Thesis submitted in fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Technology: Radiography in the Faculty of Health and Wellness Sciences at the Cape Peninsula University of Technology 2013 / Background. Ultrasound has until recently been regarded as a sophisticated examination reserved for tertiary health care. In reality it is well suited to the district or primary health-care situation. A DVT (deep vein thrombosis) is an important complication of the treatment of TB and this can lead to more devastating sequelae such as a pulmonary embolus. Many DVTs are clinically silent, making the diagnosis difficult. Method. This study was a prospective, longitudinal observational study. The study documented the incidence of DVTs and their onset, assessed certain aspects in an attempt to identify some risk factors, and noted the most common position of the DVT in a TB population. The feasibility of a sonographer-led ultrasound clinic for the diagnosis of DVTs was also assessed. This was achieved by screening the in-patient population at a district TB hospital. The participants received up to four routine duplex Doppler compression ultrasound examinations of the venous system of the lower extremities on week 0, week 4, week 8 and week 14. In addition a single abdominal ultrasound was performed at week 0. Results The incidence of DVTs in this TB population was 15.3%. A median of day 10 from commencing TB treatment was identified as the most common day to develop a DVT. The popliteal vein was the most frequent position for a DVT. Several statistically significant factors were identified, including a decreased ambulatory status, TB regimen and the use of anticoagulants. Only 52% of the DVTs were clinically symptomatic. The clinical evaluation for a DVT diagnosis in this study population had a sensitivity of 52.4% and a specificity of 65.3%. The positive predictive value (PPV) was 21.7%. Of the abdominal ultrasound reports there were 75.5% (281) abnormal reports, 22.5% (n = 90) normal reports and 4.5% (n = 18) with no report. Conclusion This body of work has shown how an effective ultrasound service can be provided at a district level TB hospital successfully administered by a trained ultrasonographer. This also facilitated a screening service to diagnose both symptomatic and asymptomatic deep vein thromboses in newly diagnosed tuberculosis patients. This study confirmed a higher rate of DVT in newly diagnosed TB patients than has been previously seen. It also provided detail on additional risk factors. The study illustrates the poor performance of clinical signs and symptoms as a trigger for further investigation for the confirmation of a DVT. Given the frequency and impact of the embolic complications of DVT, this study provides a strong justification for further research into routine serial ultrasonic screening and/or prophylactic antithrombolytics in newly diagnosed TB patients. As well as the DVT ultrasound scans there was the ancillary service offered by the research sonographers. This included an abdominal scan that detected abdominal pathology in 75% of the scans performed. An ultrasound scan is not pathognomonic but it does provide significant insight into the extent of some of the abdominal pathologies seen in TB patients. The information provided from this study gives a good indication of the problem that DVTs present in this population and the complexities of the disease TB. It is hoped that the results from this study will better equip the medical team in the non-tertiary situation to be vigilant for the presence of a DVT and educate them on the usefulness of the ultrasound scan.

