Hybrid DCS and TD-NIRS devices from development through applications in the intensive care unit

Time Domain Near-Infrared Spectroscopy (TD-NIRS) and Diffuse Correlation Spectroscopy (DCS) are Diffuse Optics (DO) techniques that enable the assessment of haemodynamic parameters in biological tissues (e.g. brain and muscles). In this work, these techniques were investigated and exploited: from one side, we assess TD-NIRS accuracy in estimating neonatal cerebral haemodynamics, and, from the other, we develop and characterize a compact hybrid device that combines TD-NIRS and DCS modules, towards the exploitation of hybrid devices in Intensive Care Unit (ICU). In particular, two different hybrid DO devices were used to address tissue haemodynamics in two populations: preterm neonates and adults. The accuracy of these techniques in estimating vital parameters as oxygenation level and haemoglobin concentration is paramount to exploit the technique as a monitoring tool of tissue health. To this aim, we exploited the Monte Carlo method to study the sensitivity of TD-NIRS homogeneous model in estimating brain haemodynamics of preterm neonates, obtaining a high sensitivity to brain oxygenation level, but an underestimation of haemoglobin concentration. Being aware of the results obtained, we investigated the cerebral haemodynamic variations of preterm neonates following red blood cells (RBC) transfusion. The combination of TD-NIRS and DCS data allowed us to retrieve metabolic parameters (that strongly impacts the interpretation of physiological changes). Indeed, cerebral oxygenation and haemoglobin concentration significantly increase after RBC transfusion, but cerebral metabolism seems to be unaffected, suggesting that the anaemia levels might not have been deleterious in these situations. When hybrid DO devices are used to address tissue health in the adult population, a larger penetration depth is needed. Thus, we developed and characterized a compact multi-distance DCS and TD-NIRS device to perform simultaneous measurements at higher inter-fiber distances (up to 2.5 cm for the DCS module, and 3 cm for the TD-NIRS module) with a good signal-to-noise ratio. The new device was exploited to test the clinical vascular occlusion protocol of the VASCOVID project. Three arterial occlusion measurements were performed on 19 healthy subjects, changing the position of the cuff, and measuring the haemodynamic response of the thenar eminence. We observed an unexpected increase in haemoglobin concentration during the occlusion, which affects the behaviour of oxygen saturation, and that is probably related to veins congestion. Moreover, periodic oscillations in the blood flow were detected at rest, that were not observed measuring different muscles. These results suggest that better biomarkers could be obtained by measuring non-peripheral muscle (e.g. forearm muscles). The results presented in this thesis highlight the strong impact that blood flow, haemoglobin concentration and metabolic parameters can have on the interpretation of tissue health, and the advantages of a hybrid DO device compared to commercially available continuous wave NIRS instruments which only enable to assess the oxygenation level.

La spettroscopia nel vicino infrarosso nel dominio del tempo ( TD-NIRS) e la Spettroscopia di Correlazione Diffusa (DCS) sono tecniche di Ottica Diffusa (DO) che permettono la valutazione dei parametri emodinamici nei tessuti biologici (ad esempio, cervello e muscoli). In questo lavoro, queste tecniche sono state studiate e sfruttate: da un lato, abbiamo valutato l'accuratezza del TD-NIRS nella stima dell'emodinamica cerebrale neonatale, e, dall'altro, abbiamo sviluppato e caratterizzato un dispositivo ibrido compatto che combina moduli TD-NIRS e DCS, per l’utilizzodi dispositivi ibridi in unità di terapia intensiva (ICU). In particolare, due diversi dispositivi ibridi di ottica diffusiva sono stati utilizzati per affrontare l'emodinamica dei tessuti in due popolazioni: neonati pretermine e adulti. L'accuratezza di queste tecniche nella stima dei parametri vitali come il livello di ossigenazione e la concentrazione di emoglobina è fondamentale per sfruttare la tecnica come strumento di monitoraggio della salute dei tessuti. A questo scopo, abbiamo sfruttato il metodo Monte Carlo per studiare la sensibilità di modelli omogenei TD-NIRS nella stima dell'emodinamica cerebrale dei neonati pretermine, ottenendo un'alta sensibilità al livello di ossigenazione del cervello, ma una sottostima della concentrazione di emoglobina. Consapevoli dei risultati ottenuti, abbiamo studiato le variazioni emodinamiche cerebrali dei neonati pretermine dopo la trasfusione di globuli rossi (RBC). La combinazione dei dati TD-NIRS e DCS ci ha permesso di stimare i parametri metabolici (che hanno un forte impatto sull'interpretazione dei cambiamenti fisiologici). Infatti, l'ossigenazione cerebrale e la concentrazione di emoglobina aumentano significativamente dopo la trasfusione di RBC, ma il metabolismo cerebrale sembra non essere influenzato, suggerendo che i livelli di anemia potrebbero non essere stati deleteri in queste situazioni. Quando i dispositivi ibridi vengono utilizzati per affrontare la salute dei tessuti nella popolazione adulta, è necessaria una maggiore profondità di penetrazione. Così, abbiamo sviluppato e caratterizzato un dispositivo compatto DCS e TD-NIRS per eseguire misurazioni simultanee a più elevate distanze inter-fibre (fino a 2.5 cm per il modulo DCS, e 3 cm per il modulo TD-NIRS) con un buon rapporto segnale-rumore. Il nuovo dispositivo è stato sfruttato per testare il protocollo clinico di occlusione vascolare del progetto VASCOVID. Sono state eseguite tre misure di occlusione arteriosa su 19 soggetti sani, cambiando la posizione dell’occlusione e misurando la risposta emodinamica dell'eminenza tenare. Abbiamo osservato un aumento inaspettato della concentrazione di emoglobina durante l'occlusione, che influenza il comportamento della saturazione di ossigeno, e che è probabilmente legato alla congestione delle vene. Inoltre, sono state rilevate oscillazioni periodiche nel flusso sanguigno a riposo, che non sono state osservate misurando muscoli diversi. Questi risultati suggeriscono che si potrebbero ottenere migliori biomarcatori misurando muscoli non periferici (per esempio i muscoli dell'avambraccio). I risultati presentati in questa tesi evidenziano il forte impatto che il flusso sanguigno, la concentrazione di emoglobina e i parametri metabolici possono avere sull'interpretazione della salute dei tessuti, e i vantaggi di un dispositivo ibrido di ottica diffusiva rispetto agli strumenti NIRS disponibili in commercio che permettono solo di valutare il livello di ossigenazione.