High throughput time-domain NIRS device for investigating biological tissues : characterization and first in-vivo tests

This experimental master thesis is based on the Time Domain Near Infrared Spectroscopy (TD-NIRS) technique, which exploits the distribution of the time of flight of the photons after the interaction of a short (tens of ps) light pulse with a biological tissue to retrieve its optical properties (μa and μs′). As a consequence, it makes possible to determine the absolute values and the changes of concentration of specific chromophores, which are useful tools for the non-invasive access to important physiological information. The work has been conducted on a high power TD-NIRS device previously developed at Politecnico di Milano with one injection and four detection channels. Its hardware presented some defects that resulted in bad performances of the device, especially in the estimation of the absolute values of the optical coefficients. Thus, it has been modified during this thesis work to correctly determine the absorption and reduced scattering coefficients at source detector distances spanning from 1 to 5 cm and at acquisition frequencies up to 20 Hz, overcoming the capabilities of the state of art devices. Specifically, at first the principle and theoretical concept that constitute the basis of the technique are provided, along with the theory on which the data analysis is based. Then, the instrument is described in detail, with a special focus on the hardware modifications. The validation of the new setup is provided through the implementation of standard international protocols for diffuse optical instruments: BIP, MEDPHOT and nEUROPt. Through custom made protocols, instead, the limits and the operative conditions of the device are assessed. An example of in-vivo measurement is shown to highlight the capability of the new device to follow the hemodynamics in the brain cortex, as a consequence of a motor stimulation, and in a muscle during a cuff occlusion. Details of the measurements setup and modalities are provided along with promising results and future perspectives.

La presente tesi sperimentale di Laurea Magistrale si basa sulla tecnica di spettroscopia nel vicino infrarosso risolta nel tempo (TD-NIRS), la quale sfrutta la distribuzione del tempo di volo dei fotoni dopo l’interazione di un impulso di luce corto (decine di ps) con un campione, per ricavarne le proprietà ottiche (μa e μs'). Di conseguenza, la tecnica permette di determinare i valori assoluti e le variazioni delle concentrazioni di specifici cromofori. Nel caso di tessuti biologici, questi ultimi sono utili per accedere in modo non invasivo ad importanti informazioni fisiologiche. Il lavoro è stato condotto su uno strumento TD-NIRS ad alta potenza precedentemente sviluppato presso il Politecnico di Milano. L’hardware di quest’ultimo presentava alcuni difetti che limitavano la qualità delle sue prestazioni, in particolare la capacità di avere una stima esatta dei valori assoluti dei parametri ottici. Lo strumento, quindi, è stato modificato per ricavare correttamente μa e μs' a distanza sorgente-detector da 1 a 5 cm e a frequenze di acquisizione fino a 20 Hz, superando le capacità dei dispositivi TD-NIRS esistenti. Nello specifico, in questa tesi sono forniti i principi teorici alla base della tecnica e dell’analisi dei dati. Lo strumento è poi descritto nel dettaglio, con una particolare attenzione alle modifiche effettuate sull’hardware. La validazione del nuovo setup è realizzata tramite protocolli internazionali standardizzati: BIP, MEDPHOT e nEUROPt. Le condizioni operative e i limiti del dispositivo, invece, sono valutati attraverso protocolli su misura. Una campagna di misure in vivo è stata realizzata per mostrare la capacità del nuovo strumento di seguire l’emodinamica nella corteccia cerebrale e nel tessuto muscolare rispettivamente in seguito ad una stimolazione motoria e un’occlusione arteriosa. Tutti i dettagli relativi a setup, modalità di misura e risultati saranno mostrati con le conseguenti prospettive future.