Magnetic resonance elastography : finite element simulations of harmonic excitation experiments

Magnetic Resonance Elastography (MRE) is an innovative technique that combines MRI imaging with low-frequency vibrations to create a visual map, called elastogram. They represent how stiff is the body tissue analyzed and detect if there are any anomalies within the tissue. MRE is characterized by three main steps: a mechanical excitation is transmitted to the tissue of interest, successively from it the propagation of waves through the tissue are observed. Finally, from an inversion algorithm the mechanical properties of tissue are observed in a quantitative way. The aim of the present work is to provide a deeper understanding of the MRE technique, by using the Direct Problem, instead of the Inverse problem, which characterize MR Elastography. A Finite Element simulation is developed using Abaqus, since the the experimenatal results of the wave displacement obtained at UIC, were not significant and not enough clear to understand the behaviour of the waves propagation. Therefore a computational simulation is neededin order to give a wider prospective of MRE analysis. In the Finite Element Simulation, the direct problem approach was exploited. In this case, the material and mechanical properties of the isotropic phantom, that was used for the experimental setup at UIC, were considered as input of the problem and the wave displacements that propagate through the tissue as output. The results obtained from this study are intended to give a better understanding of the MRE technique. The computational study of this project is necessary to obtain more information about the behavior of the waves, which propagate inside the cylinder. Given that the experimental images, obtained at the UIC, are not noteworthy as they present noise and phase wraps. In addition, from the computational images, some data, such as the wave amplitude, have been calculated to evaluate the effects that the cylinder pre-tensioned has on the displacement of the propagation waves. Finally, this study confirmed that pre-tensioning the phantom has an effect on wave propagation and that it can be an important tool for obtaining a broader perspective of the parameters that influence magnetic resonance elastography, with the aim of optimizing the technique for future analysis and studies.

L'elastografia a risonanza magnetica (MRE) è una tecnica innovativa che combina i concetti dell’MRI con la trasmissione di vibrazioni a bassa frequenza, in modo da creare una mappa visiva, chiamata elastogramma; che rappresenta quanto è rigido il tessuto corporeo analizzato. MRE è caratterizzato da tre fasi principali: inizialmente viene applicata un'eccitazione meccanica al tessuto di interesse; successivamente si osserva la propagazione delle onde sul tessuto; e infine, da un algoritmo di inversione, si ottengono delle informazioni quantitative sulle proprietà meccaniche del tessuto. Lo scopo del presente lavoro è quello di fornire una comprensione più profonda della tecnica MRE, utilizzando il problema diretto, invece del problema inverso, che caratterizza l'elastografia MR. In questo lavoro verrà sviluppata una simulazione agli elementi finiti utilizzando Abaqus, in modo tale che i risultati dello spostamento d'onda, ottenuti sperimentalmente alla UIC, possano essere analizzati con una prospettiva più ampia. Nella simulazione è stata riprodotto il setup sperimentale utilizzato alla UIC, considerando come input le proprietà meccaniche del materiale, ottenendo cosi, in output, lo spostamento della propagazione delle onde lungo il cilindro. Infine, questo progetto ha l'intento di comprendere in modo approfondito il ruolo del pre-stress applicato sul campione; ovvero se l'allungamento del campione ha un effetto significativo sulla propagazione delle onde; con la speranza che confrontare la condizione di riposo con quella di pre-stretch dia maggiori informazioni sulle proprietà meccaniche del campione. Nella simulazione agli elementi finiti, è stato sfruttato l'approccio del problema diretto. In questo caso, il materiale e le proprietà meccaniche del campione isotropo, utilizzato per il setup sperimentale presso l'UIC, sono state considerate come input del problema; invece gli spostamenti d'onda, che si propagano attraverso il tessuto, sono stati considerati come output. I risultati ottenuti da questo studio hanno lo scopo di dare una migliore comprensione della tecnica MRE. Lo studio computazionale di questo progetto è necessario per ottenere più informazioni sul comporatmento delle onde, che si propagano all’interno del cilindro; dato che le immagini sperimentali, ottenute alla UIC, non sono significative in quanto presentano rumore. Inoltre, alcuni dati, come lunghezza d’onda e ampiezza dell’onda, sono stati calcolati per valutare gli effetti che il pre-tensionamento del cilindro ha sullo spostamento delle onde di propagazione. Infine, questo studio oltre a confermare che il pre-tensionamento ha un effetto sulla propagazione delle onde, può essere uno strumento importante per ottenere una prospettiva piu ampia dei parametri che influenzano l'elastografia a risonanza magnetica, con l'obiettivo di ottimizzare la tecnica per analisi e studi futuri.