Neste trabalho é apresentada uma nova modalidade de imagens elastográficas baseada na emissão acústica, quando um meio é submetido à radiação ultrassônica. Esta técnica está sendo denominada de Acustografia por Pulso/Emissão (APE). Características não-lineares da propagação acústica de ondas ultrassônicas, e a resposta mecânica vibracional, foram utilizadas como artifício para geração de imagens com frequências da ordem de quilohertz (kHz), a partir da excitação com ondas ultrassônicas na ordem de megahertz. Para produzir imagens com essa nova modalidade, simuladores de tecido biológicos foram construídos com diferenças de rigidez localizadas, e submetidos a uma radiação ultrassônica focalizada (MHz). O som emitido devido a interação da onda ultrassônica com a região de interesse era gravado e processado de modo a associar a cada pequena porção do tecido a um valor relacionado a rigidez para a formação da imagem. Os resultados mostraram que o método pode produzir imagens associadas às alterações viscoelásticas das amostras. A resolução espacial mostrou-se fortemente ligada a morfologia do campo acústico de excitação, sendo possível detectar estruturas da ordem de 0,25 mm isoladamente. A técnica de aquisição, desenvolvida e apresentada neste trabalho, é similar a técnica de vibroacustografia todavia, com uma instrumentação reduzida e com a possibilidade de obtenção de mais informações da estrutura do meio material, a partir dos fenômenos não lineares observados. Estudos pilotos de aplicação desta nova técnica e com a vibroacustografia, foram realizados e comparados para a avaliação de potenciais aplicações, por exemplo, na avaliação do sinal acústico diante de mudanças nas propriedades viscoelásticas do meio induzidas por mudança de temperatura; formação de imagens em meios com inclusões isoecogênicas e com rigidez ligeiramente diferentes; geração de imagens de estrutura óssea in vitro. / In this work is presented a new modality of elastography images based on the acoustic emission when a material medium was subjected to a ultrasound radiation.This tecnique Nonlinearity behavior of the acoustic wave propagation and the vibrational mechanical response were used to produce images from kilohertz frequencies when the sample was excited by ultrasound waves in megahertz. To produce images with this modality, tissue mimicking phantoms were made with stiffness in homogeneities and subjected a focused ultrasound radiation pulses. The sound emitted due the interaction of the ultrasound wave with the region of interest was recorded and processed in order to associate each small portion of the tissue to a value for image formation. The results showed that this method can produce images associated to the viscoelastic changes of the samples. The spatial resolution have showed strongly linked to the morphology of the excitation acoustic field, this way was possible to detect isolated structures in order of 0.25 mm. The acquisiton technique developed and presented in this work is similar to the vibroacoustography technique, however with reduced instrumentation setup and with the possibility to acquire further information about the structure of the material from the nonlinear phenomenal. Preliminary studies of this new technique and the vibroacoustography were made and compared to evaluate the potential applications, for example, in the evalution of the acoustic signal behavior due changes in the viscoelastic properties changes induced by temperature variations; image formation in the medium with lightly stiffness inclusions; generation of the images of bone structure in vitro.

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.