L’accident thromboembolique veineux, tel que la thrombose veineuse profonde (TVP) ou thrombophlébite des membres inférieurs, est une pathologie vasculaire caractérisée par la formation d’un caillot sanguin causant une obstruction partielle ou totale de la lumière sanguine. Les embolies pulmonaires sont une complication mortelle des TVP qui surviennent lorsque le caillot se détache, circule dans le sang et produit une obstruction de la ramification artérielle irriguant les poumons. La combinaison d’outils et de techniques d’imagerie cliniques tels que les règles de prédiction cliniques (signes et symptômes) et les tests sanguins (D-dimères) complémentés par un examen ultrasonographique veineux (test de compression, écho-Doppler), permet de diagnostiquer les premiers épisodes de TVP. Cependant, la performance de ces outils diagnostiques reste très faible pour la détection de TVP récurrentes. Afin de diriger le patient vers une thérapie optimale, la problématique n’est plus basée sur la détection de la thrombose mais plutôt sur l’évaluation de la maturité et de l’âge du thrombus, paramètres qui sont directement corrélées à ses propriétés mécaniques (e.g. élasticité, viscosité). L’élastographie dynamique (ED) a récemment été proposée comme une nouvelle modalité d’imagerie non-invasive capable de caractériser quantitativement les propriétés mécaniques de tissus. L’ED est basée sur l’analyse des paramètres acoustiques (i.e. vitesse, atténuation, pattern de distribution) d’ondes de cisaillement basses fréquences (10-7000 Hz) se propageant dans le milieu sondé. Ces ondes de cisaillement générées par vibration externe, ou par source interne à l’aide de la focalisation de faisceaux ultrasonores (force de radiation), sont mesurées par imagerie ultrasonore ultra-rapide ou par résonance magnétique. Une méthode basée sur l’ED adaptée à la caractérisation mécanique de thromboses veineuses permettrait de quantifier la sévérité de cette pathologie à des fins d’amélioration diagnostique. Cette thèse présente un ensemble de travaux reliés au développement et à la validation complète et rigoureuse d’une nouvelle technique d’imagerie non-invasive élastographique pour la mesure quantitative des propriétés mécaniques de thromboses veineuses. L’atteinte de cet objectif principal nécessite une première étape visant à améliorer les connaissances sur le comportement mécanique du caillot sanguin (sang coagulé) soumis à une sollicitation dynamique telle qu’en ED. Les modules de conservation (comportement élastique, G’) et de perte (comportement visqueux, G’’) en cisaillement de caillots sanguins porcins sont mesurés par ED lors de la cascade de coagulation (à 70 Hz), et après coagulation complète (entre 50 Hz et 160 Hz). Ces résultats constituent les toutes premières mesures du comportement dynamique de caillots sanguins dans une gamme fréquentielle aussi étendue. L’étape subséquente consiste à mettre en place un instrument innovant de référence (« gold standard »), appelé RheoSpectris, dédié à la mesure de la viscoélasticité hyper-fréquence (entre 10 Hz et 1000 Hz) des matériaux et biomatériaux. Cet outil est indispensable pour valider et calibrer toute nouvelle technique d’élastographie dynamique. Une étude comparative entre RheoSpectris et la rhéométrie classique est réalisée afin de valider des mesures faites sur différents matériaux (silicone, thermoplastique, biomatériaux, gel). L’excellente concordance entre les deux technologies permet de conclure que RheoSpectris est un instrument fiable pour la mesure mécanique à des fréquences difficilement accessibles par les outils actuels. Les bases théoriques d’une nouvelle modalité d’imagerie élastographique, nommée SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography »), sont présentées et validées sur des fantômes vasculaires. Cette approche permet de caractériser les propriétés mécaniques d’une inclusion confinée (e.g. caillot sanguin) à partir de sa résonance (amplification du déplacement) produite par la propagation d’ondes de cisaillement judicieusement orientées. SWIRE a également l’avantage d’amplifier l’amplitude de vibration à l’intérieur de l’hétérogénéité afin de faciliter sa détection et sa segmentation. Finalement, la méthode DVT-SWIRE (« Deep venous thrombosis – SWIRE ») est adaptée à la caractérisation de l’élasticité quantitative de thromboses veineuses pour une utilisation en clinique. Cette méthode exploite la première fréquence de résonance mesurée dans la thrombose lors de la propagation d’ondes de cisaillement planes (vibration d’une plaque externe) ou cylindriques (simulation de la force de radiation par génération