Optical intracranial sensor for real-time monitoring of neurophysiology

One major cause of mortality and disability is Traumatic Brain Injury (TBI). It is crucial to monitor the physiological parameters in the brain to detect the metabolic responses to the brain injury and identify early signs of secondary brain injuries that can follow first damage. Irretrievable injuries such as ischemia, hypoxia, hypertension, and hemorrhage, which lead to higher mortality risk, can be seen in brain-injured patients even after the primary injury. Therefore, the real-time monitoring of biomarkers in cerebrospinal fluid(CSF) is a highly demanded expansion of the diagnostic armamentarium in case of brain injury. Even though it is possible to analyze CSF in single measurements with some existing technologies, there is no technology for real-time in vivo monitoring of brain physiology in intensive care units. The proposed biosensing approach in this thesis will make it possible to detect abrupt metabolic changes, reflecting the real-time physiological condition and metabolic response to the brain injury and subsequent treatments delivered. The proposed thesis work describes an optical method for monitoring physiological parameters with mainly two approaches; UV/VIS spectroscopy for physical analysis and Fiber Bragg Grating for cerebral metabolism analysis.

Una delle principali cause di mortalità e disabilità è la lesione cerebrale traumatica (TBI). È fondamentale monitorare i parametri fisiologici nel cervello per rilevare le risposte metaboliche alla lesione cerebrale e identificare precocemente segni di lesioni cerebrali secondarie che possono seguire il primo danno. Lesioni irrecuperabili come ischemia, ipossia, ipertensione ed emorragia, le quali portano a un rischio di mortalità più elevato, possono essere individuate nei pazienti cerebrolesi anche dopo la lesione primaria. Pertanto, il monitoraggio in tempo reale dei biomarcatori nel liquido cerebrospinale (CSF) è un potenziamento molto richiesto nell’ambito dell’armamentario diagnostico in caso di lesione cerebrale. Anche se è possibile analizzare il CSF in singole misurazioni con alcune tecnologie esistenti, non esisteuna tecnologia in tempo reale per il monitoraggio in vivo della fisiologia cerebrale nelle unità di terapia intensiva. L’approccio biosensing proposto in questa tesi consentirà di rilevare i bruschi cambiamenti metabolici, che riflettono la condizione fisiologica in tempo reale e la risposta metabolica alla lesione cerebrale e ai successivi trattamenti erogati. Il lavoro di tesi proposto descrive un metodo ottico per il monitoraggio dei parametri fisiologici attraverso due approcci in particolare: UV/VIS spettroscopia per analisi fisiche e reticolo di fibra di Bragg per l’analisi del metabolismo cerebrale.