Finite element simulation for replication of a magnetic resonance elastography (MRE) experiment on an anisotropic muscle-mimicking phantom

Changes occurring in mechanical properties of biological skeletal muscle are often related to the presence of severe diseases that terribly affect the lives of many. For this reason, pre-emptive assessment of such changes has become a topic worthy of attention for medical doctors worldwide. In recent years, scientists have developed a new diagnostic tool, based on the MRI imaging technique, named Magnetic Resonance Elastography (MRE), a technique that is able to non-invasively assess tissue mechanical properties by relying on an initial mechanical excitation. As for this work, MRE had been previously put to a test by the author during experiments performed at the University of Illinois at Chicago: an assembled anisotropic muscle-mimicking phantom was harmonically excited in a geometrically focused axial fashion, acquiring images of waves propagating inside the medium and eventually inverting displacement data to shear modulus values. This research study aims to provide a different point of view on the MRE technique, by reversing the common procedure steps, thus creating a Direct Formulation: mechanical properties do not represent the result of the process, rather the input for the study, performed via FE computational simulations in Abaqus; the software is fed with properties from the anisotropic phantom studied at UIC, and it eventually provides images of displacements. These are used as a source of comparison with those acquired during the experimental analysis of the phantom and are needed to validate both the numerical and the experimental procedure. Additionally, post-processing steps are performed starting from the application of a 2D Fourier Transform on the displacement data. These measures provide a qualitative and quantitative demonstration of the fact that anisotropy within tissues gives a substantial contribution to the way waves propagate. Still, some inequalities between numerical and experimental displacement images are present, due to the impossibility of having an exact match for the properties of the two works. An improvement in the accuracy of the selection of such values will elevate the analysis’s accuracy and its future applications. Overall, this work represents a further contribution to the wide panorama of research conducted on the MRE technique, providing an uncommon point of view on the technique itself. Together with many other works, it could be useful in extending knowledge on MRE, thus improving the accuracy and efficiency of diagnosis.

I cambiamenti che si verificano nelle proprietà meccaniche del tessuto muscolare scheletrico biologico sono spesso legati alla presenza di gravi malattie che influenzano terribilmente la vita di molti. Per questo motivo, la valutazione preventiva di tali cambiamenti è diventata un argomento degno di attenzione per i medici di tutto il mondo. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo strumento diagnostico, basato sulla tecnica di imaging MRI, denominato Magnetic Resonance Elastography (MRE), una tecnica in grado di valutare in modo non invasivo le proprietà meccaniche dei tessuti facendo affidamento su un'eccitazione meccanica iniziale. Per quanto riguarda questo lavoro, la MRE era stata precedentemente testata dall'autore durante esperimenti condotti presso la University of Illinois at Chicago: un campione anisotropo costruito in modo da simulare la struttura del muscolo scheletrico veniva stimolato in modo armonico lungo il suo asse, acquisendo immagini di onde che si propagano all'interno del mezzo ed infine invertendo i dati di spostamento in valori di modulo di taglio. Questo lavoro di tesi si propone di fornire un diverso punto di vista sulla tecnica MRE, invertendo le fasi della procedura comune, creando così una Formulazione Diretta: le proprietà meccaniche non rappresentano il risultato del processo, bensì l'input per lo studio, eseguito tramite simulazioni ad elementi finiti in Abaqus; il software è alimentato con le proprietà del campione anisotropo studiato a UIC e come risultato fornisce immagini degli spostamenti. Queste sono usate per effettuare un confronto con quelle acquisite durante l'analisi sperimentale del campione e sono necessarie per validare sia la procedura numerica che quella sperimentale. Inoltre, vengono eseguite alcune fasi di post-elaborazione a partire dall'applicazione di una trasformata di Fourier 2D sui dati di spostamento. Queste misure forniscono una dimostrazione qualitativa e quantitativa del fatto che l'anisotropia all'interno dei tessuti fornisce un contributo sostanziale al modo in cui le onde si propagano. Sono ancora presenti alcune disuguaglianze tra le immagini di spostamento numeriche e sperimentali, dovute all'impossibilità di avere una corrispondenza esatta per le proprietà dei due processi. Un miglioramento nella precisione della selezione di tali valori aumenterà l'accuratezza dell'analisi e le sue applicazioni future. Nel complesso, questo lavoro rappresenta un ulteriore contributo all'ampio panorama delle ricerche condotte sulla tecnica MRE, fornendo un punto di vista non comune sulla tecnica stessa. Insieme a molti altri lavori, potrebbe essere utile per ampliare le conoscenze sulla MRE, migliorando così l'accuratezza e l'efficienza della diagnosi.