supersonique). DVT-SWIRE est appliquée sur des fantômes simulant une TVP et les résultats sont comparés à ceux donnés par l’instrument de référence RheoSpectris. Cette méthode est également utilisée avec succès dans une étude ex vivo pour l’évaluation de l’élasticité de thromboses porcines explantées après avoir été induites in vivo par chirurgie. / The venous thromboembolism such as the lower limb deep venous thrombosis (DVT) is a vascular pathology characterized by a blood clot formation that induces partial or total vessel lumen occlusion. Pulmonary embolism is a fatal complication of DVT where the clot detaches from the wall, circulates in the blood flow, and produces an obstruction of pulmonary arterial branches. The combination of clinical prediction rules (signs or symptoms) and blood tests (D-dimer testing) coupled to venous ultrasonography (i.e. compression ultrasonography, color Doppler) allows an accurate diagnosis of first DVT. Nevertheless, such clinical tools present poor results to detect recurrent thrombotic events. Then, in order to guide patients towards optimal therapy, the problem is no more to detect the presence of thrombus, but to evaluate its maturity and its age, which are correlated to their mechanical properties (e.g. elasticity, viscosity). The dynamic elastography (DE) has been recently proposed as a novel non-invasive imaging modality capable to characterize the quantitative mechanical properties of tissues. The DE is based on the analysis of acoustical parameters (i.e. velocity, attenuation, wave pattern) of low frequency (10-7000 Hz) shear waves propagating within the probed medium. Such shear waves generated by external vibration, or remotely using ultrasound beam focalisation (radiation force), were tracked using ultra-fast ultrasound or magnetic resonance imaging. A method based on DE and adapted to mechanical characterization of venous thrombosis may allow the quantification of diseases severity in order to improve the final diagnosis. This thesis presents the works related to the development and complete validation of a novel non-invasive elastography imaging method for the quantitative and reliable estimation of mechanical properties of venous thrombosis. In order to fulfil the main objective, it is first necessary to improve knowledge about mechanical behaviours of blood clot (coagulated blood) subjected to a dynamic solicitation similar to DE. The shear storage (elastic behaviour, G’) and loss (viscous behavior, G’’) moduli of porcine blood clots are measured by DE during the blood coagulation kinetics (at 70 Hz) and after completely coagulation (between 50 Hz and 160 Hz). These results are the first dynamic behaviour measurements of blood clots in such wide frequency range. The subsequent step consists in introducing an innovative reference instrument (« gold standard »), called RheoSpectris, dedicated to measure the hyper-frequency viscoelasticity (between 10 Hz and 1000 Hz) of materials and biomaterials. This tool is indispensable to validate new dynamic elastography techniques. A comparative study between RheoSpectris and classical rheometry is performed to validate the measurements on different materials (silicon, thermoplastic, biomaterials, gel). The excellent agreement between both technologies allows to conclude that RheoSpectris is a reliable instrument for mechanical measurements at high frequencies, which is not always possible with current tools. The theoretical basis of a novel elastographic imaging modality, labelled SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography ») is presented and validated on vascular phantoms. Such approach allows the characterization of mechanical properties of a confined inclusion (e.g. blood clot) from its resonance (displacement amplification) due to the propagation of judiciously oriented shear waves. SWIRE has also the advantage to amplify the vibration amplitude within the heterogeneity to help for its detection and segmentation. Finally, the method DVT-SWIRE ((« Deep venous thrombosis – SWIRE ») is adapted to the quantitative elasticity estimation of venous thrombosis in the context of clinical use. DVT-SWIRE exploits the first resonance frequency measured within the thrombosis during the plane (vibration of rigid plate) or cylindrical (simulating supersonic radiation force generation) shear waves propagation. The technique is applied on DVT phantoms and the results are compared to those given by the RheoSpectris reference instrument. This method is also used successfully in an ex vivo study for the elasticity assessment of explanted porcine thrombosis surgically induced in vivo.

