Estimation of vessel wall compliance using acoustic reflectometry

Abstract

This thesis focuses on the estimation of rubber tube wall compliance using a pulse echo-acoustic reflectometry technique. Five rubber latex tubes of different thicknesses were studied using a transient acoustic pulse, instead of continuous sinusoidal waves. An acoustic Hanning pulse was designed with a wide bandwidth to study the resonance frequency of the tubes, and the tube wall compliance was estimated from reflection analysis. This method was applied using a reflectometer inside the tubes. Planar propagation was considered and given that the pulses travel into the system, the mechanical properties could be measured faraway, in contrast with other methods employed. An acoustic transmission line model was used to compute the natural frequency fr, the input characteristic acoustic impedance and to predict from them, the values of the transversal frequencies fres and f2. The natural frequency of the system occurs when the medium and wall tube vibrate at the same frequency, while the transversal frequencies occur when the characteristic impedance reaches minimum and maximum values, respectively. The wall compliance of rubber latex tubes was estimated via computer simulations, and acoustical and mechanical measurements. Two mathematical expressions were used to estimate the wall compliance C*w and C**w , which were compared to the mechanical measurement and model predictions of compliance. The wall compliance estimated acoustically, mechanically and simulated exhibited the same trend, with error averages for C*w of 77.7% and of 20.5% for C**w with respect to the values of compliance obtained from the transmission line model. Additionally, the error average between the values obtained mechanically and via simulation was 66.6%, with respect to the mechanical values. The results obtained from this research could serve as the groundwork for the development of a non-invasive device that can be used clinically to determine the pathological condition of compliant biological conduits such as veins, arteries and airways.

En esta tesis se investiga como la ductilidad de un tubo puede ser estimada usando la técnica de “Pulse-Echo Acoustic Reflectometry”. Cinco tubos de látex con diferentes diámetros fueron interrogados usando un pulso acústico transiente en vez de señales senosoidales continuas en el tiempo. Un pulso acústico Hanning fue diseñado con un ancho de banda amplio para poder estudiar las frecuencias de resonancia de los tubos y de las señales obtenidas estimar las propiedades visco-elásticas de la pared del tubo. Este método fue aplicado usando un reflectómetro dentro del tubo. Se considero propagación acústica planar, y dado a que los pulsos viajan dentro del sistema las propiedades mecánicas pueden ser medidas a una posición distante, a diferencia de otros métodos empleados. Un modelo acústico de línea de transmisión fue usado para computar la frecuencia natural fr, la impedancia característica de entrada y predecir de esta los valores de las frecuencias transversales fres y f2. La frecuencia natural del sistema ocurre cuando el medio y los tubos resuenan, mientras que las frecuencias transversales ocurren cuando la impedancia característica alcanza un valor mínimo y máximo, respectivamente. Dos expresiones matemáticas fueron usadas para estimar la ductilidad de los tubos acústicamente C*w y C**w , en conjunto con el estimado mecánicamente y el computado por simulación Cw . De los valores obtenidos se observo, que la ductilidad disminuyo a medida que el ancho de la pared aumento. El promedio del error para C*w fue 77.7% mientras que para C**w fue 20.5% con respecto al simulado. Adicionalmente, se observaron diferencias con un promedio de un 66.3% entre los valores mecánicos y los simulados, con respecto a loas valores mecánicos. Los resultados obtenidos de esta investigación pueden servir como base para el desarrollar dispositivos que puedan ser usados en aplicaciones clínicas para determinar condiciones patológicas de una forma no invasiva dentro de conductos biológicos tales como venas arteria y vías respiratorias.