Time domain diffuse optical imaging at short source-detector distance

The main framework of this work resides in the study of the interaction of light with diffusive media (e.g. biological tissues or wood). In this PhD thesis, the use of the small source-detector distance approach for time-resolved diffuse optical spectroscopy measurement was investigated for the first time. Indeed, in the last years, it has been demonstrated that the use of a small distance (few mm, or even null) between injection and collection points improves the confinement of photons within the probed medium. This feature provides a better contrast, spatial resolution and signal intensity as compared to large interfiber distance measurements in the case of time-resolved diffuse optical imaging in reflectance geometry. In last years, the main issue that prevents the use of null distance approach for time-resolved measurements has been solved thanks to the development of fast-gateable Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) modules (developed by "Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria" of Politecnico di Milano). In addition, a related fast-gated technique has been developed to enhance the dynamic range of the measurements up to 7 orders of magnitude, thus allowing for the first time to experimentally exploit the small source-detector distance approach. This PhD thesis is focused on the investigation of the physics of the null-distance approach and its experimental use in different applications fields such as functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS) measurements for brain imaging, non-contact scanning imaging and tomographic reconstructions. In all cases, we will show increased depth sensitivity and a better spatial resolution with respect to results obtained with "classical" interfiber distance. During the different experiments, the bottleneck of the current setups will be enlightened and a possible evolution of time-resolved setup will be discussed.

Questo lavoro di tesi si inserisce nel filone dello studio dell’interazione della luce con mezzi diffondenti (es. tessuti biologici, legno). In questa tesi di dottorato, si è investigato per la prima volta l’uso di una distanza interfibra piccola per misure di spettroscopia ottica risolta in tempo. Infatti, negli ultimi anni, è stato dimostrato che l’uso di una distanza piccola (pochi millimetri o addirittura nulla) tra fibra di lancio e di raccolta migliora il confinamento dei fotoni all’interno del mezzo investigato. In misure di spettroscopia tempo-risolta svolte in geometria di riflettanza, questo confinamento permette di migliorare il contrasto, la risoluzione spaziale e l’intensità del segnale registrato rispetto a quanto si può ottenere con distanze interfibra maggiori. Negli ultimi anni, il problema principale che impediva l’uso dell’approccio a distanza interfibra nulla è stato risolto grazie allo sviluppo da parte del "Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria" del Politecnico di Milano di rivelatori a singolo fotone (Single-Photon Avalanche Diode, SPAD) abilitati in regime finestre temporali ultrarapide. In aggiunta, è stata sviluppata anche una tecnica di misura basata sull’abilitazione ultra-rapida del rivelatore che permette di incrementare il range dinamico di misura fino a 7 decadi. In tal modo è stato possibile, per la prima volta, sfruttare la tecnica basata su una distanza interfibra piccola. Questa tesi di dottorato è incentrata sullo studio della fisica alla base dell’approccio a distanza interfibra piccola e sulla sua applicazione in diversi campi quali la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso, l’imaging attraverso scansioni senza contatto con il mezzo in analisi e le ricostruzioni tomografiche. In tutti questi casi, verrà dimostrato un incremento nella sensitività in profondità, una migliore risoluzione spaziale rispetto ai risultati ottenibili utilizzando una distanza interfibra “classica”. Durante gli esperimenti sopradescritti, verranno evidenziate le attuali criticità dei sistemi di spettroscopia tempo-risolta e verrà proposta una possibile evoluzione di questi sistemi.