Experimental analysis and validation of ultrasonic torsional waves

Abstract

The structural microarchitecture of soft tissue is getting attention among the biomechanical engineering community and rising interest in clinical diagnosis in a broad spectrum of specialities. The new scientific concept of torsional wave ultrasound will enable the in vivo and noninvasive quantification of a new class of biomarkers. These biomarkers, which are direct measures of tissue mechanical properties, are intimately related to the structural microarchitecture of soft tissue and ideal for diagnostic applications. This vision will be enabled by the unique technology proposed here that generates and senses torsional waves in tissue. The breakthrough that this new generation of physical-mechanical biomarkers implies will have a longterm impact. The elastic functionality of tissues is intimately linked to a variety of pathologies. Its quantitative measurement in vivo constitutes a disruptively new diagnostic principle proposed only recently. Well beyond birth and labour disorders (prematurity, induction failures, placenta, etc.), it has enormous potential of being extended to diagnose a growing range of highly prevalent pathologies, including solid tumours (e.g. prostate, cervix, breast,melanoma), connective tissue disorders (ligament injuries, ageing disorders), and liver fibrosis, to name a few. Quantifying the elastic functionality of the cervix is currently not a standard diagnostic tool since no elasticity quantifying technologies exist currently or are still under early research. One of the most important potential torsional wave device applications will reduce infant mortality and childhood morbidity. By quantifying biomechanical properties of the cervix in at-risk women, sufficiently early detection of preterm birth may be identified so that suitable interventions can be implemented to delay birth. The noninvasive in vivo quantification of the biomechanical properties of the cervix will be the clinical focus of this project. This will be accomplished by combining the underlying theory, the technological advances necessary for a proof-of-concept torsional wave diagnostic probe, and model-based inverse algorithms to reconstruct the cervical stroma microarchitecture to predict its elastic evolution, and hence predict its structural ability to dilate. Finally, and most importantly, this project broadens the scope of applications, paving the way to any situation related to modifications of the collagen mechanics, like mechanobiological cell signalling, controlling tumour growth, inflammatory and healing processes, etc., and opening a new and broad field of research with impacting applications. The research group to which I belong has developed the torsion wave elastography technique and has patented an isotropic sensor that has been validated in vivo by measuring under different conditions (pressure and angle of incidence) in pregnant women and non-pregnant volunteers. At the same time, the validation was done against a rheometer with ex vivo tissue samples. My contribution to the work focuses on validating the sensor against the gold standard: shear wave elastography using a 256-channel verasonics vantage system. The validation was concentrated at the beginning employing tissue-mimicking phantoms, animal tissue; liver, and breast. When the SWE technique was managed, I focused on ex vivo samples of the human uterine cervix due to the difficulty of obtaining these samples. Viscoelastic biomarkers were determined from cervical tissue by fitting four rheological models. As far as we know, these results asre the only values that have been presented using this technique. an additional step was to explore how does the sensor behave by measuring tissues consisting of several layers, ie: epithelial and conective. Being the fist much thinner than the second. Therefore, to check the type of waves propagating in shell-like elements, a new sensor was designed to measure corneas and have a concave shape. The torsion wave elastography technique could detect tissue changes due to pathology/damage and was equally validated against shear wave elastography and tensile machine tests. The results agree pretty well. Another contribution is to investigate soft tissue anisotropy by designing and programming validation experiments of a sectorized torsion wave sensor with three channels, capable of measuring in a single batch in three different directions. Finally, the non-linearity of the cervical tissue was explored, and it was adjusted to a proposed NL model and compared with the models present in the literature.

