Development and characterization of a time domain near infrared spectroscopy device for clinical studies

We developed a dual channel, dual wavelength (688 nm, 825 nm) device based on time domain functional near infrared spectroscopy suitable for measuring optical properties (i.e. absorption and reduced scattering coefficients) in human tissues (in particular in muscular tissue). The device allows to measure variation of oxygenated hemoglobin and deoxygenated hemoglobin as well as absolute values and then to monitor the muscular hemodynamic activity. The approach chosen to inject different wavelength is wavelength space multiplexing in order to reduce wavelength cross-talk, typical of time multiplexing configuration (different wavelengths injected in the same point at different times), and to increase signalto-noise ratio. The performances of the device have been evaluated according to three different protocols based on homogeneous phantoms and totally absorbing inclusions in homogeneous phantoms. We introduce an optical system designed in order to enhance the performance of the detection line with respect to solutions adopted in previous devices, in particular our aim was to reduce the unwanted reflections that cause the broadening of the instrument response function which may worsen the performance of the device in retrieving the optical parameters. Two technical solutions for laser light detection that exploit two different kind of optical fibers are presented. The results in optical properties estimate are comparable for the two kind of fibers despite the difference in instrument response function. In conclusion the overall results of the characterization protocols validate the capability of the device to estimate optical properties of diffusive media. Therefore the instrument can be considered a medical device since all the safety regulations are respected and a ministerial authorization has already been obtained.

Abbiamo sviluppato un dispositivo medico a due canali e due lunghezze d’onda (688 nm, 825 nm) basato sulla spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso risolta in tempo, per misurare le proprietà ottiche (coefficienti di assorbimento e di scattering ridotto) nei tessuti umani (in particolar nel tessuto muscolare). Il dispositivo consente di misurare le variazioni di emoglobina ossigenata ed emoglobina deossigenata e delle quantità assolute, e successivamente di monitorare l'attività emodinamica del muscolo. Il metodo scelto per l’iniezione di diverse lunghezze d’onda è lo space multiplexing, ai fini di ridurre il cross talk tipico della configurazione time multiplexing (segnali alle diverse lunghezze d’onda iniettati nel medesimo punto a tempi diversi), e di accrescere il rapporto segnalerumore. Le prestazioni del dispositivo sono state valutate secondo tre differenti protocolli basati su phantom omogenei e inclusioni totalmente assorbenti in phantom omogenei. Presentiamo un sistema ottico progettato per incrementare le prestazioni della sezione di raccolta, rispetto alle soluzioni adottate nei precedenti strumenti, in particolare il nostro obiettivo era quello di abbattere le riflessioni indesiderate che causano un allargamento nella risposta del sistema, portando così ad un possibile peggioramento della capacità dello strumento di stimare adeguatamente i parametri ottici in esame. Presentiamo qui due soluzioni tecniche per la raccolta del segnale ottico, che sfruttano due diversi tipi di fibre. Per queste due differenti soluzioni, i risultati riguardanti la stima delle proprietà ottiche sono comparabili, nonostante esse abbiano due differenti risposte del sistema. In conclusione i risultati complessivi della caratterizzazione, indicano che lo strumento fornisce adeguate stime dei parametri ottici dei mezzi diffusivi. Infine lo strumento può essere considerato un dispositivo medico, ed è stata ottenuta un'autorizzazione ministeriale per l'utilizzo dello stesso, in quanto rispetta le norme di sicurezza.