Optimization of a hybrid time-resolved reflectance spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy system for measurements of tissue hemodynamics in vivo

Nowadays, the need for a non-invasive, low-cost, portable biomedical technique for the precise diagnostic is rapidly increasing. Near-Infrared Spectroscopy (NIRS) techniques play a fundamental role in this scenario. Among NIRS techniques, Diffuse Correlation Spectroscopy (DCS) is a fast-growing optical technique that allows to non-invasively monitor Blood Flow (BF), and Time-resolved Reflectance Spectroscopy (TRS) provides an absolute concentration of oxygenated hemoglobin (HbO2), deoxygenated hemoglobin (HHb), and tissue oxygen saturation (StO2). Combining these two techniques can quantify the tissue oxygen metabolic rate giving a complete diagnostic instrument. In this thesis work, a hybrid device that integrates a DCS system with a compact TRS instrument was optimized for in vivo monitoring tissue hemodynamics. The main objectives were: • To estimate the DCS device performances in terms of stability, repeatability, and ability in retrieving variations of diffusion coefficient when changing sample viscosity and temperature. • To test the ability of compact hybrid devices in measuring hemodynamics of human tissues and potential use in clinics. In the next chapters, the physical principles of DCS and TRS techniques will be highlighted. Then the device developed and optimized will be described. Finally, the results obtained from characterization and in vivo measurements, with drawbacks and possible improvements, will be discussed.

Al giorno d’oggi, la necessità di dispositivi medicali, a basso costo e non invasivi sta crescendo rapidamente. In questo scenario, le tecniche di Spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) svolgono un ruolo fondamentale. In particolare, la spettroscopia di correlazione diffusa permette di quantificare il flusso sanguigno in maniera non invasiva, e la spettroscopia nel vicino infrarosso risolta nel tempo (TRS) misura la concentrazione, in termini assoluti, di emoglobina ossigenata (HbO2) e deossigenata (HHb), e da esse la saturazione di ossigeno del tessuto investigato. L’unione di queste due tecniche da accesso ad informazioni che le due tecniche separatamente non permettono di misurare: la rapidita di consumo di ossigeno da parte del tessuto, fornendo così un importante strumento diagnostico. In questo lavoro di tesi, un dispositivo ibrido, che unisce un sistema DCS ad un sistema TRS compatto, è stato ottimizzato per il monitoraggio dell’emodinamica tissutale durante misure in vivo. Lo scopo di questo lavoro è stato duplice: • Stimare le prestazioni del dispositivo, in termini di: stabilità, riproducibilità, abilità di misurare variazioni di flusso al variare della viscosità ne della temperatura del campione. • Valutare la capacità del dispositivo di misurare l’emodinamica di tessuti umani, per eventuali studi clinici. Nei prossimi capitoli sono riassunti i principi fisici alla base delle due tecniche DCS e TRS. In seguito, il dispositivo sviluppato ed ottimizzato sarà dettagliatamente descritto. In fine, i risultati ottenuti dalle misure di caratterizzazione su phantom ed in vivo saranno discussi, insieme a possibili miglioramenti e sviluppi futuri.