Diffuse optics for noninvasive monitoring of cerebral hemodynamics: simulations and experiments in complex heterogenous media

Cerebral hemodynamics including cerebral blood flow, blood volume and blood oxygenation are vital indicators for assessing one’s brain function and health and are clinically associated with various vascular-related diseases. Diffuse optics are emerging and promising techniques for noninvasive monitoring of cerebral hemodynamics by using diffuse near-infrared light. Diffuse optical instruments are relatively inexpensive and portable compared to other traditional medical devices and are therefore more likely to be used for clinical monitoring of deep hemodynamics in biological tissues, such as cerebral hemodynamics. In order to examine the potential of diffuse optics for noninvasive monitoring of cerebral hemodynamics, in this thesis we introduce two common diffuse optical techniques for the measurement of cerebral hemodynamics: Near-infrared Spectroscopy (NIRS) and Diffuse Correlation Spectroscopy (DCS). NIRS is sensitive to the changes in oxygenation and blood volume, while DCS is primarily used to measure the blood flow. My research activities focused on monitoring cerebral hemodynamics, including several simulation studies of time domain NIRS and time domain DCS on complex heterogeneous media, and several in vivo experiments using continues wave NIRS on freely moving sheep. The structure of the thesis consists of four main chapters. Chapter 1 is the introduction of the research background. It firstly describes the physiological basis of cerebral hemodynamics and the principle of photon propagation in biological tissues. Then, the basic principles and applications of NIRS and DCS technique are introduced. Finally, the Mesh-based Monte Carlo (MMC) method and an atlas-based human head model are introduced. Chapter 2 presents the first part of my research activities about time domain NIRS simulations. It includes a validation study of MMC for photon migration in turbid media and a longitudinal time domain NIRS study in dementia diseases based on MMC simulations. Chapter 3 describes the second part of my research activities about time domain DCS studies. It first presents two analytical models (a multi-layered model and a perturbation model) in time domain DCS for the electric-field temporal autocorrelation function and corresponding validation tests. Then, an optimization of time domain DCS experimental parameters based on simulation method is shown. Chapter 4 introduces several experiments using continues wave NIRS on brain activity of freely moving sheep under various cognitive tasks, including food reward tasks, motor tasks and startling tasks.

Il flusso sanguigno cerebrale, il volume e l'ossigenazione del sangue sono importanti indicatori per valutare la funzione e la salute del cervello e sono clinicamente associati a varie patologie vascolari. La “Diffuse optics” e una tecnica emergente e promettente per il monitoraggio non invasivo dell'emodinamica cerebrale utilizzando la luce diffusa nel vicino infrarosso. Gli strumenti sono relativamente economici e portatili rispetto ad altri dispositivi medici tradizionali e pertanto sono più fackmente utilizzati per il monitoraggio clinico della emodinamica nei tessuti biologici profondo, come il cervello. Al fine di esaminare il potenziale della “Diffuse optics” per il monitoraggio non invasivo dell'emodinamica cerebrale, in questa tesi vengono introdotte due tecniche comuni: spettroscopia nel vicino infrarosso (Near-infrared Spectroscopy, NIRS) e spettroscopia di correlazione diffusa (Diffuse Correlation Spectroscopy, DCS). La NIRS è sensibile alle variazioni di ossigenazione e volume del sangue, mentre la DCS viene principalmente utilizzata per misurare il flusso sanguigno. Le mie attività di ricerca sono state pocalizzate sul monitoraggio dell'emodinamica cerebrale. Diversi studi di simulazione di NIRS e DCS nel dominio del tempo in mezzi eterogenei complessi, sono stati condotti. Inoltre, diversi esperimenti in vivo che utilizzano NIRS continua su pecore in movimento libero. La struttura della tesi è composta da quattro capitoli principali. Il Capitolo 1 è l'introduzione del background di ricerca. Descrive, in primo luogo, le basi fisiologiche dell'emodinamica cerebrale e il principio della propagazione dei fotoni nei tessuti biologici. Succcessivaments, vengono introdotti i principi base e le applicazioni della tecnica NIRS e DCS. Infine, vengono spiegati il metodo Monte Carlo (Mesh-based Monte Carlo, MMC) basato sulla mesh e la modellizzazio ne di una testa umana basato sull'atlante. Il Capitolo 2 presenta la prima parte delle mie attività di ricerca sulle simulazioni NIRS nel dominio del tempo. Comprende uno studio di convalida della MMC per la migrazione dei fotoni nei media torbidi e uno studio NIRS nel dominio del tempo longitudinale nelle malattie da demenza basato su simulazioni MMC. Il capitolo 3 descrive la seconda parte delle mie attività di ricerca sugli studi DCS nel dominio del tempo. In primo luogo, due modelli analitici DCS (un modello a più livelli e un modello di perturbazione) nel dominio del tempo per la funzione di autocorrelazione temporale del campo elettrico e test di validazione corrispondenti sono presentatii. Inoltre, viene mostrata un'ottimizzazione dei parametri sperimentali DCS nel dominio del tempo basati sul metodo di simulazione. Il Capitolo 4 introduce diversi esperimenti usando la NIRS in continua sull'attività cerebrale di pecore che si muovono liberamente nell'ambito di vari compiti cognitivi, compresi compiti di ricompensa alimentare, compiti motori e attività sorprendenti.