Time domain diffuse correlation spectroscopy : models and experiments

In the past years, several spectroscopic techniques have been developed for the non-invasive measurement of tissue haemodynamic parameters in humans. The two mayor examples are near infrared spectroscopy (NIRS), that quantifies tissue composition (in particular haemoglobin concentration) and microstructure, and diffuse correlation spectroscopy (DCS), that quantifies blood flow (BF). Time domain near infrared spectroscopy (TD NIRS), using pulsed light sources, is capable of a depth-resolved measurement of tissue composition. Very recently a similar technique, time domain diffuse correlation spectroscopy (TD DCS), has been proposed for depth resolved and simultaneous evaluation of BF and tissue composition. The aim of my thesis has been to validate the TD DCS technique and to extend its use from tissue-mimicking phantoms to in-vivo measurements on humans. This was done choosing an existing laser source, an actively mode locked Ti:Sapphire laser, that has the sufficient temporal coherence for the considered technique, and building the necessary TD DCS setup. I participated to the measurements and focused on the data analysis part. First, the technique was validated with the use of phantoms that mimic biological tissue. Then passing to measurements on humans, an in-vivo depth-resolved BF measurement, with a temporal resolution down to ~ 1 𝑠, has been shown for the first time at my knowledge. Since this technique aims at absolute BF quantification, an accurate model for extracting the BF from the measurements is needed. For this reason, I focused on the study and the development of the correct theoretical model to be used for data analysis. This study was done with the help of numerical simulations. This experimental and theoretical work opens the way to translation of the technique to practical use.

Negli anni passati sono state sviluppate diverse tecniche spettroscopiche per la misura non invasiva dei parametri emodinamici del tessuto umano. I due esempi principali sono la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS), che quantifica la composizione/struttura del tessuto e la spettroscopia di correlazione diffusa (DCS), che quantifica il flusso sanguigno (BF). NIRS nel Dominio del Tempo (TD NIRS), utilizzando sorgenti di luce impulsata, è in grado di misurare la composizione del tessuto con risoluzione in profondità. Molto recentemente, è stata proposta una tecnica spettroscopica simile, spettroscopia di correlazione diffusa nel dominio del tempo (TD DCS), per la valutazione risolta in profondità e simultanea del BF e delle concentrazioni dei costituenti del tessuto. Lo scopo della mia tesi è stato di convalidare la tecnica TD DCS e di estenderne l'uso da fantocci simulanti il tessuto umano a misure in-vivo su esseri umani. Ciò è stato fatto con l'uso di una sorgente laser esistente, un laser Ti:Sapphire con mode-locking di tipo attivo, che consente di ottenere la sufficiente lunghezza di coerenza per la tecnica considerata. Il setup è stato adattato per le misure di TD DCS. Ho partecipato alle misurazioni e mi sono concentrato sulla parte di analisi dei dati. Innanzitutto, la tecnica è stata convalidata con l'uso di fantocci che imitano il tessuto biologico. Quindi, passando alle misurazioni sull'uomo è stata mostrata, per la prima volta a mia conoscenza, una misura completamente ottica e risolta in profondità del BF in-vivo, con una risoluzione temporale di ~ 1 s. Poiché questa tecnica mira alla quantificazione assoluta di BF, è necessario un modello accurato per estrarre il BF dalle misure. Per questo motivo, mi sono concentrato sullo studio e sullo sviluppo del modello teorico corretto da utilizzare per l'analisi dei dati. Questo studio è stato fatto con l'aiuto di simulazioni Monte Carlo. Questo lavoro sperimentale e teorico aprirà la strada al trasferimento della tecnica all'uso pratico.