L'élastographie ultrasonore est une technique d'imagerie émergente destinée à cartographier les paramètres mécaniques des tissus biologiques, permettant ainsi d’obtenir des informations diagnostiques additionnelles pertinentes. La méthode peut ainsi être perçue comme une extension quantitative et objective de l'examen palpatoire. Diverses techniques élastographiques ont ainsi été proposées pour l'étude d'organes tels que le foie, le sein et la prostate et. L'ensemble des méthodes proposées ont en commun une succession de trois étapes bien définies: l'excitation mécanique (statique ou dynamique) de l'organe, la mesure des déplacements induits (réponse au stimulus), puis enfin, l'étape dite d'inversion, qui permet la quantification des paramètres mécaniques, via un modèle théorique préétabli. Parallèlement à la diversification des champs d'applications accessibles à l'élastographie, de nombreux efforts sont faits afin d'améliorer la précision ainsi que la robustesse des méthodes dites d'inversion. Cette thèse regroupe un ensemble de travaux théoriques et expérimentaux destinés à la validation de nouvelles méthodes d'inversion dédiées à l'étude de milieux mécaniquement inhomogènes. Ainsi, dans le contexte du diagnostic du cancer du sein, une tumeur peut être perçue comme une hétérogénéité mécanique confinée, ou inclusion, affectant la propagation d'ondes de cisaillement (stimulus dynamique). Le premier objectif de cette thèse consiste à formuler un modèle théorique capable de prédire l'interaction des ondes de cisaillement induites avec une tumeur, dont la géométrie est modélisée par une ellipse. Après validation du modèle proposé, un problème inverse est formulé permettant la quantification des paramètres viscoélastiques de l'inclusion elliptique. Dans la continuité de cet objectif, l'approche a été étendue au cas d'une hétérogénéité mécanique tridimensionnelle et sphérique avec, comme objectifs additionnels, l'applicabilité aux mesures ultrasonores par force de radiation, mais aussi à l'estimation du comportement rhéologique de l'inclusion (i.e., la variation des paramètres mécaniques avec la fréquence d'excitation). Enfin, dans le cadre de l'étude des propriétés mécaniques du sang lors de la coagulation, une approche spécifique découlant de précédents travaux réalisés au sein de notre laboratoire est proposée. Celle-ci consiste à estimer la viscoélasticité du caillot sanguin via le phénomène de résonance mécanique, ici induit par force de radiation ultrasonore. La méthode, dénommée ARFIRE (''Acoustic Radiation Force Induced Resonance Elastography'') est appliquée à l'étude de la coagulation de sang humain complet chez des sujets sains et sa reproductibilité est évaluée. / Ultrasound elastography is an emerging technology derived from the concept of manual palpation and dedicated to the mapping of biological tissue mechanical properties in a diagnostic context. Various elastographic approaches have been applied to the study of organs such as the liver, breast or prostate. All proposed techniques rely on a three-steps procedure: first, the tissue to be studied is mechanically excited, in a static or dynamic way. Induced displacements are then measured and used to estimate qualitatively or quantitatively mechanical properties of the medium. This step is called inversion. While application fields of elastography are constantly broadened, efforts are made to provide robust and accurate inversion algorithms. In this monography, theoretical and experimental works related to the development of new inversion methods dedicated to the study of mechanically inhomogeneous media in dynamic ultrasound elastography are provided. In the context of breast cancer diagnosis, a localized tumour can be assumed as a confined mechanical heterogeneity, also referred as an inclusion, which can disturb the propagation of shear waves (dynamic excitation). The first objective of this thesis is to provide a theoretical model to describe physical interactions occurring between incident shear waves and a tumour, here geometrically assumed as an ellipse. Once the theoretical model is validated, an inverse problem is formulated allowing further quantification of inclusion viscoelastic parameters. Aiming the development of realistic models, the previous work has been extended to the case of three dimensional spherical heterogeneities and adapted to the specific case of an acoustic radiation force excitation. Furthermore, the feasibility of assessing the medium rheological model (i.e., the frequency dependence of mechanical properties) is demonstrated. Finally, in the context of vascular diseases and blood coagulation, an inversion method based on the study of the mechanical resonance phenomenon induced by acoustic radiation force is proposed. The technique, termed ARFIRE (Acoustic Radiation Force Induced Resonance Elastography), is applied to human whole blood samples and the reproducibility of results is assessed.

