The Effects of Time and Moisture on Elasticity Imaging Phantom Physical and Mechanical Properties: A Pilot Study

Andre Matthew Loyd, Carolina Amador, Kai-Nan An

Resumen


Abstract ─ Elasticity imaging phantoms are used to mimic human tissue as a means of testing and validating non-invasive techniques for measuring mechanical properties of human tissues. Limited studies of phantom stability have shown that phantom stiffness change over time when exposed to air. The goals of this study were to investigate how the physical and mechanical properties of elasticity imaging phantoms change with time and moisture state.

Two moisture states were tested; a dry state where the phantom was exposed to open air and a wet state where the phantom was submerged in water for 480 minutes. Polyvinyl alcohol (PVA) phantoms (cylindrical shape) were used. The properties of the phantom were found using flat indentation tests and a test battery that included a precondition test, a 0.05 mm/s triangle test, a 5 mm/s triangle test and a ten-second ramp-and-hold relaxation test. This battery was done at multiple time points: 0, 15, 30, 45, 60, 120, 180, 240, 360 and 480 minutes. At each time point, the modulus, stiffness and relaxation at 10 seconds were calculated.  In addition, the mass and volume of the phantoms were measured at each time point.

The physical and mechanical properties of the phantoms were found to be statistically dependent on moisture state and time (p<0.05). The stiffness and moduli of the dry samples increased with time while the mass and volume decreased with time. Additionally, a strong correlation was found between the change in mass and change in modulus/stiffness for the dry phantoms. For the wet samples, the modulus and stiffness decreased with time while the mass and volume increase with time. The properties of the phantom begin to change within 15 minutes, the percentage change of the mechanical and physical properties remained, on average, under 10% during the first hour and increased up to 50% during 8 hours. These property changes of phantoms should be considered when using phantoms to test or validate non-invasive techniques.

Resumen— Fantomas de imágenes de elasticidad se utilizan para imitar el tejido humano como un medio de ensayo y validación de técnicas no invasivas para medir las propiedades mecánicas de los tejidos humanos. La estabilidad de los fantomas se ha estudiado anteriormente y se ha encontrado que su elasticidad cambia con respecto al tiempo cuando están expuestas al aire. Los objetivos de este estudio fueron investigar cómo las propiedades físicas y mecánicas de los fantomas de imágenes de elasticidad cambian con el tiempo y el estado de humedad.

Dos estados de humedad fueron examinados; un estado seco, donde el fantoma se expone al aire libre y un estado húmedo, donde el fantoma se sumergió en el agua. Se utiliza alcohol polivinílico (PVA) para crear los fantomas (forma cilíndrica). Las propiedades del fantoma se encontraron utilizando pruebas de indentación planas y una batería de pruebas que incluyeron una prueba de condición, a 0.05 mm/s prueba triangular, una prueba triangular 5 mm/s, y ensayo de relajación de rampa-retención de diez segundos. Esta batería se realiza en múltiples puntos de tiempo: 0, 15, 30, 45, 60, 120, 180, 240, 360 y 480 minutos. En cada punto de tiempo, se calcularon el módulo, la rigidez y la relajación en 10 segundos. Además, la masa y el volumen de los fantomas se midieron en cada punto de tiempo.

Se encontró que las propiedades físicas y mecánicas de los fantomas son dependientes estadísticamente del estado de humedad y el tiempo (p <0,05). La rigidez y módulos de las muestras secas se incrementaron con el tiempo mientras que la masa y el volumen disminuyó con el tiempo. Adicionalmente, una fuerte correlación fue encontrada entre los cambios de masa respecto al cambio de módulo para las muestras secas. Para las muestras húmedas, el módulo y la rigidez disminuyeron con el tiempo, mientras que aumentó la masa y el volumen con el tiempo. Las propiedades de los fantomas comienzan a cambiar dentro de los 15 minutos, pero el porcentaje de cambio de las propiedades mecánicas y físicas se mantuvo, en promedio, menos del 10% durante la primera hora y aumentó hasta el 50% en las 8 horas. Estos cambios en las propiedades de los fantomas deben ser considerados cuando se utilizan para probar o validar las técnicas no invasivas.

Resumo— Fantomas de imagenes de elasticidade foram utilizadas para imitar o tecido humano como um meio de testes e validação de técnicas não invasivas para medir as propriedades mecânicas dos tecidos humanos. A estabilidade dos fantomas foi estudada previamente e descobriram que a elasticidade se altera com o tempo quando é exposta ao ar. Os objetivos deste estudo foram investigar como as propriedades físicas e mecânicas dos fantomas de imagem de elasticidade mudam ao longo do tempo e o estado de umidade.

Dois estados de umidade foram examinados; um estado de seca, em que o fantoma está exposta ao ar livre e um estado úmido, onde o fantoma foi imersa em água.  é usado Álcool polivinílico (PVA) para criar o fantoma (forma cilíndrica). As propriedades do fantoma foram encontrados por meio de testes de indentação planas e uma bateria de testes, incluindo um teste de condição, a 0,05 mm / s teste triangular, um teste triangular de 5 mm / s, e teste de relaxamento rampa de Retenção de dez segundos. Esta bateria é realizada em vários pontos de tempo: 0, 15, 30, 45, 60, 120, 180, 240, 360 e 480 minutos. Em cada ponto de tempo, foram calculados  o módulo de elasticidade, rigidez e relaxamento em 10 segundos,. Além disso, a massa e volume dos fantomas foram medidos em cada ponto de tempo. Verificou-se que as propriedades físicas e mecânicas dos fantomas são dependentes estatisticamente do estado de umidade e tempo (p <0,05). A rigidez e módulos das amostras secas aumentou com o tempo, enquanto a massa e volume diminuiu com o tempo. Além disso, foi encontrada uma forte correlação entre as alterações na massa com respeito à alteração do módulo para amostras secas. Para as amostras molhadas, o módulo de elasticidade e rigidez diminuiu ao longo do tempo, enquanto o aumento da massa e do volume ao longo do tempo. As propriedades dos fantomas começam a mudar dentro dos 15 minutos, mas a percentagem de variação das propriedades mecânicas e físicas permaneceram, em média, menos de 10% durante a primeira hora, e aumentou até 50% em 8 horas. Essas alterações nas propriedades dos fantomas deve ser considerado quando é usado para testar ou validar as técnicas não invasivas.

 


Palabras clave


Keywords— Elasticity imaging; Elasticity; Phantoms; Mechanical test.

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DOI: https://doi.org/10.24050/19099762.n15.2014.607

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