Time domain near infrared spectroscopy for muscle and cerebral oxygenation monitoring

Time domain (TD) functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a non-invasive optical technique that allows to investigate the oxygenation status over time of different biological tissues, e.g. brain cortex and skeletal muscles. In human body, the oxygen (O2) is delivered to the tissues through the blood circulation. The O2 molecule is bound to the haemoglobin protein in the red blood cells. Among all Hb derivatives, oxygenated (O2Hb) and deoxygenated (HHb) haemoglobin are the ones with higher concentration and contribute to the fNIRS signal. In fact, these two Hb forms show different absorption spectra in the Near Infrared (NIR) spectral range 600 – 1100 nm, where biological tissues behave as highly diffusive media and the main phenomena that occur are the scattering and the absorption of photons. In TD fNIRS, pulses of light at two different wavelengths, usually around 690 nm and 830 nm, are injected into the biological tissues. At these wavelengths, the two Hb species can be considered as the main chromophores contributing to the absorption of photons, while the scattering is mainly due to the structure of the tissue itself. The photons re-emitted at the tissue surface are collected and their Distribution Time-of-Flight (DTOF), after travelling inside the medium, is statistically reconstructed. Fitting the obtained reflectance DTOFs with physical models derived from the Radiative Transfer Theory, under the Diffusion approximation, the tissues absorption (μa) and the reduced scattering (μʹs) coefficients can be estimated. From the knowledge of the optical properties, the O2Hb and HHb absolute concentrations can be non-invasively retrieved exploiting the Lambert-Beer law. In addition, derived haemodynamic parameters can be obtained: the total amount of haemoglobin (tHb) and the tissues oxygen saturation (SO2). However, the signal coming from the target organ is contaminated by the surrounding tissues. Moreover, brain and skeletal muscles differentiate for different aspects, e.g. the amplitude of the changes of the Hb concentrations during tasks that is lower for the brain, their optical properties and their structure. Considering the complexity of the tissues target of our investigation, we tried to figure out the best strategy and models to analyse the experimental data. This thesis is focused on the development of TD fNIRS medical devices for studies on brain and skeletal muscles and their application in clinical measurement campaigns on patients. In the first part, some improvements to already existing in-house build TD fNIRS devices were introduced. Particular attention was given to the design of 3D printed custom-made probes. A study of the material that best suits for our application was carried out, in order to guarantee ease of usage, fast and repeatable placement and skin adhesion. Another important aspect addressed in this work is the Instrument Response Function (IRF) acquisition, a fundamental calibration measurement that has to be performed for each TD fNIRS acquisition session in order to obtain reliable quantitative parameters. A “side-by-side” optical fibres configuration approach was proposed and validated for the IRF acquisition. A specific holder was developed, which exploits a reflective surface to recollect the signal and which allows a correct and fast placement of the optical fibres without the need to detach them from the probe. This lead to faster and more accurate in-vivo acquisitions. The second part of this thesis is dedicated to in-vivo measurements: a preliminary study upon healthy volunteers and two clinical studies have been conducted. The first clinical study was performed in collaboration with ASST Sacco Hospital in Milan and the Unit of Medical Statistics, Biometry and Bioinformatics "Giulio A. Maccacaro", University of Milan, with the aim of evaluating the visual cortex response to visual pattern stimuli (reversal checkerboard) in 118 subjects, divided between healthy controls and glaucoma patients. Glaucoma is a multifactorial optic neuropathy characterized by a progressive loss of retinal ganglion cells and visual capacity. The results of a preliminary descriptive statistical analysis, based on the Principal Component Analysis, showed that the cerebral cortex activation, represented by O2Hb and HHb variations during the visual stimuli, appeared to be higher in the control group with respect to glaucoma patients. A second clinical study has been performed in collaboration with the ASST Centro Specialistico Ortopedico Traumatologico Gaetano Pini – CTO in Milan and the STIIMA institute – Consiglio Nazionale delle Ricerche in Lecco. The aim of this study was to assess the morphological and functional changes that occur into the non-injured vastus lateralis muscle of elderly people, during the rehabilitation period following surgery for femur fracture. This assessment was carried on through quantitative TD fNIRS and superficial Electromyography (EMG) measurements repeated after two and four weeks from surgery. This clinical campaign is still ongoing and only the first preliminary results are reported in this dissertation. A second study upon skeletal muscles was conducted in collaboration with IBFM institute – Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) in Segrate (Milan). Muscles of 11 healthy volunteers, i.e. the vastus lateralis and the biceps brachii, were investigated during cycling and arm-cranking exercises by both a haemodynamic and metabolic point of view. Up to now, a preliminary characterization of the different muscles optical properties measured with TD fNIRS have been carried on, with particular focus on the estimation of the Differential Pathlength Factor (DPF) exploiting TD measurements. Inter- and intra-subject variability was found for this parameter. Besides, DPF changes were observed also during the exercise. Finally, the last part of this thesis was dedicated to development of a new TD fNIRS medical device, which exploits high power laser sources. Light pulses at two different wavelengths are injected at the same time in the same location without the switching time limitation of a mechanical optical switch. Moreover, for the detection lines, cooled hybrid photomultipliers tubes were chosen in order to guarantee a low dark count rate and a high Signal-to-Noise Ratio (SNR), even for fast acquisition. In fact, for particular applications, e.g. brain resting state oscillation monitoring or deep muscles/organs investigations, it would be necessary to increase the measurement sampling rate, usually set at 1 Hz for standard measurements, and the depth sensitivity still guaranteeing a high SNR. For this purpose, a technological improvement of the currently existing instrumentation is necessary. The new high power device have been tested and validated according to standardized protocols to assess the performance of a TD device, while a sampling rate of 250 Hz has been reached in dedicated measurements.

La spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso nel dominio del tempo (TD fNIRS) è una tecnica ottica che permette di investigare in modo non invasivo l’ossigenazione nel tempo di diversi tessuti biologici, come la corteccia cerebrale a i muscoli scheletrici. Nel corpo umano, l’ossigeno (O2) è trasportato ai tessuti tramite la circolazione sanguigna. Le molecole di O2 sono legate all’emoglobina (Hb), una proteina situata nei globuli rossi. Tra le specie derivate, l’emoglobina ossigenata (O2Hb) e deossigenata (HHb) sono quelle presenti in maggior concentrazione e che contribuiscono al segnale fNIRS. Queste due forme di Hb, infatti, hanno un diverso spettro di assorbimento nell’intervallo di lunghezze d’onda 600 – 1000 nm del vicino infrarosso, in cui i tessuti biologici mostrano proprietà altamente diffusive e i principali fenomeni che avvengono sono la diffusione, o scattering, e l’assorbimento dei fotoni. Nella tecnica TD fNIRS, impulsi di luce a due lunghezze d’onda, solitamente a 690 nm e 830 nm, sono inviati nei tessuti biologici. A queste lunghezze d’onda, le due specie di Hb possono essere considerate come i principali cromofori che contribuiscono all’assorbimento dei fotoni, mentre lo scattering è causato dalla struttura stessa del tessuto. I fotoni che vengono riemessi alla superficie del tessuti sono rivelati e la loro distribuzione dei tempi di volo, o Distribution Time-of-Flight (DTOF), dopo aver attraversato il tessuto viene statisticamente ricostruita. Con una procedura di fitting delle curve DTOF ottenute con modelli fisici derivanti dalla teoria del trasporto radiativo, in approssimazione di diffusione, è possibile stimare i coefficienti di assorbimento (μa) e scattering ridotto (μʹs) dei tessuti. Note le proprietà ottiche, è possibile ricavare i valori assoluti di concentrazione di O2Hb e HHb tramite la legge di Lambert-Beer. Inoltre, si possono derivare ulteriori parametri emodinamici: la quantità totale di emoglobina (tHb) e la saturazione del tessuto (SO2). Tuttavia, il segnale che proviene dai tessuti obiettivo della misura è contaminato dal contributo dei tessuti circostanti. Oltretutto, le misure su cervello e muscoli hanno caratteristiche molto differenti. Ad esempio, l’ampiezza delle variazioni di concentrazione di Hb durante lo stimolo/attività è inferiore nel cervello, così come le proprietà ottiche dei tessuti e la loro struttura anatomica. Considerando la complessità dei tessuti che vogliamo investigare, si è cercato si mettere a punto la miglior strategia individuando i modelli più adeguati per analizzare i dati sperimentali. Questa tesi è incentrata sullo sviluppo di strumenti medicali TD fNIRS per lo studio della corteccia cerebrale e dei muscoli scheletrici e il loro impiego in applicazioni cliniche, con misure su pazienti. Nella prima parte del lavoro, sono stati introdotti alcuni miglioramenti a strumenti già sviluppati in laboratorio. Particolare attenzione è stata rivolta alla progettazione di sonde dedicate utilizzando la tecnica di stampa 3D. Uno studio del materiale più adatto per la specifica applicazione è stato condotto, con lo scopo di garantire una facilità di utilizzo, la velocità e ripetibilità di posizionamento della sonda e la sua adesione. Un altro importante aspetto affrontato in questo lavoro è l’acquisizione della risposta del sistema, denominata anche Instrument Response Function (IRF), una misura di calibrazione fondamentale per che deve essere svolta per ciascuna sessione di misura TD fNIRS con lo scopo di ottenere una stima quantitativa e affidabile dei parametri. Una configurazione con fibre ottiche affiancate (“side-by-side”) è stata quindi proposta e validata per l’acquisizione della IRF. Un supporto specifico è stato sviluppato, in modo da sfruttare una superficie riflettente per raccogliere il segnale, e che permetter un corretto e rapido