Development and characterization of a portable time-resolved NIR spectroscopy device

This thesis work, carried out at the Department of Physics in collaboration with the Department of Electronics, Informatics and Biomedical Engineering of Politecnico di Milano focuses on the characterization, improvements and in-vivo application of a wearable and portable Time Domain Near InfraRed Spectroscopy (TD-NIRS) system. This technique can be used to non-invasively assess physiological relevant parameters such as total haemoglobin concentration or blood oxygen saturation, thus being able to provide important information on patients health and on muscle or brain activity. The main limitation of TD-NIRS are bulkiness, fragility and cost. The idea underlying my thesis project is to overcome those limitations: to the best of our knowledge it doesn’t exist a comparable TD-NIRS device whose applicability could range from performing innovative measurements on freely moving subjects to be employed for bed-side real-time monitoring applications. The system features compact dimensions and employs custom made components: two ps-pulsed diode lasers, single photon detector, high precision time correlated-single-photon-counting electronics and a control board. The work presented here is divided in four chapters: first an introduction on diffuse optics and near infrared spectroscopy will be given, second the detailed description of the device, third chapter presents the characterization of the system following international standard procedures, fourth the in-vivo trials and possible future developments.

Il mio lavoro di tesi è stato svolto presso il Dipartimento di Fisica in collaborazione con il Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano e consiste nella caratterizzazione, lo sviluppo el’applicazione in misure in-vivo di uno spettrometro infrarosso tempo-risolto (TD-NIRS), indossabile e portatile. Tale dispositivo può essere usato per misurare in modo non invasivo parametri fisiologici di interesse medicale come la concentrazione di emoglobina o la saturazione emoglobinica, risultando quindi capace di fornire importanti informazioni sulla salute dei pazienti o sulle attivazioni muscolari o neurali. Le limitazioni principale della TD-NIRS sono l’ingombro, la fragilità e il costo. Il team di ricerca con cui ho lavorato si propone di sviluppare un dispositivo tempo risolto che superi queste limitazioni e che possa trovare applicazione in un ampio spettro di misure, dal monitoraggio di pazienti con libertà di movimento al controllo delle funzioni vitali di pazienti ospedalizzati. Lo strumento presenta dimensioni ridotte ed i suoi componenti sono stati progettati ad hoc: due diodi laser che emettono impulsi a picosecondi, un detector a singolo fotone controllato da una scheda time-correlated-singlephoton-counting ad alta precisione e dell’elettronica di controllo. Il lavoro qui presentato è diviso in quattro capitoli: un’introduzione teorica sull’ottica dei mezzi diffondenti e la spettroscopia nel vicino infrarosso, la presentazione del dispositivo, la sua caratterizzazione secondo i protocolli vigenti, l’analisi delle misure in-vivo realizzate e infine le proposte di alcuni sviluppi futuri.