L’accident thromboembolique veineux, tel que la thrombose veineuse profonde (TVP) ou thrombophlébite des membres inférieurs, est une pathologie vasculaire caractérisée par la formation d’un caillot sanguin causant une obstruction partielle ou totale de la lumière sanguine. Les embolies pulmonaires sont une complication mortelle des TVP qui surviennent lorsque le caillot se détache, circule dans le sang et produit une obstruction de la ramification artérielle irriguant les poumons. La combinaison d’outils et de techniques d’imagerie cliniques tels que les règles de prédiction cliniques (signes et symptômes) et les tests sanguins (D-dimères) complémentés par un examen ultrasonographique veineux (test de compression, écho-Doppler), permet de diagnostiquer les premiers épisodes de TVP. Cependant, la performance de ces outils diagnostiques reste très faible pour la détection de TVP récurrentes. Afin de diriger le patient vers une thérapie optimale, la problématique n’est plus basée sur la détection de la thrombose mais plutôt sur l’évaluation de la maturité et de l’âge du thrombus, paramètres qui sont directement corrélées à ses propriétés mécaniques (e.g. élasticité, viscosité). L’élastographie dynamique (ED) a récemment été proposée comme une nouvelle modalité d’imagerie non-invasive capable de caractériser quantitativement les propriétés mécaniques de tissus. L’ED est basée sur l’analyse des paramètres acoustiques (i.e. vitesse, atténuation, pattern de distribution) d’ondes de cisaillement basses fréquences (10-7000 Hz) se propageant dans le milieu sondé. Ces ondes de cisaillement générées par vibration externe, ou par source interne à l’aide de la focalisation de faisceaux ultrasonores (force de radiation), sont mesurées par imagerie ultrasonore ultra-rapide ou par résonance magnétique. Une méthode basée sur l’ED adaptée à la caractérisation mécanique de thromboses veineuses permettrait de quantifier la sévérité de cette pathologie à des fins d’amélioration diagnostique. Cette thèse présente un ensemble de travaux reliés au développement et à la validation complète et rigoureuse d’une nouvelle technique d’imagerie non-invasive élastographique pour la mesure quantitative des propriétés mécaniques de thromboses veineuses. L’atteinte de cet objectif principal nécessite une première étape visant à améliorer les connaissances sur le comportement mécanique du caillot sanguin (sang coagulé) soumis à une sollicitation dynamique telle qu’en ED. Les modules de conservation (comportement élastique, G’) et de perte (comportement visqueux, G’’) en cisaillement de caillots sanguins porcins sont mesurés par ED lors de la cascade de coagulation (à 70 Hz), et après coagulation complète (entre 50 Hz et 160 Hz). Ces résultats constituent les toutes premières mesures du comportement dynamique de caillots sanguins dans une gamme fréquentielle aussi étendue. L’étape subséquente consiste à mettre en place un instrument innovant de référence (« gold standard »), appelé RheoSpectris, dédié à la mesure de la viscoélasticité hyper-fréquence (entre 10 Hz et 1000 Hz) des matériaux et biomatériaux. Cet outil est indispensable pour valider et calibrer toute nouvelle technique d’élastographie dynamique. Une étude comparative entre RheoSpectris et la rhéométrie classique est réalisée afin de valider des mesures faites sur différents matériaux (silicone, thermoplastique, biomatériaux, gel). L’excellente concordance entre les deux technologies permet de conclure que RheoSpectris est un instrument fiable pour la mesure mécanique à des fréquences difficilement accessibles par les outils actuels. Les bases théoriques d’une nouvelle modalité d’imagerie élastographique, nommée SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography »), sont présentées et validées sur des fantômes vasculaires. Cette approche permet de caractériser les propriétés mécaniques d’une inclusion confinée (e.g. caillot sanguin) à partir de sa résonance (amplification du déplacement) produite par la propagation d’ondes de cisaillement judicieusement orientées. SWIRE a également l’avantage d’amplifier l’amplitude de vibration à l’intérieur de l’hétérogénéité afin de faciliter sa détection et sa segmentation. Finalement, la méthode DVT-SWIRE (« Deep venous thrombosis – SWIRE ») est adaptée à la caractérisation de l’élasticité quantitative de thromboses veineuses pour une utilisation en clinique. Cette méthode exploite la première fréquence de résonance mesurée dans la thrombose lors de la propagation d’ondes de cisaillement planes (vibration d’une plaque externe) ou cylindriques (simulation de la force de radiation par génération