Finite element models for magnetic resonance elastography (MRE) applied to anisotropic phantom composite materials

Magnetic Resonance Elastography (MRE) is a noninvasive MR-based imaging technique that makes use of magnetic resonance phenomena to accurately quantify mechanical properties of tissues in vivo. For skeletal muscles, an abnormal stiffness can be indicative of various diseases like spasticity, Duchenne muscular dystrophy and hyperthyroidism. Thus MRE can be used to provide a better understanding of muscle structural and functional properties following treatment and therapy. This work of thesis is part of a project with the title “Noninvasive tools for assessing muscle structure and function” supported by the National Institute of Health whose long-term goal is to improve treatments for musculoskeletal disorders associated with changes to the intrinsic properties of muscle. Mechanical properties are extracted from MRE displacement maps through inversion algorithms, but advances in the development of these latter are still necessary to quantify muscle anisotropic and viscoelastic properties. The final aim of this thesis is to help the improvement of MRE data acquisition protocols through the realization of composite material phantoms replicating the frequency-dependent anisotropic properties of skeletal muscle. This aim is achieved through a combination of experiments performed on anisotropic composite materials and finite element models suited to simulate the propagation of mechanical waves within the material. First, a computational study has been performed on a model replicating fiber reinforced viscoelastic MRE phantoms with the aim to identify the effect of the composite properties (fiber density or mechanical properties of the composite) on the shear wave propagation. Then two different phantoms have been manufactured and tested through MRE. One phantom has been 3D printed using 15% w/v gelatin and then immersed in a 5% w/v gelatin matrix. The other one has been manually assembled inserting Spandex fibers in a 10% w/v gelatin matrix. The MRE experiments on the two phantoms have been then replicated through FE simulations.

La Magnetic Resonance Elastography (MRE) è una tecnica di imaging non invasiva che fa uso del fenomeno della risonanza magnetica per quantificare in modo accurato le proprietà meccaniche dei tessuti in vivo. Per il muscolo scheletrico, valori anomali di rigidezza sono indice di patologie come spasticità, distrofia muscolare di Duchenne e ipertiroidismo. La MRE può essere usata per monitorare le proprietà strutturali e funzionali dei muscoli nel corso del trattamento o della terapia prescelti. Questo lavoro di tesi fa parte di un progetto intitolato “Noninvasive tools for assessing muscle structure and function” supportato dal National Institute of Health, il cui obiettivo è il miglioramento dei trattamenti delle patologie muscolo-scheletriche associate a cambiamenti delle proprietà intrinseche del muscolo. Le proprietà meccaniche sono estratte dalle mappe di spostamento fornite dalla MRE attraverso algoritmi di inversione, ma si devono ancora fare passi avanti per arrivare a quantificare le proprietà anisotrope e viscoelastiche del muscolo. Lo scopo di questo lavoro di tesi è di supportare il miglioramento dei protocolli di acquisizione dei dati da MRE attraverso la realizzazione di phantoms che replicano le proprietà del muscolo. Questo scopo è stato raggiunto attraverso una combinazione di esperimenti svolti su phantoms di materiale composito anisotropo e modelli a elementi finiti che permettono di simulare la propagazione di onde meccaniche all’interno del materiale. Per prima cosa, è stato condotto uno studio computazionale su un modello che replica phantoms per MRE viscoelastici e con una struttura rinforzata da fibre per identificare l’effetto delle proprietà del composito sulla propagazione delle onde di taglio. In una seconda fase sono stati prodotti due diversi tipi di phantoms, poi testati tramite MRE. Uno dei due è stato stampato in 3D usando gelatina al 15% w/v e poi immerso in una matrice di gelatina al 5% w/v. L’altro è stato assemblato manualmente inserendo fibre di Spandex in una matrice di gelatina al 10% w/v. Successivamente gli esperimenti di MRE sui due phantoms sono stati replicati attraverso simulazioni agli elementi finiti.