Neste trabalho é apresentada uma nova modalidade de imagens elastográficas baseada na emissão acústica, quando um meio é submetido à radiação ultrassônica. Esta técnica está sendo denominada de Acustografia por Pulso/Emissão (APE). Características não-lineares da propagação acústica de ondas ultrassônicas, e a resposta mecânica vibracional, foram utilizadas como artifício para geração de imagens com frequências da ordem de quilohertz (kHz), a partir da excitação com ondas ultrassônicas na ordem de megahertz. Para produzir imagens com essa nova modalidade, simuladores de tecido biológicos foram construídos com diferenças de rigidez localizadas, e submetidos a uma radiação ultrassônica focalizada (MHz). O som emitido devido a interação da onda ultrassônica com a região de interesse era gravado e processado de modo a associar a cada pequena porção do tecido a um valor relacionado a rigidez para a formação da imagem. Os resultados mostraram que o método pode produzir imagens associadas às alterações viscoelásticas das amostras. A resolução espacial mostrou-se fortemente ligada a morfologia do campo acústico de excitação, sendo possível detectar estruturas da ordem de 0,25 mm isoladamente. A técnica de aquisição, desenvolvida e apresentada neste trabalho, é similar a técnica de vibroacustografia todavia, com uma instrumentação reduzida e com a possibilidade de obtenção de mais informações da estrutura do meio material, a partir dos fenômenos não lineares observados. Estudos pilotos de aplicação desta nova técnica e com a vibroacustografia, foram realizados e comparados para a avaliação de potenciais aplicações, por exemplo, na avaliação do sinal acústico diante de mudanças nas propriedades viscoelásticas do meio induzidas por mudança de temperatura; formação de imagens em meios com inclusões isoecogênicas e com rigidez ligeiramente diferentes; geração de imagens de estrutura óssea in vitro. / In this work is presented a new modality of elastography images based on the acoustic emission when a material medium was subjected to a ultrasound radiation.This tecnique Nonlinearity behavior of the acoustic wave propagation and the vibrational mechanical response were used to produce images from kilohertz frequencies when the sample was excited by ultrasound waves in megahertz. To produce images with this modality, tissue mimicking phantoms were made with stiffness in homogeneities and subjected a focused ultrasound radiation pulses. The sound emitted due the interaction of the ultrasound wave with the region of interest was recorded and processed in order to associate each small portion of the tissue to a value for image formation. The results showed that this method can produce images associated to the viscoelastic changes of the samples. The spatial resolution have showed strongly linked to the morphology of the excitation acoustic field, this way was possible to detect isolated structures in order of 0.25 mm. The acquisiton technique developed and presented in this work is similar to the vibroacoustography technique, however with reduced instrumentation setup and with the possibility to acquire further information about the structure of the material from the nonlinear phenomenal. Preliminary studies of this new technique and the vibroacoustography were made and compared to evaluate the potential applications, for example, in the evalution of the acoustic signal behavior due changes in the viscoelastic properties changes induced by temperature variations; image formation in the medium with lightly stiffness inclusions; generation of the images of bone structure in vitro.

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 vibroacustografia (VA) é uma técnica de imagem de alta resolução lateral (<0,7 mm), livre de speckles, não invasiva e que utiliza radiação não-ionizante, baseada no fenômeno de combinação não-linear de ondas de ultrassom (MHz) que gera uma região focal estreita de baixa frequência (kHz). Neste trabalho, propõe-se uma avaliação tridimensional baseada em imagens de VA da área descoberta de implantes, após o procedimento cirúrgico de artroplastia total de quadril (ATQ). A ATQ é uma técnica terapêutica de substituição de articulações do quadril por implantes, em pacientes com osteoartrose avançada. Atualmente, o acompanhamento pós-operatório é auxiliado pela análise de radiografia plana por raios-X. Contudo, esta técnica apresenta limitações na avaliação da estabilidade dos implantes, tais como: avaliação imprecisa da área, uma vez que, a radiografia plana trata o problema tridimensional como bidimensional; impossibilidade de visualização de algumas regiões