ondas de corte y la relación de su velocidad de propagación con la elasticidad del medio. Estas asumen que dicha propagación es unidireccional. Sin embargo, las heterogeneidades y fronteras de los tejidos generan reflejos, provocando artefactos en las estimaciones. Es por ello, que en los últimos tres años se ha desarrollado la técnica de elastografía por campo reverberante de ondas de corte, la cual presenta resultados prometedores en su aplicación clínica. Este nuevo enfoque hace uso de múltiples fuentes de vibración armónica controlada con el fin de aprovechar la naturaleza reverberante de los tejidos y producir un campo difuso en la región de interés. No obstante, la generación de dicho campo, la calidad del mismo y su relación con el desempeño de los estimadores son condiciones poco exploradas. Por ello, el presente trabajo tiene como objetivo principal realizar un estudio experimental para evaluar la generación de campo reverberante de ondas de corte en medio homogéneos. Así, se describen el procedimiento teórico-experimental y los resultados obtenidos de las simulaciones numéricas y los experimentos con maniquí de gelatina. El primero se basó en el método de simulación de Monte Carlo, mientras que el segundo consistió en la aplicación de combinatoria extrema con el fin de evaluar el efecto de superposición de fuentes de vibración externa. En ambos, se analizó la generación de campo reverberante con base en el parámetro de calidad derivado de la similitud de lo obtenido con los modelos teóricos: el coeficiente de determinación (2). Asimismo, se evaluó el desempeño de tres estimadores de la velocidad de propagación de las ondas de corte (): el ajuste de curva a las funciones teóricas (CF), la aproximación del número de onda (AoW), y, se propuso, una modificación en la aproximación del número de onda (MAoW). Finalmente, las simulaciones numéricas mostraron que son necesarios al menos 60 ondas planas incidentes para generar el campo reverberante deseado. La tendencia general es que, al aplicar más ondas incidentes, el coeficiente de determinación mejora y el error de estimación disminuye. Así, se reportó un error menor al 6% en la velocidad media estimada de la propagación de las ondas de corte. Los experimentos con maniquí de gelatina mostraron una tendencia similar. Se demostró que era posible la creación de un campo reverberante basado en la superposición de ondas incidentes. Así mismo, se determinó que, en medios homogéneos, isotrópicos y con baja atenuación, es posible obtener reverberación con un número limitado de puntos de contacto, aunque no de manera homogénea. De esta manera, se concluye que el coeficiente de determinación, en conjunto con la precisión y exactitud de los estimadores CF y/o MAoW, proporciona indicios en el éxito de generación de campo reverberante