supersonique). DVT-SWIRE est appliquée sur des fantômes simulant une TVP et les résultats sont comparés à ceux donnés par l’instrument de référence RheoSpectris. Cette méthode est également utilisée avec succès dans une étude ex vivo pour l’évaluation de l’élasticité de thromboses porcines explantées après avoir été induites in vivo par chirurgie. / The venous thromboembolism such as the lower limb deep venous thrombosis (DVT) is a vascular pathology characterized by a blood clot formation that induces partial or total vessel lumen occlusion. Pulmonary embolism is a fatal complication of DVT where the clot detaches from the wall, circulates in the blood flow, and produces an obstruction of pulmonary arterial branches. The combination of clinical prediction rules (signs or symptoms) and blood tests (D-dimer testing) coupled to venous ultrasonography (i.e. compression ultrasonography, color Doppler) allows an accurate diagnosis of first DVT. Nevertheless, such clinical tools present poor results to detect recurrent thrombotic events. Then, in order to guide patients towards optimal therapy, the problem is no more to detect the presence of thrombus, but to evaluate its maturity and its age, which are correlated to their mechanical properties (e.g. elasticity, viscosity). The dynamic elastography (DE) has been recently proposed as a novel non-invasive imaging modality capable to characterize the quantitative mechanical properties of tissues. The DE is based on the analysis of acoustical parameters (i.e. velocity, attenuation, wave pattern) of low frequency (10-7000 Hz) shear waves propagating within the probed medium. Such shear waves generated by external vibration, or remotely using ultrasound beam focalisation (radiation force), were tracked using ultra-fast ultrasound or magnetic resonance imaging. A method based on DE and adapted to mechanical characterization of venous thrombosis may allow the quantification of diseases severity in order to improve the final diagnosis. This thesis presents the works related to the development and complete validation of a novel non-invasive elastography imaging method for the quantitative and reliable estimation of mechanical properties of venous thrombosis. In order to fulfil the main objective, it is first necessary to improve knowledge about mechanical behaviours of blood clot (coagulated blood) subjected to a dynamic solicitation similar to DE. The shear storage (elastic behaviour, G’) and loss (viscous behavior, G’’) moduli of porcine blood clots are measured by DE during the blood coagulation kinetics (at 70 Hz) and after completely coagulation (between 50 Hz and 160 Hz). These results are the first dynamic behaviour measurements of blood clots in such wide frequency range. The subsequent step consists in introducing an innovative reference instrument (« gold standard »), called RheoSpectris, dedicated to measure the hyper-frequency viscoelasticity (between 10 Hz and 1000 Hz) of materials and biomaterials. This tool is indispensable to validate new dynamic elastography techniques. A comparative study between RheoSpectris and classical rheometry is performed to validate the measurements on different materials (silicon, thermoplastic, biomaterials, gel). The excellent agreement between both technologies allows to conclude that RheoSpectris is a reliable instrument for mechanical measurements at high frequencies, which is not always possible with current tools. The theoretical basis of a novel elastographic imaging modality, labelled SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography ») is presented and validated on vascular phantoms. Such approach allows the characterization of mechanical properties of a confined inclusion (e.g. blood clot) from its resonance (displacement amplification) due to the propagation of judiciously oriented shear waves. SWIRE has also the advantage to amplify the vibration amplitude within the heterogeneity to help for its detection and segmentation. Finally, the method DVT-SWIRE ((« Deep venous thrombosis – SWIRE ») is adapted to the quantitative elasticity estimation of venous thrombosis in the context of clinical use. DVT-SWIRE exploits the first resonance frequency measured within the thrombosis during the plane (vibration of rigid plate) or cylindrical (simulating supersonic radiation force generation) shear waves propagation. The technique is applied on DVT phantoms and the results are compared to those given by the RheoSpectris reference instrument. This method is also used successfully in an ex vivo study for the elasticity assessment of explanted porcine thrombosis surgically induced in vivo.