A força de radiação acústica tem sido utilizada como o método de examinar propriedades físicas de materiais em diversas áreas. A vibro-acustografia é uma das técnicas que emprega este tipo de força para realizar análises de propriedades mecânicas de materiais. Esta técnica consiste na aplicação de força acústica modulada e focalizada na região de interesse. O alvo excitado vibra na frequência de modulação e o som emitido é característico da impedância mecânica do meio. Este som é detectado usando um hidrofone dedicado. Neste trabalho, propomos uma modificação nesta técnica de vibro-acustografia (VAG) e aplicando a técnica denominada vibro-acustomagnetografia (VAMG) substituindo o hidrofone por um sensor magnético de alta sensibilidade. A radiação acústica modulada será aplicada sobre um alvo magnetizado imerso no fluido em estudo. Com este procedimento, poder-se-á medir o deslocamento estático e dinâmico do alvo magnético (esfera) quando acusticamente excitado. Neste trabalho, foi usado um sensor magnetorresistivo com resolução da ordem de 1 nT para a montagem do transdutor de detecção de deslocamento do alvo magnético. A vibração do alvo foi induzida por uma força sem contato, usando a força acústica produzida por dois feixes concêntricos gerado por elementos piezelétricos confocais de mesma área e com foco comum a 7 cm. O alvo usado foi uma esfera magnética com um raio de 2,36 mm. O aparato foi avaliado por meio de medidas em água e em óleo. Os parâmetros viscoelásticos foram estimados a partir de ajustes não lineares da resposta do transdutor magnético em função da freqüência de modulação. / The acoustic radiation force has been used as the method to examine some materials physical properties in various areas. The vibro-acoustography is a technique that is being used to perform analysis of mechanical properties of materials. This technique involves the application of a focused acoustic modulated force. The excited target will vibrate at the frequency of modulation and the emitted sound is characteristic of the medium mechanical impedance. This sound is detected using a dedicated hydrophone. In this paper, we propose a modification of this technique vibro-acoustography (VAG) and applying a technique called vibro-acustomagnetography (VAMG) replacing the hydrophone by a magnetic sensor with high sensitivity. In this case, the modulated acoustic radiation will be applied on a magnetized target immersed in the fluid under study. With this procedure, static and dynamic displacement of the magnetic target (ball) will be measured when acoustically excited. In this study, we used a magnetoresistive sensor with resolution of about 1 nT for mounting the transducer to detect displacement of the magnetic target. The vibration of the target was induced by a non-contact force, using an ultrasonic beam modulated by two concentric beams generated by two piezoelectric elements confocal of the same area and common focus to 7 cm. The target used was a magnetic sphere with a radius of 2.36 mm. The apparatus was evaluated through of measurements in water and oil. Viscoelastic parameters were estimated fitting the nonlinear response of the magnetic transducer function of frequency modulation.

A força de radiação acústica tem sido utilizada como o método de examinar propriedades físicas de materiais em diversas áreas. A vibro-acustografia é uma das técnicas que emprega este tipo de força para realizar análises de propriedades mecânicas de materiais. Esta técnica consiste na aplicação de força acústica modulada e focalizada na região de interesse. O alvo excitado vibra na frequência de modulação e o som emitido é característico da impedância mecânica do meio. Este som é detectado usando um hidrofone dedicado. Neste trabalho, propomos uma modificação nesta técnica de vibro-acustografia (VAG) e aplicando a técnica denominada vibro-acustomagnetografia (VAMG) substituindo o hidrofone por um sensor magnético de alta sensibilidade. A radiação acústica modulada será aplicada sobre um alvo magnetizado imerso no fluido em estudo. Com este procedimento, poder-se-á medir o deslocamento estático e dinâmico do alvo magnético (esfera) quando acusticamente excitado. Neste trabalho, foi usado um sensor magnetorresistivo com resolução da ordem de 1 nT para a montagem do transdutor de detecção de deslocamento do alvo magnético. A vibração do alvo foi induzida por uma força sem contato, usando a força acústica produzida por dois feixes concêntricos gerado por elementos piezelétricos confocais de mesma área e com foco comum a 7 cm. O alvo usado foi uma esfera magnética com um raio de 2,36 mm. O aparato foi avaliado por meio de medidas em água e em óleo. Os parâmetros viscoelásticos foram estimados a partir de ajustes não lineares da resposta do transdutor magnético em função da freqüência de modulação. / The acoustic radiation force has been used as the method to examine some materials physical properties in various areas. The vibro-acoustography is a technique that is being used to perform analysis of mechanical properties of materials. This technique involves the application of a focused acoustic modulated force. The excited target will vibrate at the frequency of modulation and the emitted sound is characteristic of the medium mechanical impedance. This sound is detected using a dedicated hydrophone. In this paper, we propose a modification of this technique vibro-acoustography (VAG) and applying a technique called vibro-acustomagnetography (VAMG) replacing the hydrophone by a magnetic sensor with high sensitivity. In this case, the modulated acoustic radiation will be applied on a magnetized target immersed in the fluid under study. With this procedure, static and dynamic displacement of the magnetic target (ball) will be measured when acoustically excited. In this study, we used a magnetoresistive sensor with resolution of about 1 nT for mounting the transducer to detect displacement of the magnetic target. The vibration of the target was induced by a non-contact force, using an ultrasonic beam modulated by two concentric beams generated by two piezoelectric elements confocal of the same area and common focus to 7 cm. The target used was a magnetic sphere with a radius of 2.36 mm. The apparatus was evaluated through of measurements in water and oil. Viscoelastic parameters were estimated fitting the nonlinear response of the magnetic transducer function of frequency modulation.

