Clinical time-resolved near infrared spectroscopy

Diffuse optics exploits radiation in the near infrared region (700-1000 nm, the so called optical window) that can penetrate biological tissues for few centimetres. In this range tissue chromophores, such as oxy-haemoglobin (HbO), deoxy-haemoglobin (HbR), fat, collagen and water etc, can be accessed. In particular, in Time Resolved Near Infrared Spectroscopy (TR-NIRS), laser pulses at different wavelengths are injected into the tissue where photons undergo scattering and absorption events (photons are more scattered than absorbed). The light pulse exiting the tissue encodes in its shape information about the structure (related with the scattering coefficient) and the tissue composition (related with the absorption coefficient). In particular, it is possible to retrieve absolute values of absorption which is directly linked to the absolute concentration of the main constituents of the tissue itself. This technology is indeed appealing in many medical applications, since it can be exploited for designing devices, interpret diagnostic measurements and planning proper therapeutic protocols in a great variety of case scenarios. Traditional diagnostic methods are generally rather expensive, invasive and not suitable for point of care. The latest advancements in laser and detection technologies has permitted the development and exploitation of low cost and compact systems whose performances can be considered comparable with state-of-the-art devices. In this sense, standardization is critical in order to evaluate device performances in real clinical settings. These three years’ work can be divided in two main sections which explore two different clinical scenarios following different aims: i) Investigation of TR-NIRS technique as a suitable tool in the evaluation of the cerebrovascular status in ischemic stroke affected patients according to their recanalization (recanalized and non-recanalized) status. Patients showed interesting statistical different TR-NIRS features with respect to reference values obtained from a large cohort of healthy subjects. In particular, regardless patients’ recanalization status, higher HbR and total hemoglobin (tHb=HbR+HbO) have been found in the ischemic area with respect to reference values. On the other hand, only recanalized patients showed significant lower saturation tissue oxygen, showing a likely metabolically active tissue; ii) Develop a new compact, multimodal and cost-effective point-of-care instrument for thyroid cancer screening which even now still lacks in sensitivity and specificity. In this framework, within the Horizon 2020 programme, the collaboration of many European partners resulted in the development of the LUCA device, which combines TR-NIRS and Diffuse Correlation Spectroscopy modules in a multimodal ultrasound (US) probe. During the thyroid nodule screening process, the US guides the clinical operator and once the nodule is localized, information about hemoglobin, collagen, fat and blood flow in the thyroid, can be retrieved. In this work, particular attention has been paid to the design of the TR-NIRS module to meet requirements of compactness while being cost-effective. Also, remembering that biological tissues are extremely complex media new strategies for the best retrieval of the main tissue components have been explored on phantom and in-vivo, giving promising results.

L’ottica diffusa sfrutta la radiazione nel vicino infrarosso (700-1000 nm, nella cosidetta finestra ottica) che può non-invasivamente penetrare i tessuti biologici per alcuni centimetri. In questa regione è possibile accedere ai principali cromofori del tessuto, come ossiemoglobina, deosossiemoglobina, lipidi, collagene e acqua. In particolare, nella spettroscopia nel vicino infrarosso tempo-risolta, impulsi laser a diverse lunghezze d'onda vengono iniettati nel tessuto. Qui i fotoni subiscono eventi di diffusione e e assorbimento (i fotoni sono più diffusi che assorbiti). L'impulso di luce in uscita dal tessuto codifica nella sua forma, informazioni sulla struttura (legata al coefficiente di diffusione) e alla sua composizione del tessuto (legata invece al coefficiente di assorbimento). In particolare, è possibile ottenere valori assoluti di assorbimento legati direttamente alla concentrazione assoluta dei principali costituenti del tessuto stesso. Questa tecnologia risulta essere interessante per molte applicazioni mediche, grazie alla possibilità di progettare nuovi dispositivi, interpretare misurazioni di validità diagnostica e pianificare protocolli terapeutici adeguati. I metodi diagnostici tradizionali sono generalmente piuttosto costosi, invasivi e non portatili. L’evoluzione delle tecnologie laser e di rilevazione hanno permesso lo sviluppo e l’utilizzo di sistemi compatti e a basso costo le cui prestazioni possono essere considerate paragonabili con dispositivi tradizionali. In questo senso, la standardizzazione è fondamentale per valutare le prestazioni del dispositivo in contesti clinici reali. Questi tre anni di lavoro possono essere suddivisi in due sezioni principali che esplorano due diversi scenari clinici seguendo diversi obiettivi: i) Studio della tecnica TR-NIRS come strumento adatto nella valutazione dello stato cerebrovascolare nei pazienti affetti da ictus ischemico in base alla loro ricanalizzazione stato (ricanalizzato e non ricanalizzato). I pazienti affetti da ictus ischemico hanno mostrato diversi pattern nei dati TR-NIRS raccolti, rispetto a valori di riferimento ottenuti da un ampio gruppo di soggetti sani. In particolare, a prescindere dallo stato di ricanalizzazione dei pazienti, sono stati riscontrati valori più elevati di HbR ed emoglobina totale (tHb = HbR + HbO) nell'area ischemica rispetto ai soggetti sani. D'altra parte, solo i pazienti ricanalizzati hanno mostrato una significativa riduzione della saturazione di ossigeno nei tessuti, mostrando quindi un possible tessuto ancora metabolicamente attivo. Differenze significative sono state trovate anche nelle regioni non comprese nell’area di infarto cerebrale. È possibile quindi che l’effetto dell’ictus si ripercuota sull’emodinamica globale del tessuto cerebrale; ii) Nell'ambito del programma Horizon 2020, il progetto LUCA mira a sviluppare un nuovo dispositivo multimodale con l'obiettivo di affrontare il problema dello screening dei noduli tiroidei, processo che, ancora oggi, manca di sensibilità e specificità. La collaborazione di numerosi partner europei ha portato allo sviluppo del dispositivo LUCA, che combina due tecniche quali, TR-NIRS e spettroscopia a correlazione diffusa, in un’unica sonda ad ultrasuoni multimodale (US). Durante il processo di screening del nodulo tiroideo, gli US guidano l'operatore clinico e una volta localizzato il nodulo, è possibile recuperare informazioni su emoglobina, collagene, lipidi e flusso sanguigno nella tiroide. In questo lavoro, è stata prestata particolare attenzione alla progettazione del modulo TR-NIRS cercando di soddisfare requisiti di compattezza, rimanendo compatto. Inoltre, ricordando che i tessuti biologici sono estremamente complessi, diverse strategie sono state esplorate, per ricavare al meglio le concentrazioni assolute dei principali componenti dei tessuti sia su phantom (mezzi che mimano i tessuti biologici) e in vivo, dando risultati promettenti.