Aplicação clínica - avaliação da técnica acoustic radiation force impulse

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Acoustic radiation force impulse elastography of the spleen in healthy dogs of different ages

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Acoustic radiation force impulse elastography of prostate and testes of healthy dogs: preliminary results

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Acoustic radiation force impulse (ARFI) elastography of the spleen in healthy adult cats - a preliminary study

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Elastografia acoustic radiation force impulse (ARFI), doppler e ultrassonografia contrastada do baço canino

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Observation of a Cooperative Radiation Force in the Presence of Disorder

Cooperative scattering of light by an extended object such as an atomic ensemble or a dielectric sphere is fundamentally different from scattering from many pointlike scatterers such as single atoms. Homogeneous distributions tend to scatter cooperatively, whereas fluctuations of the density distribution increase the disorder and suppress cooperativity. In an atomic cloud, the amount of disorder can be tuned via the optical thickness, and its role can be studied via the radiation force exerted by the light on the atomic cloud. Monitoring cold (87)Rb atoms released from a magneto-optical trap, we present the first experimental signatures of radiation force reduction due to cooperative scattering. The results are in agreement with an analytical expression interpolating between the disorder and the cooperativity-dominated regimes.

Matrix Method for Acoustic Levitation Simulation

A matrix method is presented for simulating acoustic levitators. A typical acoustic levitator consists of an ultrasonic transducer and a reflector. The matrix method is used to determine the potential for acoustic radiation force that acts on a small sphere in the standing wave field produced by the levitator. The method is based on the Rayleigh integral and it takes into account the multiple reflections that occur between the transducer and the reflector. The potential for acoustic radiation force obtained by the matrix method is validated by comparing the matrix method results with those obtained by the finite element method when using an axisymmetric model of a single-axis acoustic levitator. After validation, the method is applied in the simulation of a noncontact manipulation system consisting of two 37.9-kHz Langevin-type transducers and a plane reflector. The manipulation system allows control of the horizontal position of a small levitated sphere from -6 mm to 6 mm, which is done by changing the phase difference between the two transducers. The horizontal position of the sphere predicted by the matrix method agrees with the horizontal positions measured experimentally with a charge-coupled device camera. The main advantage of the matrix method is that it allows simulation of non-symmetric acoustic levitators without requiring much computational effort.

Finite Element Analysis and Optimization of a Single-Axis Acoustic Levitator

A finite element analysis and a parametric optimization of single-axis acoustic levitators are presented. The finite element method is used to simulate a levitator consisting of a Langevin ultrasonic transducer with a plane radiating surface and a plane reflector. The transducer electrical impedance, the transducer face displacement, and the acoustic radiation potential that acts on small spheres are determined by the finite element method. The numerical electrical impedance is compared with that acquired experimentally by an impedance analyzer, and the predicted displacement is compared with that obtained by a fiber-optic vibration sensor. The numerical acoustic radiation potential is verified experimentally by placing small spheres in the levitator. The same procedure is used to optimize a levitator consisting of a curved reflector and a concave-faced transducer. The numerical results show that the acoustic radiation force in the new levitator is enhanced 604 times compared with the levitator consisting of a plane transducer and a plane reflector. The optimized levitator is able to levitate 3, 2.5-mm diameter steel spheres with a power consumption of only 0.9 W.

Acoustic radiation and scattering from cylindrical bodies and analysis of transducer arrays

