Breast cancer is one of the greatest problems of national and international public health, whose incidence among women population shows an increasing trend. Nowadays there are several elastographic techniques, which seek to characterize the tissue, that is, to analyze the response produced by the application of a perturbation in the medium, to describe its mechanical properties. Among the modalities used are ultrasound, nuclear magnetic resonance and optical coherence tomography. On the other hand, among the types of disturbance used are low frequency mechanical waves, a uniform compression force or acoustic radiation force. In this thesis work, ultrasound was used due to its low economical cost in comparison to the other modalities. In addition, the type of perturbation selected was the external mechanical vibration, as it ensures the achievement of quantitative results, there is no risk of temperature rise in the analyzed area and allows the repeatability of the results obtained. Hence, two elastographic techniques were the axes of the present work: vibro-elastography and normal vibration holography. For the first, a calibrated phantom and a gelatin-based phantom were used, in order to characterize and validate the technique over a wide range of excitation frequencies. Posteriorly, 18 patients were analyzed prior biopsy exam, obtaining elastograms and contrasting them with the respective biopsy results. The results suggest that the technique is able to identify the presence of benign or malignant cancer, and the elasticity estimated agree with values reported in the literature. The second technique is proposed in the elastography field for the first time. Based on holography, its experimental scheme is established, and the mathematical expression for shear speed estimation is presented. Results from simulation and experiments performed on homogeneous and heterogeneous phantoms are presented, and the estimates are compared with previously obtained reference values. The results suggest that the estimates are close to the reference values for all media tested, and the technique must be studied in depth to revert artifacts formation. / Tesis

Quantitative ultrasound has been used in several modalities for different experiments such as simulated phantom, physical phantoms, ex vivo and in vivo tissues. The potential of the ultrasound techniques could be useful to complemented medical diagnosis. In this work, two quantitative ultrasound techniques are applied on in vivo experiments: crawling waves sonoelastography applied to bicep brachii and a regularized power law for backscattering and attenuation coefficient for ovary tumor. A crawling waves sonoelastography (CWS) method was applied using two mini-shakers making parallel contact (conventional setup) and normal contact with the surface in two phantoms (homogeneous and inhomogeneous) using the phase derivative algorithm to assess the performance of the normal excitation with well-know metrics such as error, coefficient of variation, signal-to noise ratio and contrast-to noise ratio. The results suggest that the normal excitation provides comparable stiffness estimation in homogeneous and inhomogeneous phantoms. For in vivo test, a bicep barchii from healthy volunteers were assess in two experiments: relaxed-contracted and with a range weight of load. The application of normal setup indicated that a measurement of the relative stiffness on bicep brachii can be realized. The results indicated that a using the incremental weight causes a increase on the stiffness of the bicep following a linear behavior. A regularized power law (RPL) method was implemented and testing with simulated phantoms using a combination of the possible variables of data block size and the regularized parameters of the three variables of the backscattering and attenuation coefficients. The results showed that is possible provide accurate and precise backscattering and attenuation coefficient in the same algorithm. Additionally, in vivo breast experiments was performed and compared with the literature obtaining comparable results. Finally, a tumor of patients with suspected ovarian cancer were assess. The results suggests that RPL method and in general provides reasonable depictions of the reflectivity and attenuation of interrogated media. / Tesis

El desorden muscular se origina debido a problemas neurológicos (e.g Parkinson) o patologías físicas (e.g. distensión muscular); sin embargo, los diagnósticos clínicos actuales no brindan información protocolar y cuantitativa que permitan monitorear la enfermedad. La elastografía es una técnica no invasiva con enfoque cuantitativo que complementa el diagnóstico clínico. Específicamente, Crawling Waves Sonoelastography es una técnica basada en la estimación de ondas de corte (SWS, por sus siglas en inglés) por propagación mecánica la cual ha logrado resultados prometedores para la caracterización de tejidos; no obstante, los estimadores utilizados para el cálculo de la SWS (i.e. Phase Derivative, Autocorrelación-Hoyt) han reportado limitaciones relevantes como la sobre estimación en los bordes o la presencia de artefactos distribuidos en el mapa de elasticidad. Esto ha sido disminuido en gran medida por el estimador Regularized Wavelength Average Velocity Estimator (R-WAVE); sin embargo, no ha sido implementado y probado para una propagación desde la normal a la superficie del objeto de estudio. En este trabajo de investigación se presenta un análisis de dos estimadores de velocidad de onda de corte: Phase Derivative (PD) [1] y Regularized Wavelength Average Velocity Estimator (R-WAVE) [2] para una propagación normal del patrón de interferencias generado por dos fuentes de vibración. Finalmente, este documento concluye en un modelo de solución el cual contempla la realización de simulaciones de entornos homogéneos y heterogéneos (multicapa y con inclusión), la aplicación de los dos estimadores de velocidad de onda de corte en las simulaciones y en data adquirida de maniquíes experimentales y finalmente el estudio del desempeño del coeficiente de regularización del estimador R-WAVE.

