Application of dynamic elastography to the mechanical characterization of viscoelastic soft media via torsional, longitudinal, and transverse shear waves

Abstract

The field of biomedical engineering has gained importance in assessing soft tissue elasticity for diagnosing and monitoring diseases. Traditionally, clinicians have relied on manual palpation, which is subjective and qualitative. Dynamic elastography, a noninvasive medical imaging technique, measures the elasticity of various soft tissues by generating, detecting, and tracking shear waves (SWs). The thesis contributes to the advancement of dynamic elastography techniques and their potential applications in refining diagnostics, and improving our understanding of SW propagation in biological media. All of the results have been supported by rheological models, whose parameters have been interpreted with respect to the microstructure and their relationship with attenuation and frequency. However, the understanding of the relationship between microscale and macroscale mechanical properties remains limited, posing challenges in predicting mechanical behavior solely based on microstructure.

El campo de la ingeniería biomédica ha cobrado importancia en la evaluación de la elasticidad de los tejidos blandos para el diagnóstico y seguimiento de enfermedades. Tradicionalmente, los médicos se han basado en la palpación manual, que es subjetiva y cualitativa. La elastografía dinámica, una técnica de imagen médica no invasiva, mide la elasticidad de diversos tejidos blandos mediante la generación, detección y seguimiento de ondas de cizalla (SWs). El interés por las propiedades dinámicas a diferentes escalas ha llevado a proponer varias fuentes de excitación y modalidades de obtención de imágenes. Estas propuestas pueden implicar modificaciones en la configuración experimental, las técnicas de obtención de imágenes o los algoritmos de análisis de datos, con el objetivo de mejorar la precisión, la resolución o la viabilidad del enfoque de la elastografía. Proporcionan información sobre las propiedades elásticas, la atenuación, la viscosidad u otras características relevantes de los medios investigados. En general, la tesis contribuye al avance de las técnicas de elastografía dinámica y a sus aplicaciones potenciales para refinar los diagnósticos y mejorar nuestra comprensión de la propagación de SWs en medios biológicos. Todos los resultados se han apoyado en modelos reológicos, cuyos parámetros se han interpretado con respecto a la microestructura y su relación con la atenuación y la frecuencia. Sin embargo, la comprensión de la relación entre las propiedades mecánicas a microescala y a macroescala sigue siendo limitada, lo que plantea retos a la hora de predecir el comportamiento mecánico basándose únicamente en la microestructura.