New mathematical methods to analytically investigate linear acoustic radiation and scattering from cylindrical bodies and transducer arrays are presented. Three problems of interest involving cylinders in an infinite fluid are studied. In all the three problems, the Helmholtz equation is used to model propagation through the fluid and the beam patterns of arrays of transducers are studied. In the first problem, a method is presented to determine the omni-directional and directional far-field pressures radiated by a cylindrical transducer array in an infinite rigid cylindrical baffle. The solution to the Helmholtz equation and the displacement continuity condition at the interface between the array and the surrounding water are used to determine the pressure. The displacement of the surface of each transducer is in the direction of the normal to the array and is assumed to be uniform. Expressions are derived for the pressure radiated by a sector of the array vibrating in-phase, the entire array vibrating in-phase, and a sector of the array phase-shaded to simulate radiation from a rectangular piston. It is shown that the uniform displacement required for generating a source level of 220 dB ref. μPa @ 1m that is omni directional in the azimuthal plane is in the order of 1 micron for typical arrays. Numerical results are presented to show that there is only a small difference between the on-axis pressures radiated by phased cylindrical arrays and planar arrays. The problem is of interest because cylindrical arrays of projectors are often used to search for underwater objects. In the second problem, the errors, when using data-independent, classical, energy and split beam correlation methods, in finding the direction of arrival (DOA) of a plane acoustic wave, caused by the presence of a solid circular elastic cylindrical stiffener near a linear array of hydrophones, are investigated. Scattering from the effectively infinite cylinder is modeled using the exact axisymmetric equations of motion and the total pressures at the hydrophone locations are computed. The effect of the radius of the cylinder, a, the distance between the cylinder and the array, b, the number of hydrophones in the array, 2H, and the angle of incidence of the wave, α, on the error in finding the DOA are illustrated using numerical results. For an array that is about 30 times the wavelength and for small angles of incidence (α<10), the error in finding the DOA using the energy method is less than that using the split beam correlation method with beam steered to α; and in some cases, the error increases when b increases; and the errors in finding the DOA using the energy method and the split beam correlation method with beam steered to α vary approximately as a7 / 4 . The problem is of interest because elastic stiffeners – in nearly acoustically transparent sonar domes that are used to protect arrays of transducers – scatter waves that are incident on it and cause an error in the estimated direction of arrival of the wave. In the third problem, a high-frequency ray-acoustics method is presented and used to determine the interior pressure field when a plane wave is normally incident on a fluid cylinder embedded in another infinite fluid. The pressure field is determined by using geometrical and physical acoustics. The interior pressure is expressed as the sum of the pressures due to all rays that pass through a point. Numerical results are presented for ka = 20 to 100 where k is the acoustic wavenumber of the exterior fluid and a is the radius of the cylinder. The results are in good agreement with those obtained using field theory. The directional responses, to the plane wave, of sectors of a circular array of uniformly distributed hydrophones in the embedded cylinder are then computed. The sectors are used to simulate linear arrays with uniformly distributed normals by using delays. The directional responses are compared with the output from an array in an infinite homogenous fluid. These outputs are of interest as they are used to determine the direction of arrival of the plane wave. Numerical results are presented for a circular array with 32 hydrophones and 12 hydrophones in each sector. The problem is of interest because arrays of hydrophones are housed inside sonar domes and acoustic plane waves from distant sources are scattered by the dome filled with fresh water and cause deterioration in the performance of the array.

Acoustic radiation of a cylindrical bar and an infinite plate excited by the field of a ship propeller,

Photocopy.

Dynamic analysis of submerged microscale plates:the effects of acoustic radiation and viscous dissipation

The aim of this paper is to study the dynamic characteristics of micromechanical rectangular plates used as sensing elements in a viscous compressible fluid. A novel modelling procedure for the plate- fluid interaction problem is developed on the basis of linearized Navier-Stokes equations and noslip conditions. Analytical expression for the fluidloading impedance is obtained using a double Fourier transform approach. This modelling work provides us an analytical means to study the effects of inertial loading, acoustic radiation and viscous dissipation of the fluid acting on the vibration of microplates. The numerical simulation is conducted on microplates with different boundary conditions and fluids with different viscosities. The simulation results reveal that the acoustic radiation dominates the damping mechanism of the submerged microplates. It is also proved that microplates offer better sensitivities (Q-factors) than the conventional beam type microcantilevers beingmass sensing platforms in a viscous fluid environment. The frequency response features of microplates under highly viscous fluid loading are studied using the present model. The dynamics of the microplates with all edges clamped are less influenced by the highly viscous dissipation of the fluid than the microplates with other types of boundary conditions.

Non-invasive diagnostic and prognostic evaluation of liver cirrhosis and portal hypertension.

Cirrhosis is the final stage of most of chronic liver diseases, and is almost invariably complicated by portal hypertension, which is the most important cause of morbidity and mortality in these patients. This review will focus on the non-invasive methods currently used in clinical practice for diagnosing liver cirrhosis and portal hypertension. The first-line techniques include physical examination, laboratory parameters, transient elastography and Doppler-US. More sophisticated imaging methods which are less commonly employed are CT scan and MRI, and new technologies which are currently under evaluation are MR elastography and acoustic radiation force imaging (ARFI). Even if none of them can replace the invasive measurement of hepatic venous pressure gradient and the endoscopic screening of gastroesophageal varices, they notably facilitate the clinical management of patients with cirrhosis and portal hypertension, and provide valuable prognostic information.

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.

