Time domain diffuse optical spectroscopy to investigate the optical properties of the lung : towards a non-invasive pulmonary diagnostics

This thesis aims to perform an introductory study on the feasibility of probing the lung transcutaneously by means of Time-Resolved Diffuse Optical Spectroscopy. In the long term, the final goal of the project is the detection of pulmonary diseases. The great advantage of this technique, which has already been used to successfully characterize human tissues for diagnostic purposes, is that the information about abnormalities in lung density or composition can be retrieved non-invasively: this is a result not achievable by the current imaging diagnostics methods. Furthermore, the potential to develop bedside devices, together with the relatively low-cost, makes this approach very attractive for the clinical practice. However, assessing the lung from outside the chest is not trivial due to the presence of the superficial chest layer, the pleura and the air-filled alveolar structure of the organ itself, that may increase the complexity of the results. The problem was addressed at first by means of simulations. The variations in lung density (and in the absorption and scattering properties) produced by respiration were studied, considering a more controllable and reproducible condition than the alterations due to pulmonary pathologies. The effect of the inhalation and exhalation phases was simulated in the spectral region between 600-1300 nm, using a bilayer model to account for both the superficial layer and the lung, in order to understand if the measurements could sense the density changes. From these results, the best experimental conditions for working in vivo were identified. Later on, the properties of some foam rubber phantoms were investigated, in order to find a suitable model of the lung to study the physical problem in a simpler and controlled situation. Then, the breath-related changes in lung properties were reproduced by means of resin phantoms to have an experimental validation of the simulation results. Finally, initial in vivo measurements were performed on a healthy volunteer during a breathing protocol, comparing the obtained outcomes with the expected ones to verify if the lung was effectively sensed.

Questa tesi si propone di condurre uno studio introduttivo sulla possibilità di investigare il polmone per via transcutanea tramite la Spettroscopia Ottica Diffusa Risolta nel Tempo. A lungo termine, l'obiettivo finale del progetto è la diagnostica di malattie polmonari. Il grande vantaggio di questa tecnica, che è già stata usata con successo per caratterizzare i tessuti umani per scopi diagnostici, è di poter ottenere le informazioni sulle anomalie nella densità o nella composizione del polmone in modo non invasivo: questo è un risultato non raggiungibile con i metodi di diagnostica imaging attualmente in uso. Inoltre, la potenziale possibilità di sviluppare dispositivi bedside, insieme al costo relativamente basso, rende questo approccio molto interessante per la pratica clinica. Tuttavia, la valutazione del polmone dall'esterno del torace non è banale a causa della presenza dello strato toracico superficiale, della pleura e della struttura alveolare dell'organo stesso, che possono aumentare la complessità dei risultati. Il problema è stato affrontato inizialmente per mezzo di simulazioni. Sono state studiate le variazioni della densità polmonare (e delle proprietà di assorbimento e scattering) prodotte dalla respirazione, considerando una condizione più controllabile e riproducibile rispetto alle alterazioni dovute a patologie polmonari. L'effetto delle fasi di inspirazione ed espirazione è stato simulato nella regione spettrale tra 600-1300 nm, utilizzando un modello doppio-strato per rappresentare sia lo strato superficiale che il polmone, al fine di capire se le misure fossero sensibili ai cambiamenti di densità. Da questi risultati sono state identificate le migliori condizioni sperimentali per lavorare in vivo. In seguito, sono state studiate le proprietà di alcuni phantom di gommapiuma, con lo scopo di trovare un modello adatto del polmone per studiare il problema fisico in una situazione più semplice e controllata. Successivamente le variazioni nelle proprietà del polmone legate alla respirazione sono state riprodotte per mezzo di phantom di resina, per avere una convalida sperimentale dei risultati delle simulazioni. Infine, sono state eseguite delle misure iniziali in vivo su un volontario sano durante un protocollo di respirazione, confrontando i risultati ottenuti con quelli attesi per verificare se il polmone fosse stato effettivamente raggiunto.