Development and characterization of a hybrid time-resolved reflectance spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy system for hemodynamic and metabolic measurements

The work developed in this thesis concerned the design and characterization of an innovative hybrid TRS and DCS instrument for hemodynamic and metabolic measurements. TRS and DCS are diffuse optics techniques that make use of infrared laser light in order to probe biological tissue in a non-invasive manner. More specifically, TRS gives information on the components of a tissue along with their concentration, while DCS allows to quantify blood flow. The combination of the two thus allows a comprehensive all-optical measurement of tissue oxygenation and hemodynamics. The TRS module makes use of a state-of-the-art TD-NIRS system employing two wavelengths and featuring two detection channels, which enables to separate between the contributions of superficial and deep tissue. It was characterized in terms of stability as well as linearity and accuracy against a previously built and validated instrument, showing that it is suitable for both absolute and relative measurements. The DCS module similarly features multiple detection channels and makes use of a software autocorrelator, which gives more flexibility compared to its hardware counterparts. Different autocorrelation algorithms were investigated in terms of time performance, stability and capability of following variations of experimental parameters. This allowed to identify the best options both for real-time measurements and post-processing.

Il lavoro affrontato in questa tesi riguarda la progettazione e caratterizzazione di un innovativo dispositivo ibrido TRS e DCS per misure emodinamiche e metaboliche. TRS e DCS sono tecniche di ottica diffusiva che impiegano luce laser infrarossa per sondare tessuti biologici in maniera non invasiva. Più precisamente, TRS dà informazioni sulle componenti di un tessuto e la loro concentrazione, mentre DCS permette di quantificare il flusso sanguigno. La combinazione delle due tecniche permette perciò una misura completa interamente ottica dell'ossigenazione e dell'emodinamica di un tessuto. Il modulo TRS impiega un sistema TD-NIRS allo stato dell'arte che fa uso di due lunghezze d'onda e due canali di rilevazione, i quali permettono di separare i contributi degli strati di tessuto superficiali da quelli degli strati profondi. È stato caratterizzato in termini di stabilità così come linearità e accuratezza rispetto a uno strumento precedentemente costruito e validato, mostrando che è adatto sia per misure assolute che relative. Il modulo DCS analogamente possiede diversi canali di rilevazione e impiega un autocorrelatore software, che offre maggiore flessibilità rispetto alle sue controparti hardware. Sono stati investigati diversi algoritmi di autocorrelazione in termini di velocità, stabilità e capacità di seguire variazioni di parametri sperimentali. Ciò ha permesso di individuare le opzioni migliori sia per misure in tempo reale che per elaborazione dati in post-processing.