Développement d'une nouvelle méthode de caractérisation tissulaire basée sur l'élastographie ultrasonore : application pour le dépistage précoce du cancer du sein

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent chez la femme. Il demeure la cause de mortalité la plus importante chez les femmes âgées entre 35 et 55 ans. Au Canada, plus de 20 000 nouveaux cas sont diagnostiqués chaque année. Les études scientifiques démontrent que l'espérance de vie est étroitement liée à la précocité du diagnostic. Les moyens de diagnostic actuels comme la mammographie, l'échographie et la biopsie comportent certaines limitations. Par exemple, la mammographie permet de diagnostiquer la présence d’une masse suspecte dans le sein, mais ne peut en déterminer la nature (bénigne ou maligne). Les techniques d’imagerie complémentaires comme l'échographie ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont alors utilisées en complément, mais elles sont limitées quant à la sensibilité et la spécificité de leur diagnostic, principalement chez les jeunes femmes (< 50 ans) ou celles ayant un parenchyme dense. Par conséquent, nombreuses sont celles qui doivent subir une biopsie alors que leur lésions sont bénignes. Quelques voies de recherche sont privilégiées depuis peu pour réduire l`incertitude du diagnostic par imagerie ultrasonore. Dans ce contexte, l’élastographie dynamique est prometteuse. Cette technique est inspirée du geste médical de palpation et est basée sur la détermination de la rigidité des tissus, sachant que les lésions en général sont plus rigides que le tissu sain environnant. Le principe de cette technique est de générer des ondes de cisaillement et d'en étudier la propagation de ces ondes afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu via un problème inverse préétabli. Cette thèse vise le développement d'une nouvelle méthode d'élastographie dynamique pour le dépistage précoce des lésions mammaires. L'un des principaux problèmes des techniques d'élastographie dynamiques en utilisant la force de radiation est la forte atténuation des ondes de cisaillement. Après quelques longueurs d'onde de propagation, les amplitudes de déplacement diminuent considérablement et leur suivi devient difficile voir impossible. Ce problème affecte grandement la caractérisation des tissus biologiques. En outre, ces techniques ne donnent que l'information sur l'élasticité tandis que des études récentes montrent que certaines lésions bénignes ont les mêmes élasticités que des lésions malignes ce qui affecte la spécificité de ces techniques et motive la quantification de d'autres paramètres mécaniques (e.g.la viscosité). Le premier objectif de cette thèse consiste à optimiser la pression de radiation acoustique afin de rehausser l'amplitude des déplacements générés. Pour ce faire, un modèle analytique de prédiction de la fréquence de génération de la force de radiation a été développé. Une fois validé in vitro, ce modèle a servi pour la prédiction des fréquences optimales pour la génération de la force de radiation dans d'autres expérimentations in vitro et ex vivo sur des échantillons de tissu mammaire obtenus après mastectomie totale. Dans la continuité de ces travaux, un prototype de sonde ultrasonore conçu pour la génération d'un type spécifique d'ondes de cisaillement appelé ''onde de torsion'' a été développé. Le but est d'utiliser la force de radiation optimisée afin de générer des ondes de cisaillement adaptatives, et de monter leur utilité dans l'amélioration de l'amplitude des déplacements. Contrairement aux techniques élastographiques classiques, ce prototype permet la génération des ondes de cisaillement selon des parcours adaptatifs (e.g. circulaire, elliptique,…etc.) dépendamment de la forme de la lésion. L’optimisation des dépôts énergétiques induit une meilleure réponse mécanique du tissu et améliore le rapport signal sur bruit pour une meilleure quantification des paramètres viscoélastiques. Il est aussi question de consolider davantage les travaux de recherches antérieurs par un appui expérimental, et de prouver que ce type particulier d'onde de torsion peut mettre en résonance des structures. Ce phénomène de résonance des structures permet de rehausser davantage le contraste de déplacement entre les masses suspectes et le milieu environnant pour une meilleure détection. Enfin, dans le cadre de la quantification des paramètres viscoélastiques des tissus, la dernière étape consiste à développer un modèle inverse basé sur la propagation des ondes de cisaillement adaptatives pour l'estimation des paramètres viscoélastiques. L'estimation des paramètres viscoélastiques se fait via la résolution d'un problème inverse intégré dans un modèle numérique éléments finis. La robustesse de ce modèle a été étudiée afin de déterminer ces limites d'utilisation. Les résultats obtenus par ce modèle sont comparés à d'autres résultats (mêmes échantillons) obtenus par des méthodes de référence (e.g. Rheospectris) afin d'estimer la précision de la méthode développée. La quantification des paramètres mécaniques des lésions permet d'améliorer la sensibilité et la spécificité du diagnostic. La caractérisation tissulaire permet aussi une meilleure identification du type de lésion (malin ou bénin) ainsi que son évolution. Cette technique aide grandement les cliniciens dans le choix et la planification d'une prise en charge adaptée.

ARFI elastography as a complementary diagnostic method for mammary neoplasia in female dogs - preliminary results

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)