La elastografía abarca un grupo de técnicas no invasivas para la caracterización de tejidos como complemento al diagnóstico médico de diversas patologías. Una de estas técnicas es la Elastografía por Campo Reverberante (R-SWE, por sus siglas en inglés) que genera un campo reverberante acústico en el tejido de interés mediante múltiples fuentes de vibración, asumiendo una distribución isotrópica de ondas planas para facilitar el cálculo de la velocidad de onda de corte (SWS), la cual es proporcional a la elasticidad del medio. Su factibilidad ha sido validada para la caracterización de mamas, hígado, riñones, musculo y pie; sin embargo, el cálculo de la SWS ha sido comprobado mientras se verifique la uniformidad del campo. El modelo actual se basa en la umbralización del coeficiente de determinación R2 producto del ajuste de curva a la autocorrelación de la velocidad de partículas, no obstante, este es insuficiente como determinador y no analiza propiamente el concepto de uniformidad. En el presente trabajo, se presenta el estudio del fenómeno de uniformidad en un campo reverberante, mediante la extracción y análisis de estimadores estadísticos usados en campos reverberantes de ondas electromagnéticas con sus equivalencias en ondas mecánicas acústicas. Se propone un modelo identificación de campos reverberantes uniformes para la asistencia de la R-SWE, basado en clasificadores automáticos (Regresión Logística, LDA y SVM).

Many pathological conditions are closely related with an increase in tissue sti ness. For many years, experts performed manual palpation in order to measure elasticity changes, however, this method can only be applied on superficial areas of the human body and provides crude sti ness estimation. Elastography is a technique that attempts to characterize the elastic properties of tissue in order to provide additional and useful information for clinical diagnosis. For more than twenty years, di erent research groups have developed various elastography modalities with a strong interest for quantitative images during the last decade. Recently, comparative studies among di erent elastographic techniques have been performed in order to better characterize biomaterials, to cross-validate several shear wave elastographic modalities and to study the factors that influence their precision and accuracy. This comparison works may contribute to achieve standardization in quantitative elastography and their use in commercial equipment for their application in human patients. However, there is still a limited literature in the field of quantitative elastography modalities comparisons. This thesis focuses on the comparison between two elastographic techniques: crawling wave sonoelastography (CWS) and single tracking location-acoustic radiation force impulse (STL-ARFI). The comparison shows the estimation of the shear wave speed (SWS), lateral resolution, contrast and contrast-to-noise ratio (CNR) in homogeneous and inhomogeneous phantoms using both techniques. The SWS values obtained with both modalities are validated with mechanical measurements that are considered as ground truth. The SWS results for the three di erent homogeneous phantoms (10%, 13%, and 16% gelatin concentrations), show good agreement between CWS, STL-ARFI and mechanical measurements as a function of frequency. The maximum accuracy errors obtained with CWS were 2.52%, 1.63% and 2.26%. For STL-ARFI, the maximum errors were 6.22%, 5.63% and 4.08% for the 10%,13% and 16% gelatin phantom respectively. For lateral resolution, contrast and CNR estimated in the inhomogeneous phantoms, it can be seen that for vibration frequencies higher than 340 Hz, CWS presents better results than the obtained with STL-ARFI using distances between the push beams ( x) higher than 4 mm. However, using these vibration frequencies will not be feasible for in vivo tissues due to attenuation problems. It that sense, for lower vibration frequencies than 300 Hz and x among 3 mm and 6 mm, comparable lateral resolution, contrast and CNR was obtained. Finally, the results of this study contribute to the data currently available for comparing elastographic techniques. Moreover, the methodology implemented in this document may be helpful for future standardization for di erent elastographic modalities. / Tesis

