Advances in broadband time-resolved spectroscopy of diffusive media - from physics to clinics

The research presented in this thesis deals fundamentally with the interaction of light with highly diffusive or scattering media. A particularly interesting example of such diffusive media is biological tissue. A study of the interaction of light with tissue samples to obtain the optical properties is interesting as it provides information about the composition and the morphology of the sample. This is particularly true when the study is performed over a broad range of wavelengths (typically 600 - 1100 nm). Such broadband spectral information of the optical properties is very useful in the assessment and analysis of tissue health, to diagnose diseases and in laser related treatment methodologies. Considerable progress has been achieved in this field over the last few decades and the number of applications that this technique has been used for has only been increasing over time. In this work, the use of time resolved techniques for the broadband, non-invasive, optical characterization of different biological samples both in-vivo and ex-vivo is presented. As indicated in the title, the applications range from the level of laboratory exploratory studies to pre-clinical and even clinical use. The key achievements of this thesis can be summarized as follows. A portable instrument capable of obtaining broadband optical property spectra at multiple distances was designed, developed and characterized. The instrument was used to study the broadband optical properties of heterogeneous or layered diffusive media (e.g. abdominal region, forehead region) accurately by disentangling the contribution of superficial (dermal or extracerebral) layer from the underlying (abdominal fat or brain) layers. As a further step in this direction, the instrument was employed in a pre-clinical feasibility study to assess the depth optical heterogeneity of the abdominal region on a cohort of 10 healthy volunteers. The technique of broadband time resolved diffuse optical spectroscopy was also utilized in an experimental study aimed at understanding the optical variations of biological tissue undergoing thermal treatment. Finally, a multi-laboratory performance assessment exercise involving 29 instruments from 12 institutions across Europe was initiated with the aim of enhancing the applicability of this technique from a clinical perspective.

La ricerca presentata in questa tesi si occupa fondamentalmente dell'interazione della luce con mezzi altamente diffusivi o scatteranti. Un esempio particolarmente interessante di tali mezzi diffusivi è il tessuto biologico. È interessante uno studio sull'interazione della luce con campioni di tessuto per ottenerne le proprietà ottiche in quanto fornisce informazioni sulla composizione e sulla morfologia del campione. Questo è particolarmente vero quando lo studio viene eseguito su una vasta gamma di lunghezze d'onda (in genere da 600 a 1100 nm). Tali informazioni spettrali a banda larga sulle proprietà ottiche sono molto utili nella valutazione e nell'analisi della salute dei tessuti, nella diagnosi di malattie e nelle metodologie di trattamento con laser. Negli ultimi decenni sono stati compiuti notevoli progressi in questo campo e il numero di applicazioni in cui questa tecnica è stata utilizzata è solo che aumentato nel tempo. In questo lavoro, viene presentato l'uso di tecniche risolte nel tempo per caratterizzazione ottica a banda larga, non invasiva di diversi campioni biologici sia in vivo che ex-vivo. Come indicato nel titolo, le applicazioni spaziano dal livello degli studi esplorativi di laboratorio all'uso preclinico e persino clinico. I risultati chiave di questa tesi possono essere riassunti come segue. È stato progettato, sviluppato e caratterizzato uno strumento portatile in grado di ottenere spettri delle proprietà ottiche a banda larga a più distanze. Lo strumento è stato utilizzato per studiare accuratamente le proprietà ottiche della banda larga di mezzi diffusivi eterogenei o stratificati (ad es. Regione addominale, regione della fronte) separando accuratamente il contributo dello strato superficiale (dermico o extracerebrale) dagli strati sottostanti (grasso addominale o cervello). Come ulteriore passo in questa direzione, lo strumento è stato impiegato in uno studio di fattibilità preclinica per valutare l'eterogeneità ottica della profondità della regione addominale su un gruppo di 10 volontari sani. La tecnica della spettroscopia ottica diffusa risolta nel tempo a banda larga è stata anche utilizzata in uno studio sperimentale volto a comprendere le variazioni ottiche dei tessuti biologici sottoposti a trattamento termico. Infine, è stato avviato un esercizio di valutazione delle prestazioni multi-laboratorio che ha coinvolto 29 strumenti di 12 istituzioni in tutta Europa con l'obiettivo di migliorare l'applicabilità di questa tecnica dal punto di vista clinico.