The present Master's Degree thesis concerns the development of a device based on the time domain (TD) Near Infrared Spectroscopy (NIRS) technique, designed and developed within the Department of Physics of Politecnico di Milano and aimed at the optical characterization of turbid media. In particular, the instrument is suitable for clinical applications which involve measurements on human tissues, respecting the regulations presently in force. In the first chapter the theoretical bases of the TD-NIRS technique are presented. First of all, the physical principles and models depicting the behavior of light in turbid media are explained. After that, three possible experimental approaches are discussed, highlighting the advantages of the time domain technique. Finally, the experimental data acquisition and analysis technique is introduced. In the second chapter a detailed description of the developed device is presented. Initially, an overview of the instrument, organized on the basis of a modular structure, is introduced. After that, the different modules are described in detail, highlighting the elements that are mandatory for clinical application. In the third chapter an evaluation of the performances of the device, according to the standard international MEDPHOT protocol, is presented. Firstly, the MEDPHOT protocol is described in detail. Secondly, the experimental results obtained applying the protocol to the device are shown and discussed.

La presente tesi di Laurea Magistrale concerne lo sviluppo di un dispositivo basato sulla tecnica di spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) risolta in tempo (TD), progettato e sviluppato all'interno del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e finalizzato alla caratterizzazione ottica di mezzi altamente diffusivi. In particolare, lo strumento è idoneo ad applicazioni cliniche che prevedano misure sul corpo umano, nel rispetto delle norme attualmente vigenti. Nel primo capitolo vengono presentati i fondamenti teorici alla base della tecnica di TD-NIRS. Innanzitutto sono illustrati i principi e i modelli fisici che rappresentano il comportamento della radiazione luminosa in mezzi altamente diffusivi. Successivamente, vengono discussi tre possibili approcci sperimentali, evidenziando i vantaggi della tecnica risolta in tempo. Infine, viene trattata la tecnica di acquisizione ed analisi dei dati sperimentali. Nel secondo capitolo viene presentata una descrizione dettagliata del dispositivo sviluppato. Dapprima viene illustrata una panoramica dello strumento, organizzato secondo una struttura modulare. Successivamente, i diversi moduli vengono descritti in dettaglio, evidenziando gli elementi necessari per applicazione clinica. Nel terzo capitolo viene presentata una valutazione delle prestazioni del dispositivo secondo il protocollo standard internazionale MEDPHOT. In primo luogo, il protocollo MEDPHOT viene descritto dettagliatamente. Successivamente, vengono illustrati e discussi i risultati sperimentali ottenuti applicando il protocollo al dispositivo.

Development of a time domain near infrared specroscopy device for optical characterization of turbid media

Levoni, Pietro
2019/2020

Abstract

The present Master's Degree thesis concerns the development of a device based on the time domain (TD) Near Infrared Spectroscopy (NIRS) technique, designed and developed within the Department of Physics of Politecnico di Milano and aimed at the optical characterization of turbid media. In particular, the instrument is suitable for clinical applications which involve measurements on human tissues, respecting the regulations presently in force. In the first chapter the theoretical bases of the TD-NIRS technique are presented. First of all, the physical principles and models depicting the behavior of light in turbid media are explained. After that, three possible experimental approaches are discussed, highlighting the advantages of the time domain technique. Finally, the experimental data acquisition and analysis technique is introduced. In the second chapter a detailed description of the developed device is presented. Initially, an overview of the instrument, organized on the basis of a modular structure, is introduced. After that, the different modules are described in detail, highlighting the elements that are mandatory for clinical application. In the third chapter an evaluation of the performances of the device, according to the standard international MEDPHOT protocol, is presented. Firstly, the MEDPHOT protocol is described in detail. Secondly, the experimental results obtained applying the protocol to the device are shown and discussed.
TORRICELLI, ALESSANDRO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
2-ott-2020
2019/2020
La presente tesi di Laurea Magistrale concerne lo sviluppo di un dispositivo basato sulla tecnica di spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) risolta in tempo (TD), progettato e sviluppato all'interno del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e finalizzato alla caratterizzazione ottica di mezzi altamente diffusivi. In particolare, lo strumento è idoneo ad applicazioni cliniche che prevedano misure sul corpo umano, nel rispetto delle norme attualmente vigenti. Nel primo capitolo vengono presentati i fondamenti teorici alla base della tecnica di TD-NIRS. Innanzitutto sono illustrati i principi e i modelli fisici che rappresentano il comportamento della radiazione luminosa in mezzi altamente diffusivi. Successivamente, vengono discussi tre possibili approcci sperimentali, evidenziando i vantaggi della tecnica risolta in tempo. Infine, viene trattata la tecnica di acquisizione ed analisi dei dati sperimentali. Nel secondo capitolo viene presentata una descrizione dettagliata del dispositivo sviluppato. Dapprima viene illustrata una panoramica dello strumento, organizzato secondo una struttura modulare. Successivamente, i diversi moduli vengono descritti in dettaglio, evidenziando gli elementi necessari per applicazione clinica. Nel terzo capitolo viene presentata una valutazione delle prestazioni del dispositivo secondo il protocollo standard internazionale MEDPHOT. In primo luogo, il protocollo MEDPHOT viene descritto dettagliatamente. Successivamente, vengono illustrati e discussi i risultati sperimentali ottenuti applicando il protocollo al dispositivo.
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