posizionamento delle fibre senza il bisogno di separarle dalla sonda. Questo ha portato a misure in-vivo più rapide e accurate. La seconda parte di questa tesi è dedicata a misure in-vivo. Sono stati condotti rispettivamente uno studio preliminare su volontari sani e due studi clinici. Il primo studio clinico è stato svolto in collaborazione con l’ASST Ospedale Sacco di Milano e l’Unità di Statistica Medica, Biometria e Bioinformatica "Giulio A. Maccacaro" dell’Università degli Studi di Milano, con lo scopo di valutare la risposta della corteccia visiva a pattern di stimoli (inversione della scacchiera) in 118 soggetti, divisi tra controlli sani e pazienti affetti da glaucoma. Il glaucoma è una neuropatia ottica multifattoriale, caratterizzata dalla progressiva perdita di cellule gangliari della retina e della capacità visiva. I risultati di una analisi statistica descrittiva preliminare, basata sull’analisi delle componenti principali, hanno mostrato che l’attivazione corticale, rappresentata dalle variazioni di O2Hb e HHb durante gli stimoli visivi, sembra essere maggiore nel gruppo di controllo rispetto ai pazienti glaucomatosi. Un secondo studio clinico è stato condotto in collaborazione con l’ASST Centro Specialistico Ortopedico Traumatologico Gaetano Pini – CTO di Milano and l’istituto STIIMA del Consiglio Nazionale delle Ricerche in Lecco. Lo scopo di questo studio è la valutazione di cambiamenti morfologici e funzionali che possono avvenire nel muscolo vasto laterale non lesionato di anziani, nel corso della riabilitazione fisica successiva a un evento di frattura del femore dell’arto controlaterale. questa valutazione è stata effettuata tramite misure quantitative con TD fNIRS ed Elettromiografia (EMG) superficiale, ripetute rispettivamente dopo due e quattro settimane dall’intervento. La campagna di misure cliniche è ancora in corso, per cui solo risultati preliminari sono stati riportati in questa discussione. Un secondo studio sui muscoli scheletrici è stato condotto in collaborazione con l’istituto IBFM del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Segrate (Milano). I muscoli vasto laterale e bicipite brachiale di 11 volontari sani sono stati monitorati durante gli esercizi di pedalata con braccia e gambe, sia da un punto di vista emodinamico che matabolico. Ad ora, una caratterizzazione preliminare delle proprietà ottiche dei diversi muscoli misurati con la TD fNIRS è stata effettuata, con particolare attenzione al calcolo del Differential Pathlength Factor (DPF) usando le misure TD. Una variabilità inter- e intra-soggetto di questo parametro è stata individuata. Inoltre, variazioni nel DPF sono state osservate anche durante l’esercizio fisico. In fine, l’ultima parte della tesi è stata dedicata allo sviluppo di un nuovo strumento medicale TD fNIRS, che frutta sorgenti laser ad alta potenza. Gli impulsi di luce a due diverse lunghezze d’onda sono inviati nello stesso punto senza la limitazione del tempo meccanico di commutazione di uno switch ottico. Inoltre, nelle linee di rivelazione, tubi fotomoltiplicatori ibridi raffreddati sono stati scelti per garantire bassi conteggi di buoi e un alto rapporto segnale-rumore (SNR) anche in acquisizioni veloci. Infatti, per particolari applicazioni, ad esempio per il monitoraggio di oscillazioni cerebrali basali o per investigare organi/muscoli più profondi, sarebbe necessario aumentare la frequenza di campionamento delle misure, solitamente impostata a 1 Hz, e la capacità di penetrazione pur garantendo un alto SNR. A questo scopo, miglioramenti tecnologici rispetto la strumentazione esistente sono necessari. Il nuovo strumento ad alta potenza è stato testato e validato seguendo protocolli standard di verifica delle prestazioni di uno strumento TD, mentre è stato possibile raggiungere la frequenza di campionamento di 250 Hz in misure dedicate.