do implante, devido ao sobreposicionamento das regiões numa imagem planar; restrição do uso de radiação ionizante na região da pelve em pacientes jovens. Devido à alta atenuação da onda de ultrassom incidindo sobre objetos densos, a VA pode ser ajustada para adquirir imagens relativas, principalmente, à superfície destes. Uma correção da topologia baseada na geometria do implante é apresentada, a fim de se avaliar com precisão a área superficial na representação tridimensional da imagem de VA. A correção da topologia baseada em aquisições em modo-B também é apresentada, sendo útil na avaliação da forma de ossos ou nos casos em que a forma do objeto estudado é desconhecida. Além disso, é apresentado um estudo numérico da utilização de transdutores matriciais reconfiguráveis (RCA, do inglês reconfigurable array) para a formação de feixe em VA. Um estudo paramétrico da seleção de abertura, número de canais, número de elementos, distância focal e parâmetros de varredura eletrônica do feixe é apresentado para demonstrar a viabilidade e avaliar o desempenho da imagem de VA utilizando o RCA. A função de espalhamento de ponto do sistema foi calculada com base em métodos de espectro angular usando a aproximação de Fresnel para fontes retangulares. Foram discutidas as vantagens de transdutores bidimensionais e RCA, e aspectos relacionados à importância clínica da implementação do RCA na VA, tais como resolução espacial, taxa de aquisição da imagem e implementação do RCA em máquinas comerciais. Conclui-se que: a aquisição de imagens por VA foi menos sensível ao ângulo de incidência das ondas de ultrassom do que por modo-B e apresentou alta resolução e alto contraste entre o osso e o implante, o que permitiu uma avaliação precisa da área exposta do implante; os transdutores RCA podem aprimorar a aquisição de imagens por VA, devido à sua resolução espacial similar à de transdutores confocais e à possibilidade de deflexão eletrônica do feixe (em inglês steering) nos planos de elevação e azimutal. / Vibro-acoustography (VA) is a high lateral resolution (<0.7 mm), speckle-free, non- ionizing and non-invasive image based on the nonlinear combination phenomenon of ultrasound waves (MHz) that generates a narrow focus region of low frequency (kHz). In this work, we propose a VA-based tridimensional evaluation of the exposed area of implants, after total hip arthroplasty (THA). THA is a therapeutic surgery procedure in which the hip joints are replaced by metal prostheses in patients with advanced osteoarthritis. Currently, the postoperative assessment of THA is performed by analyzing planar X-ray radiographies. However, this technique presents limitations in the implant stability evaluation such as: inaccurate evaluation of the area, since the planar radiography reduces the tridimensional problem into a two-dimensional one; problems in the visualization of some regions of the implants due to the superimposition of the regions; limitations of using ionizing radiation in the pelvis region of young patients. Due to the high attenuation of the ultrasound wave into objects of high density, the VA image can be set to mainly acquire the surface information. Topological correction based on the geometry of the implant is presented in order to accurately evaluate the surface area in tridimensional representation of the VA image. The topological correction based on B-mode slices is also presented and is useful in the evaluation of bone shape or in cases which the shape of the object is unknown. Furthermore, it is presented a numerical study of the use of reconfigurable arrays (RCA) for VA beam formation. A parametric study of the aperture selection, number of channels, number of elements, focal distance and steering parameters is presented in order to show the feasibility and evaluate the performance of VA imaging based on RCA. The point-spread function of the system is calculated based on angular spectrum methods using the Fresnel approximation for rectangular sources. Advantages of two-dimensional and RCA arrays and aspects related to clinical importance of the RCA implementation in VA such as spatial resolution, image frame-rate, and commercial machine implementation are discussed. It is concluded that: the VA image is less sensitive to the wave incident angle than B-mode; the VA image presents high-resolution and high-contrast between bone and implant, which allowed an accurate evaluation of the uncovered area; RCA transducers improve the VA acquisition by producing spatial resolution similar to confocal transducers, and due to the possibility of steering in elevation and azimuthal planes.

