Time-domain diffuse correlation spectroscopy : from physics to biomedical applications

Diffuse correlation spectroscopy (DCS) is an optical technique which, by measuring the speckle intensity fluctuations of coherent light diffused by a turbid sample, extracts information regarding the scatterers’ dynamics. Its main biomedical application is the in vivo non-invasive measurement of fluctuation of red blood cells, and thus micro-vascular blood flow (BF). Since DCS typically uses a continuous-wave (CW) light source, it generally lacks depth sensitivity. Also, a knowledge of the sample optical properties (scattering and absorption coefficients) is required for a correct BF estimation. Time-domain (TD) DCS tackles these problems by using a pulsed yet coherent light source. This might enable a depth resolved BF measurement, by measuring the speckle fluctuations at different time-of-flights. The aim of this thesis is to lay the foundations of TD-DCS, both on the theoretical and experimental sides. In the initial part of this work, first I introduce the field of diffuse optics, focusing on near infrared spectroscopy (NIRS) and laser speckle methods. Also, a comparison with other medical techniques is presented. Second, a theoretical model for the interpretation and analysis of the data is developed, by suitably modelling the instrument response function (IRF) and gate width effects. Third, a novel experimental setup is developed and optimized, focusing on the laser source and single-photon detectors. In the second part of this thesis, I present the experimental results. Initially, a system characterization is performed, by exploiting tissue mimicking phantoms. This helps in defining the figures of merit of the system, and in optimizing its components (such as laser source and single-photon detectors). Next, I present an experimental observation of an unexpected effect, a temporal fluctuation in the distribution of time-of-flights curve, which will be termed temporal speckle. I provide a physical interpretation of the phenomena and demonstrate its applicability to the measurement of blood flow. Finally, I move to in vivo experiments on adult volunteers. I focus my attention of muscle (cuff occlusion) and brain (forehead) measurements, observing interesting physiological phenomena (such as vascular pulsatilty). Also, I demonstrate the possibility of performing in vivo measurements in a novel spectral range, in particular beyond 1 𝜇m. Collectively, this work provides a solid theoretical and experimental foundation for the further development of the technique, and its biomedical/clinical application.

La spettroscopia di correlazione diffusa (diffuse correlation spectroscopy, DCS) è una tecnica ottica che, misurando le fluttuazioni di intensità dello speckle prodotto da luce coerente diffusa da un campione torbido, estrae informazioni sulla dinamica dei centri diffusori. La sua principale applicazione biomedica è la misurazione in vivo non invasiva delle fluttuazioni dei globuli rossi, e quindi del flusso sanguigno (blood flow, BF) micro-vascolare. Poiché la DCS utilizza tipicamente una sorgente di luce in continua (continuous wave, CW), generalmente non ha sensibilità alla profondità. Inoltre, una conoscenza delle proprietà ottiche del campione (coefficienti di scattering e di assorbimento) è necessaria per una stima corretta del BF. La DCS nel dominio del tempo (time domain DCS, TD-DCS) affronta questi problemi utilizzando una sorgente di luce pulsata ma coerente. Questo potrebbe permettere una misura di BF risolta in profondità, misurando le fluttuazioni di speckle a diversi tempi di volo. Lo scopo di questa tesi è quello di porre le basi della TD-DCS, sia dal lato teorico che sperimentale. Nella parte iniziale di questo lavoro, per prima cosa introdurrò il campo dell'ottica diffusa, concentrandomi sulla spettroscopia nel vicino infrarosso (near infrared spectroscopy, NIRS) e sui metodi basati sul laser speckle. Inoltre, verrà presentato un confronto con altre tecniche biomediche. In secondo luogo, proporrò un nuovo modello teorico per l'interpretazione e l'analisi dei dati sperimentali, modellando opportunamente l’effetto della funzione di risposta dello strumento (IRF) e gli effetti dell’ampiezza del gate temporale. In terzo luogo, verrà descritto il nuovo sistema sperimentale che è stato sviluppato e ottimizzato, focalizzandomi sulla sorgente laser e sui rivelatori a singolo fotone. Nella seconda parte di questa tesi, presenterò i risultati sperimentali. Inizialmente, descriverò la caratterizzazione del sistema, eseguita sfruttando “fantocci” che simulano i tessuti. Questo aiuterà a definire le figure di merito del sistema e a ottimizzare i suoi componenti (come la sorgente laser e i rivelatori a singolo fotone). Poi, presenterò un'osservazione sperimentale di un effetto inaspettato, che verrà chiamato speckle temporale. Fornirò un'interpretazione statistica del fenomeno e dimostrerò un'applicazione biomedica. Infine, passerò a descrivere gli esperimenti in vivo su volontari adulti. Ho focalizzato la mia attenzione sulle misurazioni muscolari (occlusione vascolare) e cerebrali (fronte), osservando interessanti fenomeni fisiologici (come la pulsatilità vascolare). Inoltre, ho dimostrato la possibilità di eseguire misurazioni in vivo in una nuova gamma spettrale, in particolare oltre 1 𝜇m. Collettivamente, questo lavoro fornisce una solida base teorica e sperimentale per l'ulteriore sviluppo della tecnica, e per la sua applicazione biomedica e clinica.