Investigation of confounding factors in the estimation of tissue oxygenation by CW SRS NIRS

The following Master Thesis work regards the validation and characterization of a Continuous Wave near infrared spectroscopy (NIRS) method based on the Spatially Resolved Spectroscopy (SRS) approach. NIRS is a spectroscopic technique mainly used in food and life-sciences to test samples allowing their analytical and chemical characterization. In the biomedical field it allows to non-invasively monitor tissues hemodynamics by light attenuation measurements. In the near-infrared spectral range, light absorption by the main tissue chromophores as water, lipid and hemoglobin is relatively low, so light can penetrate through some centimetres of tissue. Since the absorption spectra of the two main chromophores of interest behave differently in the 600-1000 nm wavelength range, concentrations of oxygenated (O2Hb) and deoxygenated hemo-globin (HHb) can be determined, leading to the derivation of physiologically rel-evant parameters like total hemoglobin concentration (tHb) and blood oxygen saturation (SO2) which are extracted in the context of oximetry [1]. Three possible NIRS techniques are available: continuous wave (CW), frequency domain (FD) and time domain (TD) NIRS. CW NIRS measures the attenuation of light with con-stant intensity within the tissue. It represents the most compact and affordable al-ternative despite the high degree of simplification related to chromophore concen-tration extraction as well as the impossibility to obtain absolute values but only variations. FD NIRS approach measures attenuation and phase shift of light with precise frequency, allowing to obtain absolute values of chromophores concentra-tion. The most complex and expensive but meaningful alternative is TD NIRS, which delivers pulses of light with known duration (hundreds of picoseconds) to gather the biological tissue impulse response, thus allowing to measure optical (absorption µa and reduced scattering coefficient µs’ of the tissue) and oximetry-related parameters. Compared to other techniques able to monitor muscle oxida-tive metabolism, NIRS could lead several advantages. For example, it can directly measure local oxidative metabolism despite breath-by-breath gas analysis. More-over, it has the advantage of non-invasiveness and painless/comfort and cost effectiveness. Presently, CW-NIRS represent the most widespread technique, princi-pally because of its relatively low cost and portability. However, it doesn’t allow to decouple scattering from absorption contribution in the tissue and has strong assumptions. Moreover, it doesn’t allow to obtain tissue oxygen saturation SO2 but a related parameter called tissue oxygen saturation TOI, which is believed to behave like SO2. In addition to this, NIRS on muscle presents limitations and open questions like effect of adipose tissue, myoglobin contribution in the signal and behaviour of scattering coefficient during exercise. Reproducibility and repeatability of measurements on different people is also an open issue, since NIRS signal can be greatly affected by the different physiological parameters of patients. A normali-zation in this sense is fundamental. The purpose of this work is to investigate the limits of CW SRS NIRS in predicting this parameter and in separating contributions from different layers of which the skin and muscle is constituted. In conclusion, a comparison between the estimations based on this technique was made with respect to the well-known TD technique, to understand the potential of SRS in eventually substitute the already widespread method which is precise and reliable, but actually expensive and with portable limitations.

Il seguente lavoro di tesi riguarda la validazione e la caratterizzazione di un metodo di spettroscopia a onda continua nel vicino infrarosso (CW NIRS) risolta nel-lo spazio (SRS). La NIRS è una tecnica spettroscopica utilizzata principalmente nel settore alimentare e delle scienze della vita per testare la caratterizzazione analitica e chimica di diverse tipologie di campioni. In campo biomedico permette di monitorare in modo non invasivo l'emodinamica dei tessuti mediante misure di attenuazione della luce. Nella gamma spettrale del vicino infrarosso, l'assorbimento della luce da parte dei principali cromofori tissutali come acqua, lipidi ed emoglobina è relativamente basso, quindi la luce può penetrare attraverso alcuni centimetri di tessuto. Poiché gli spettri di assorbimento dei due principali cromofori di interesse si comportano in modo diverso nell'intervallo di lunghezze d'onda 600-1000 nm, è possibile determinare le concentrazioni di emoglobina ossigenata (O2Hb) e deossigenata (HHb), riuscendo a derivare parametri fisiologicamente rilevanti come la concentrazione di emoglobina totale (tHb) e la saturazione di ossigeno nel sangue (SO2) che vengono estratte nel contesto dell'ossimetria [1]. Sono dispo-nibili tre possibili tecniche NIRS: NIRS a onda continua (CW), nel dominio della frequenza (FD) e nel dominio del tempo (TD). La tecnica in continua misura l'attenuazione di un laser ad intensità costante rispetto alla sorgente e rappresenta l'al-ternativa più compatta ed economica nonostante l'elevato grado di semplificazio-ne relativo all'estrazione della concentrazione di cromofori nonché l'impossibilità di ottenere valori assoluti ma solo variazioni. L'approccio in frequenza misura l'attenuazione e lo sfasamento della luce introdotta ottenendo una frequenza precisa, consentendo di ottenere valori assoluti di concentrazione di cromofori. L'alternativa più complessa e costosa ma anche più affidabile è la TD NIRS, che tramite impulsi di luce con durata nota (centinaia di picosecondi) permette in base alla risposta all'impulso del tessuto biologico, di misurare i parametri ottici (assorbi-mento µa e ridotto coefficiente di dispersione µs' del tessuto) e fisiologici di interesse. Rispetto ad altre tecniche in grado di monitorare il metabolismo ossidativo muscolare, la NIRS potrebbe portare numerosi vantaggi: non invasività, indolo-re/comfort ed economicità. Attualmente, CW-NIRS rappresenta la tecnica più diffusa, principalmente per il suo costo relativamente basso e la sua portabilità. Tuttavia, non consente di disaccoppiare lo scattering dal contributo di assorbimento nel tessuto e utilizza forti approssimazioni. Inoltre, non consente di ottenere la saturazione di ossigeno tissutale SO2 ma un relativo parametro chiamato TOI, indice di saturazione di ossigeno tissutale, che si ritiene seguire l’andamento di SO2. Oltre a questo, NIRS sul muscolo presenta limitazioni e questioni aperte come l'effetto del tessuto adiposo, il contributo della mioglobina nel segnale e il comportamento del coefficiente di scattering durante l'esercizio. Anche la riproducibilità e la ripetibilità delle misurazioni su persone diverse è una questione aperta, poiché il segnale NIRS può essere fortemente influenzato dai diversi parametri fisiologici dei pazienti. Una normalizzazione in questo senso è fondamentale. Lo scopo di questo lavoro è di indagare i limiti di questa tecnica CW SRS NIRS nel predire questo parametro e nel separare i contributi dai diversi strati di cui è costituita la pelle e il muscolo. In conclusione, è stato effettuato un confronto tra le stime basate su questa tecnica rispetto alla ben nota tecnica TD, per comprendere le potenzialità dell'SRS nell'eventuale sostituzione del metodo già diffuso che è preciso e affidabile, ma in realtà costoso e con limitazioni.