La microarquitectura estructural de los tejidos blandos está recibiendo atención entre la comunidad de ingenieros biomecánicos y está aumentando el interés en el diagnóstico clínico en un amplio espectro de especialidades. El nuevo concepto científico de ultrasonido de ondas torsionales permitirá la cuantificación in vivo y no invasiva de una nueva clase de biomarcadores. Estos biomarcadores, que son medidas directas de las propiedades mecánicas de los tejidos, están íntimamente relacionados con la microarquitectura estructural de los tejidos blandos y son ideales para aplicaciones de diagnóstico. Esta visión estará habilitada por la tecnología única aquí propuesta que genera y detecta ondas de torsión en el tejido. El gran avance que supone esta nueva generación de biomarcadores físico-mecánicos tendrá un impacto a largo plazo. La funcionalidad elástica de los tejidos está íntimamente ligada a una variedad de patologías. Su medición cuantitativa in vivo constituye un principio de diagnóstico disruptivamente nuevo propuesto recientemente. Mucho más allá de los trastornos del parto y del parto (prematuridad, fallos de inducción, placenta, etc.), tiene un enorme potencial de extenderse para diagnosticar una gama cada vez mayor de patologías de alta prevalencia, incluidos los tumores sólidos (p. trastornos de los tejidos (lesiones de ligamentos, trastornos del envejecimiento) y fibrosis hepática, por nombrar algunos. La cuantificación de la funcionalidad elástica del cuello uterino no es actualmente una herramienta de diagnóstico estándar, ya que actualmente no existen tecnologías de cuantificación de la elasticidad o aún se encuentran en fase de investigación inicial. Una de las aplicaciones de dispositivos de ondas torsionales potenciales es la reducción de la mortalidad infantil. Al cuantificar las propiedades biomecánicas del cuello uterino en mujeres en riesgo, se puede identifiar con una detección suficientemente temprana el parto pretermino para que se puedan implementar las intervenciones adecuadas para retrasar la fecha del parto. La cuantificación no invasiva in vivo de las propiedades biomecánicas del cuello uterino será en enfoque clinico de este proyecto. Esto se logrará combinando la teroría subyacente, los avances tecnológicos necesarios para una sonda de diagnóstico mediante ondas torsionales, de prueba de concepto y algoritmos inversos basados en modelos para reconstruir la microestructura del estroma cervical para predecir su evolución elástica, y, por tanto, predecir su capacidad estructural de dilatar. Finalmente, este proyecto amplía en campo de aplicación, allanando el camino a cualquier situación relacionada con modificaciones de la mecánica del colágeno, como la señalización celular mecanobiológica, el control del crecimineto tumoral, los procesos inflamatorios y de cicatrización, etc. y abre un nuevo y amplio campo de investigación con aplicaciones impactantes. El grupo de investigación al que pertenezco ha desarrollado la técnica de elastografía por ondas de torsión y ha patentado un sensor isotrópico que ha sido validado in vivo midiendo en diferentes condiciones (presión y ángulo de incidencia) en mujeres embarazadas y voluntarias no embarazadas. Al mismo tiempo, se realizó la validación frente a un reómetro con muestras de tejido ex vivo. Mi contribución al trabajo se centra en la validación del sensor frente al estándar de oro: la elastografía de ondas de corte utilizando un sistema ventajoso verasonics de 256 canales. La validación se concentró al principio empleando fantasmas que imitan el tejido, tejido animal; hígado y mama. Cuando se manejó la técnica SWE, me concentré en muestras ex vivo del cuello uterino humano debido a la dificultad de obtener estas muestras. Los biomarcadores viscoelásticos se determinaron a partir de tejido cervical ajustando cuatro modelos reológicos. Hasta donde sabemos, estos resultados son los únicos valores que se han presentado utilizando esta técnica. Un paso adicional fue explorar cómo se comporta el sensor midiendo tejidos con diferentes capas, epiteliales y conectivos. La primera capa es mucho más fina que la segunda. Por tanto, para comprobar el tipo de ondas que se propagan en elementos con forma de concha, se diseñó un nuevo sensor para medir córneas y tener forma cóncava. La técnica de elastografía de ondas de torsión pudo detectar cambios en los tejidos debido a patología / daño y fue igualmente validada contra pruebas de elastografía de ondas de corte y máquinas de tracción. Los resultados concuerdan bastante bien. Otra contribución es investigar la anisotropía de tejidos blandos mediante el diseño y programación de experimentos de validación de un sensor de ondas de torsión sectorizado con tres canales, capaz de medir en un solo lote en tres direcciones diferentes. Finalmente, se exploró la no linealidad del tejido cervical y se ajustó a un modelo NL propuesto y se comparó con los modelos presentes en la literatura.