The attenuation coefficient slope (ACS) has the potential to be used for tissue characterization and as a diagnostic ultrasound tool, hence complementing B-mode images. The ACS can be valuable for estimation of other ultrasound parameters such as the backscatter coefficient. There is a well-known tradeoff between the precision of the estimated ACS values and the data block size used in spectral-based techniques such as the spectral log difference (SLD). This trade-off limits the practical usefulness of spectral-based attenuation imaging techniques. In this thesis work, the regularized spectral log difference (RSLD) technique is presented in detail and evaluated with simulations and experiments with physical phantoms, ex vivo and in vivo. The ACS values obtained when using the RSLD technique were compared to the ones obtained when using the SLD technique, as well as the ground truth ACS values obtained with insertion loss techniques. The results showed that the RSLD technique allowed significantly decreasing estimation variance when using small data block sizes (i.e., standard deviation of percentage error reduced by more than an order of magnitude in all cases when using 10 x 10 data blocks) without sacrificing estimation accuracy. Therefore, the RSLD allows for the reconstruction of attenuation coefficient images with an improved trade-off between spatial resolution and estimation precision. / Tesis

El ultrasonido cuantitativo (QUS, por sus siglas en inglés) es una modalidad de imagen no invasiva que caracteriza numéricamente los tejidos para el diagnóstico médico. Los estimadores QUS se basan en parámetros acústicos como la pendiente del coeficiente de atenuación (ACS, por sus siglas en inglés). Un estudio anterior propuso eliminar el ruido de las relaciones logarítmicas espectrales utilizando una variación total de un solo canal a través de la frecuencia. El método espectral para estimar el ACS, conocido como diferencia logarítmica espectral (SLD, por sus siglas en inglés) no incorpora ninguna estrategia de reconstrucción conjunta para mejorar la imagen. Por lo tanto, este trabajo propone la integración de dos estrategias conjuntas compatibles con el marco SLD. Primero, un enfoque de regularización conjunta denominado variación total nuclear (TNV-SLD) es implementado, el cual combina información geométrica del ACS y el componente del coeficiente de retrodispersión (BSC, por sus siglas en inglés) para mejorar la calidad de las imágenes, logrando mejores resultados en términos de error porcentual medio (MPE) y relación contraste-ruido (CNR). Posteriormente, el estudio se amplía para eliminar conjuntamente los ratios logarítmicos espectrales del SLD en los canales de frecuencia. Se propone un método conjunto multifrecuencia para aumentar la calidad de las imágenes de atenuación. Se consideraron dos modificaciones de la variación total con base en las normas Frobenius (TFV) y nuclear (TNV). Las métricas se compararon con dos métodos de regularización anteriores denominados RSLD y TVSLD, basados en la variación total de un solo canal con datos de maniquíes simulados y experimentales, y una muestra de tejido ex vivo. Los resultados mostraron un mejor desempeño general del método TNV para ambas estrategias, produciendo mapas ACS mejorados y extendiendo el balance entre la resolución espacial y la variabilidad de la estimación en términos de CNR con un sesgo estable. / Quantitative Ultrasound (QUS) is a non-invasive image modality that characterizes numerically tissues for medical diagnosis. QUS estimators are based on acoustical parameters such as the attenuation coefficient slope (ACS). A previous study proposed denoising the spectral log ratios using a single channel total variation through frequency. The spectral-based method to estimate the ACS, known as Spectral Log Difference (SLD) does not incorporate any joint reconstruction strategies for image enhancement. Therefore, this work proposes the integration of two joint strategies compatible with the SLD framework. First, a joint regularization approach named the Total Nuclear Variation SLD (TNV-SLD) is implemented. It couples geometrical information of the ACS and the backscatter coefficient (BSC) component to enhance the quality of the images, achieving better results in terms of mean percentage error (MPE) and contrast-to-noise ratio (CNR). Later, the study is extended to jointly denoise the spectral log ratios of the SLD across the frequency channels. A multi-frequency joint method is proposed to increase the quality of the attenuation images. Two modifications of the total variation based on the Frobenius (TFV) and nuclear (TNV) norms were considered. Metrics were compared to two previous regularization methods labeled RSLD and TVSLD, based on the single- channel Total Variation with data from simulated and experimental phantoms, and an ex vivo tissue sample. Results showed an overall better performance of the TNV method for both strategies, yielding enhanced ACS maps and extending the trade-off between spatial resolution and variability of the estimation in terms of the CNR with a stable bias.

