Study on the mechanical anisotropy of soft tissues by optical elastography

Viscoelatic properties of biological tissue are of great interest for diagnostic purpose. Elastography aims not only at quantifying the routine palpation examinations performed by the clinicians but at retrieving elasticity and viscosity of any type of tissues in the body. To do so the propagation of mechanical waves in the body is imaged and processed to extract local viscoelastic properties. From mechanical point of view biological tissue are often highly anisotropic and can be described as transversely anisotropic. Since 2000's, a new method based on correlation of a diffuse field and called noise correlation allows to retrieve elasticity with slow imaging techniques even though Shannon criteria of sampling isn't fullfill. Until now noise correlation as be proven to succesfully retrieve local elasticity only in isotropic media. The topic of this work is to provide a measurement technique of elasticity in transversely isotropic tissues using noise correlation technique. Simulation of mechanical waves field are realised in isotropic and anisotropic media. Different shapes of waves sources are implemented. Coupling between anisotropy of the media and the shape of the autocorrelation of waves sources is highlighted. An uncoupling solution is proposed based on the simulations. An experimental verification is realised on isotropic and anisotropic agarose phantoms. Mechanical waves sources are controlled by piezoelectric actuators. Laser speckle imaging is used to detect mechanical waves propagation in the phantoms. Uncoupling solution is proven to work using Laser speckle imaging on agarose samples. Tensor of elasticity of anisotropic agarose samples are retrieve with good comparison with litteracy values.

Le proprietà viscoelastiche dei tessuti biologici sono di grande interesse a scopo diagnostico. L'elastografia non mira solamente a quantificare gli esami di palpazione di routine eseguiti dai medici, ma anche a recuperare l'elasticità e la viscosità di qualsiasi tipo di tessuto nel corpo. A tal fine, la propagazione delle onde meccaniche nel corpo viene fotografata ed elaborata per estrarre le proprietà viscoelastiche locali. Dal punto di vista meccanico, i tessuti biologici sono spesso altamente anisotropi e possono essere descritti come isotropi trasversali. A partire dagli anni 2000, un nuovo metodo basato sulla correlazione di un campo diffuso e chiamato correlazione del rumore permette di recuperare l'elasticità con tecniche di imaging lente, anche se i criteri di campionamento di Shannon non sono soddisfatti. Fino ad ora la correlazione del rumore si è dimostrata in grado di recuperare con successo l'elasticità locale solo in mezzi isotropi. Il tema di questo lavoro è fornire una tecnica di misurazione del tensore dell'elasticità nei tessuti trasversalmente anisotropi utilizzando la tecnica della correlazione del rumore. La simulazione del campo di onde meccaniche è realizzata in mezzi isotropi e anisotropi. Sono state implementate diverse forme di sorgenti d'onda. Viene evidenziato l'accoppiamento tra l'anisotropia del mezzo e la forma dell'autocorrelazione delle sorgenti d'onda. Sulla base delle simulazioni viene proposta una soluzione di disaccoppiamento. Viene realizzata una verifica sperimentale su fantocci di agarosio isotropi e anisotropi. Le sorgenti di onde meccaniche sono controllate da attuatori piezoelettrici. L'imaging speckle laser viene utilizzato per rilevare la propagazione delle onde meccaniche nei fantocci. La soluzione di disaccoppiamento è stata dimostrata utilizzando l'imaging laser speckle su campioni di agarosio. Il tensore di elasticità dei campioni di agarosio anisotropo viene recuperato con un buon confronto con i valori in letteratura.