Chronic liver diseases are the eighth leading cause of death in Brazil and a major public health problem in the world. Liver biopsy is the best available reference standard for evaluating and classifying stages of liver diseases, but it presents limitations and complications that are common in invasive methods. In recent years, elasticity imaging methods have been the focus of intense research activity with the ability to measure mechanical properties of soft tissues in a non-invasive way. Shear wave elastography is one of the most promising methods because it enables to quantitatively assess tissue elasticity. However, the current depth range of shear wave elastography impedes its application in obese patients, which have a great risk of developing liver disease. The aim of this study is to investigate the use of shear wave elastography in deeper tissues using a two-dimensional ultrasound transducer array. An efficient transducer array arrangement was simulated, fabricated and characterized. The results show that the proposed transducer configuration presents enhanced transmitting capabilities for generating tissue displacement in deeper tissues. In addition, numerical simulations were performed in order to track the tissue deformation and reconstruct its elastic properties. / Doenças crônicas do fígado são a oitava causa de morte no Brasil e um dos principais problemas de saúde pública do mundo. A biópsia do fígado é o melhor padrão de referência disponível para avaliação e classificação dos estágios das doenças hepáticas, mas apresenta limitações e complicações que são comuns nos métodos invasivos. Nos últimos anos, métodos de imagem por elasticidade têm sido o foco de intensa atividade de pesquisa, pois têm a capacidade de medir propriedades mecânicas dos tecidos moles de maneira não invasiva. A elastografia por ondas de cisalhamento é um dos métodos mais promissores, pois permite avaliar quantitativamente a elasticidade do tecido. No entanto, a atual faixa de profundidade da elastografia por ondas de cisalhamento impede sua aplicação em pacientes obesos, que apresentam grande risco de desenvolver doença hepática. O objetivo deste estudo é investigar o uso da elastografia por onda de cisalhamento em tecidos mais profundos usando um transdutor de ultrassom bidimensional. Uma configuração eficiente de transdutores matriciais foi simulada, fabricada e caracterizada. Os resultados mostram que o transdutor proposto possui capacidade de transmissão melhorada para gerar deslocamento em tecidos profundos. Além disso, simulações numéricas foram realizadas para monitorar a deformação do tecido e reconstruir suas propriedades elásticas.

The study of acoustic radiation force and torque phenomena has attracted an enormous interest of the scientific community, due to applications of these phenomena in noncontact particles manipulation. In this work, we perform a theoretical analysis of acoustic radiation force and torque exerted on a homogeneous visco elastic particle in the Rayleigh scattering limit (the particle radius is much smaller than the incident wavelength) by a wave with arbitrary geometry. Our study is based on the partial-wave expansion in spherical coordinates of the incident and scattered waves. In this context, the radiation force and torque are obtained analytically in terms of an infinite series which involves the scattering and incident expansion coefficients. We assume that the particle behaves as a linear viscoelastic solid, which obeys the fractional Kelvin-Voigt model. Analytical expressions for the radiation force and torque are obtained considering the low- and high-frequency approximation in the viscoelastic model. The developed theory is used to describe the interaction of acoustic waves (traveling and standing plane waves, and zero and first-order Bessel beams) with a low-and high-density polyethylene particle. Our results show that the axial acoustic radiation force might become negative (i.e. in opposition to the wave propagation direction) when a certain condition involving the physical parameters of the particle is satisfied. Negative acoustic radiation torque due a beam of first-order Bessel may also occur when the same condition of negative radiation force is met. Remarkably, this is the first time that negative radiation force is predicted on a homogeneous particle in the Rayleigh scattering regime. Further more, the stability of the transverse acoustic radiation force generated by a Bessel beam is also investigated. We show a full 3D tractor Bessel vortex beam acting on the high-density polyethylene (HDPE). In the analysis of acoustic radiation force generated on a viscoelastic particle by a standing plane wave, relevant deviations arose in comparison with the solid elastic model for the particles. The magnitude of the radiation force and torque on a HDPE described by the viscoelastic model behaves differently (negative radiation force) compared with other materials (solid elastic and compressible fluid particle) due to traveling plane wave and Bessel beams. Finally, we believe that this study may help further enhance the development of acoustic levitation, particle handling in acoustofluids, and acoustical tweezers devices. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O estudo dos fenômenos de força e torque de radiação acústico tem atraído um enorme interesse da comunidade científica, devido a aplicações desses fenômenos em manipulação de partículas sem contato. Neste trabalho, realizamos uma análise teórica da força e torque de radiação acústico exercido sobre uma partícula visco elástica homogênea no limite do espalhamento de Rayleigh (o raio da partícula é muito menor que o comprimento de onda incidente) por uma onda com geometria arbitrária. Nosso estudo baseia-se na expansão de ondas parciais em coordenadas esféricas das ondas incidente e espalhada. Nesse contexto, a força e o torque de radiação são obtidos analiticamente em termos de uma série infinita que envolve os coeficientes de expansão das ondas espalhada e incidente. Assumimos que a partícula se comporta como um sólido viscoelástico linear, que obedece o modelo de Kelvin-Voigt fracionário. Fórmulas analíticas para a força e torque de radiação são obtidas considerando uma aproximação de baixa e de alta frequência no modelo viscoelástico. A teoria desenvolvida é usada para descrever a interação de ondas acústicas (onda plana progressiva, onda plana estacionária, feixes de Bessel de ordem zero e de primeira ordem) com partículas de polietileno de baixa e de alta densidade. Os nossos resultados mostram que a força de radiação acústica axial pode ser negativa (isto é, em oposição à direção de propagação da onda) quando uma determinada condição envolvendo os parâmetros físicos da partícula é satisfeita. Torque de radiação acústico negativo devido a um feixe de Bessel de primeira ordem também pode ocorrer quando a mesma condição da força de radiação negativa for atendida. Notavelmente, esta é a primeira vez que a força de radiação negativa é prevista sobre uma partícula homogênea no regime de espalhamento Rayleigh. Além disso, a estabilidade transversal da força de radiação acústica gerada pelo feixe de Bessel também é investigada. Mostramos que um feixe de Bessel trator 3D completo atua sobre uma partícula de polietileno de alta densidade (PEAD). Na análise da força de radiação acústica gerada sobre uma partícula viscoelástica por uma onda plana estacionária, desvios relevantes surgiram em comparação com partícula sólida elástica. A amplitude da força e torque de radiação sobre uma PEAD descrita pelo modelo viscoelástico apresenta um comportamento diferente (força de radiação negativa) comparados com os outros materiais (sólida elástica e fluida com absorção longitudinal) devido a onda plana progressiva e feixes de Bessel. Por fim, acreditamos que este estudo pode ajudar a melhorar ainda mais o desenvolvimento de dispositivos de levitação acústica, manipulação de partículas em acustofluídica e pinças acústicas.

Chronic liver diseases are the eighth leading cause of death in Brazil and a major public health problem in the world. Liver biopsy is the best available reference standard for evaluating and classifying stages of liver diseases, but it presents limitations and complications that are common in invasive methods. In recent years, elasticity imaging methods have been the focus of intense research activity with the ability to measure mechanical properties of soft tissues in a non-invasive way. Shear wave elastography is one of the most promising methods because it enables to quantitatively assess tissue elasticity. However, the current depth range of shear wave elastography impedes its application in obese patients, which have a great risk of developing liver disease. The aim of this study is to investigate the use of shear wave elastography in deeper tissues using a two-dimensional ultrasound transducer array. An efficient transducer array arrangement was simulated, fabricated and characterized. The results show that the proposed transducer configuration presents enhanced transmitting capabilities for generating tissue displacement in deeper tissues. In addition, numerical simulations were performed in order to track the tissue deformation and reconstruct its elastic properties. / Doenças crônicas do fígado são a oitava causa de morte no Brasil e um dos principais problemas de saúde pública do mundo. A biópsia do fígado é o melhor padrão de referência disponível para avaliação e classificação dos estágios das doenças hepáticas, mas apresenta limitações e complicações que são comuns nos métodos invasivos. Nos últimos anos, métodos de imagem por elasticidade têm sido o foco de intensa atividade de pesquisa, pois têm a capacidade de medir propriedades mecânicas dos tecidos moles de maneira não invasiva. A elastografia por ondas de cisalhamento é um dos métodos mais promissores, pois permite avaliar quantitativamente a elasticidade do tecido. No entanto, a atual faixa de profundidade da elastografia por ondas de cisalhamento impede sua aplicação em pacientes obesos, que apresentam grande risco de desenvolver doença hepática. O objetivo deste estudo é investigar o uso da elastografia por onda de cisalhamento em tecidos mais profundos usando um transdutor de ultrassom bidimensional. Uma configuração eficiente de transdutores matriciais foi simulada, fabricada e caracterizada. Os resultados mostram que o transdutor proposto possui capacidade de transmissão melhorada para gerar deslocamento em tecidos profundos. Além disso, simulações numéricas foram realizadas para monitorar a deformação do tecido e reconstruir suas propriedades elásticas.