La conservación de un monumento histórico comprende todas aquellas actividades que prolongan la duración de su herencia cultural y que permiten su utilización en la actualidad y en el futuro. Las intervenciones requeridas para su conservación apelan al conocimiento de la geometría, del estado de conservación de las construcciones y de los materiales que las integran. Es por ello que una de las etapas que se llevan a cabo para la conservación de un monumento histórico es el diagnóstico de su estado actual. Existen varios métodos y técnicas de los cuales aquellos que no alteran la integridad del monumento son los más adecuados. En función de estas consideraciones, la presente tesis tiene como objetivo contribuir con la conservación de monumentos históricos mediante la aplicación de ensayos sónicos y ultrasónicos como herramientas de diagnóstico estructural. Para este fin se realizó una revisión de la literatura de estas metodologías. Se aplicaron ensayos sónicos y ultrasónicos a diversos materiales que están presentes en las construcciones patrimoniales. Se construyeron dos muros de prueba y se obtuvieron imágenes en 2D llamadas tomografías las cuales representaron satisfactoriamente el estado interno de los muros. Se determinaron las propiedades mecánicas como módulo de elasticidad y módulo de poisson del adobe de Huaca de la Luna mediante ensayos de ultrasonido. Estos ensayos sirvieron también para crear tomografías de las unidades de adobe y evaluar cualitativamente su variabilidad. Finalmente ensayos sónicos y un análisis de Impacto eco se realizaron en sub-elementos estructurales de este monumento. En la Iglesia de Andahuaylillas se realizaron ensayos sónicos con el fin obtener tomografías y determinar el estado interno de algunos de sus sub-elementos estructurales. Los resultados obtenidos muestran que con estos ensayos se pueden determinar las propiedades dinámicas de los materiales como en el caso de Huaca de la Luna y se puede evaluar el estado interno de subelementos estructurales mediante la creación de imágenes en 2D como se realizó en Huaca de la Luna y en la Iglesia de Andahuaylillas. / Tesis

The diabetic foot is a complication that stems from diabetes when it is not properly managed. The underlying biomechanical changes that occur inside the plantar tissue as a result of glycation when a person begins to develop this complication suggest that there is a change in its elasticity and hardness. Consequently, these changes could be estimated quantitatively with elastography, which comprises many modalities that can be implemented with a magnetic resonator, an ultrasound equipment, among other devices. One of these modalities relies on the generation of a reverberant shear wave field inside the tissue or medium of interest, called reverberant shear wave elastography (RSWE). In that sense, the literature is scarce pertaining diabetic foot research with ultrasound elastography, while the RSWE modality is still in its early stages. The main objective of this work focuses on assessing the clinical application feasibility of this novel elastography technique by characterizing the elasticity of regions of the foot plant.

El trasplante renal es el tratamiento de elección para pacientes con enfermedades renales en fase terminal. Por este motivo, el monitoreo de los receptores del trasplante es crucial para poder evitar la posible disfunción del injerto, la cual puede conducir a la pérdida de este. La causa más común de falla en el aloinjerto renal es la nefropatía crónica por aloinjerto, caracterizada por un proceso de fibrosis intersticial y atrofia tubular (IFTA). Por tanto, el presente estudio busca realizar un análisis del coeficiente de retrodispersión promedio (aBSC), así como de los parámetros de ultrasonido cuantitativo (QUS) derivados de este, los cuales son el diámetro de dispersión efectivo (ESD) y la concentración acústica efectiva (EAC). Esto con el objetivo de desarrollar un modelo de solución que permita diagnosticar la presencia de inflamación o IFTA en aloinjertos renales de manera temprana a partir del uso de tres clasificadores estadísticos (regresión logística, SVM y random forest).