Optimization of a portable oximeter based on time domain near infrared spectroscopy and its application

My thesis work was carried out in the Physics Department of the Politecnico di Milano, in collaboration with the Electronics Department which supported us in the design and control of the device. It consists of a time-resolved oximeter with two lasers in red and infrared with full width half maximum (FWHM) in the order of picoseconds. The wavelength of the two laser modules allow to retrieve hemoglobin and oxygenated hemoglobin in non invasively way, from which it is possible to obtain the oxygen saturation values of the investigated area. The device has been characterized and developed for dynamic measurements and monitoring for long time. The time-resolved NIRS technology has been set aside for years, despite the continuous techniques, due to its numerous limitations. Starting from this assumption, the system was developed to be compact, inexpensive and that every part of it had minimal losses: from the choice of collimators, attenuators and fibers; without neglecting the optical beam requirements necessary to perform a measurement such as stability and pulse width. Subsequently, its characterization was made to validate its stability, linearity, accuracy and applicability to different fields of application. NIRS device can be applied to measure hemodynamic variations such as brain consequences due to neurological pathologies or oxygenation analysis of peripheral tissues such as muscles. The thesis work is divided into the following chapters: theoretical introduction of the optical properties of the diffusing media, description of the device and its parts, characterization and analysis of in-vivo measurements.

Il mio lavoro di tesi è stato svolto nel Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano in collaborazione con il Dipartimento di Elettronica che ha partecipato alla progettazione e il controllo del dispositivo. La tesi consiste in uno ossimetro tempo-risolto con due moduli laser nel rosso e nell'infrarosso con larghezza a metà altezza nell'ordine dei picosecondi. Le lunghezze d'onda dei due moduli laser permettono di misurare in maniera non invasiva rispettivamente l'emoglobina de-ossigenata ed emoglobina ossigenata, dalle quali è possibile ottenere i valori di saturazione della zona indagata. Il dispositivo è stato caratterizzato e sviluppato per misure dinamiche e monitoraggi per tempi prolungati. La tecnologia NIRS tempo risolta è stata accantonata per anni, a dispetto delle tecniche in continua, a causa delle sue numerose limitazioni. Partendo da questo presupposto il sistema è stato sviluppato affinché fosse compatto, poco costoso e che ogni sua parte avesse minime perdite: dalla scelta dei collimatori, attenuatori e fibre; senza tralasciare i requisiti del fascio ottico necessari per performare una misura che sia stabile nel tempo, ossia che larghezza dell'impulso sia constante. In seguito è stato caratterizzato lo strumento per convalidarne l'accuratezza, la linearità, la stabilità e l'attuabilità nei diversi campi di applicazione. Considerate le premesse n qui fatte, il dispositivo NIRS potrà essere utilizzato per misurare variazioni emodinamiche quali: conseguenze cerebrali dovute a patologie neurologiche o analisi dell'ossigenazione dei tessuti periferici come i muscoli. Il lavoro che segue consiste in una introduzione teorica delle proprietà ottiche dei mezzi diffondenti, descrizione del dispositivo e delle sue parti, caratterizzazione e analisi delle misure in vivo.