A vibroacustografia (VA) é uma técnica de imagem de alta resolução lateral (<0,7 mm), livre de speckles, não invasiva e que utiliza radiação não-ionizante, baseada no fenômeno de combinação não-linear de ondas de ultrassom (MHz) que gera uma região focal estreita de baixa frequência (kHz). Neste trabalho, propõe-se uma avaliação tridimensional baseada em imagens de VA da área descoberta de implantes, após o procedimento cirúrgico de artroplastia total de quadril (ATQ). A ATQ é uma técnica terapêutica de substituição de articulações do quadril por implantes, em pacientes com osteoartrose avançada. Atualmente, o acompanhamento pós-operatório é auxiliado pela análise de radiografia plana por raios-X. Contudo, esta técnica apresenta limitações na avaliação da estabilidade dos implantes, tais como: avaliação imprecisa da área, uma vez que, a radiografia plana trata o problema tridimensional como bidimensional; impossibilidade de visualização de algumas regiões do implante, devido ao sobreposicionamento das regiões numa imagem planar; restrição do uso de radiação ionizante na região da pelve em pacientes jovens. Devido à alta atenuação da onda de ultrassom incidindo sobre objetos densos, a VA pode ser ajustada para adquirir imagens relativas, principalmente, à superfície destes. Uma correção da topologia baseada na geometria do implante é apresentada, a fim de se avaliar com precisão a área superficial na representação tridimensional da imagem de VA. A correção da topologia baseada em aquisições em modo-B também é apresentada, sendo útil na avaliação da forma de ossos ou nos casos em que a forma do objeto estudado é desconhecida. Além disso, é apresentado um estudo numérico da utilização de transdutores matriciais reconfiguráveis (RCA, do inglês reconfigurable array) para a formação de feixe em VA. Um estudo paramétrico da seleção de abertura, número de canais, número de elementos, distância focal e parâmetros de varredura eletrônica do feixe é apresentado para demonstrar a viabilidade e avaliar o desempenho da imagem de VA utilizando o RCA. A função de espalhamento de ponto do sistema foi calculada com base em métodos de espectro angular usando a aproximação de Fresnel para fontes retangulares. Foram discutidas as vantagens de transdutores bidimensionais e RCA, e aspectos relacionados à importância clínica da implementação do RCA na VA, tais como resolução espacial, taxa de aquisição da imagem e implementação do RCA em máquinas comerciais. Conclui-se que: a aquisição de imagens por VA foi menos sensível ao ângulo de incidência das ondas de ultrassom do que por modo-B e apresentou alta resolução e alto contraste entre o osso e o implante, o que permitiu uma avaliação precisa da área exposta do implante; os transdutores RCA podem aprimorar a aquisição de imagens por VA, devido à sua resolução espacial similar à de transdutores confocais e à possibilidade de deflexão eletrônica do feixe (em inglês steering) nos planos de elevação e azimutal. / Vibro-acoustography (VA) is a high lateral resolution (<0.7 mm), speckle-free, non- ionizing and non-invasive image based on the nonlinear combination phenomenon of ultrasound waves (MHz) that generates a narrow focus region of low frequency (kHz). In this work, we propose a VA-based tridimensional evaluation of the exposed area of implants, after total hip arthroplasty (THA). THA is a therapeutic surgery procedure in which the hip joints are replaced by metal prostheses in patients with advanced osteoarthritis. Currently, the postoperative assessment of THA is performed by analyzing planar X-ray radiographies. However, this technique presents limitations in the implant stability evaluation such as: inaccurate evaluation of the area, since the planar radiography reduces the tridimensional problem into a two-dimensional one; problems in the visualization of some regions of the implants due to the superimposition of the regions; limitations of using ionizing radiation in the pelvis region of young patients. Due to the high attenuation of the ultrasound wave into objects of high density, the VA image can be set to mainly acquire the surface information. Topological correction based on the geometry of the implant is presented in order to accurately evaluate the surface area in tridimensional representation of the VA image. The topological correction based on B-mode slices is also presented and is useful in the evaluation of bone shape or in cases which the shape of the object is unknown. Furthermore, it is presented a numerical study of the use of reconfigurable arrays (RCA) for VA beam formation. A parametric study of the aperture selection, number of channels, number of elements, focal distance and steering parameters is presented in order to show the feasibility and evaluate the performance of VA imaging based on RCA. The point-spread function of the system is calculated based on angular spectrum methods using the Fresnel approximation for rectangular sources. Advantages of two-dimensional and RCA arrays and aspects related to clinical importance of the RCA implementation in VA such as spatial resolution, image frame-rate, and commercial machine implementation are discussed. It is concluded that: the VA image is less sensitive to the wave incident angle than B-mode; the VA image presents high-resolution and high-contrast between bone and implant, which allowed an accurate evaluation of the uncovered area; RCA transducers improve the VA acquisition by producing spatial resolution similar to confocal transducers, and due to the possibility of steering in elevation and azimuthal planes.