Non-invasive monitoring of cerebral hemodynamic oscillations by fast time-domain near-infrared spectroscopy

This experimental Master Thesis consists of a feasibility assessment of using fast TimeDomain Near-Infrared Spectroscopy (TD-NIRS) measurements for non-invasive monitoring of oscillations in human brain oxygenation. TD-NIRS is an optical technique that exploits the measurement of the distribution of the time of flight of the photons re-emitted by a sample after the interaction of a short light pulse with it, to retrieve its optical properties (absorption and scattering coefficients). From these values, it allows for determining the absolute values and the changes in concentration of specific chromophores, namely the oxygenated and deoxygenated hemoglobin, which are useful for non-invasive access to important physiological parameters. Although the presence of fluctuations in cerebral oxygenation has been known for decades, there are very few certainties about their origin and clinical relevance. Fourier domain analysis of the TD-NIRS signal, characterized by depth-sensitivity, can be useful to better understand the phenomenon. Numerical simulations were used to evaluate the ability of the technique to sense small periodical fluctuations of hemoglobin concentration and find the optimal acquisition parameters to maximize the sensitivity, in view of in-vivo applications. By modeling the probed tissue as a two (intra- and extra-cortical) layers medium, the technique showed excellent ability to detect and isolate hemoglobin concentration oscillations in both layers. Preliminary in-vivo measurements were performed on 10 healthy subjects, exploiting a high-power TD-NIRS device previously developed at the Physics Department of Politecnico di Milano. Although the instrument had already been assembled and characterized, a Fourier domain characterization revealed the presence of some spurious oscillatory components in the signal and a software intervention on the system was necessary to remove them. The presented in-vivo results, although not conclusive, show interesting and promising features.

La presente tesi sperimentale di laurea magistrale consiste in una valutazione di fattibilità dell’uso di misure veloci di spettroscopia risolta in tempo nel vicino infrarosso (TD-NIRS) per il monitoraggio non invasivo delle oscillazioni nell’ossigenazione del cervello umano. La TD-NIRS è una tecnica ottica che sfrutta la misura della distribuzione del tempo di volo dei fotoni riemessi da un campione dopo l’interazione di un breve impulso luminoso con esso, per determinarne le proprietà ottiche (coefficienti di assorbimento e scattering). Da questi valori, essa consente di determinare i valori assoluti e le variazioni di concentrazione di specifici cromofori, generalmente l’emoglobina ossigenata e deossigenata, utili per la determinazione di importanti parametri fisiologici in modo non invasivo. Sebbene la presenza di fluttuazioni nell’ossigenazione cerebrale sia nota da decenni, vi sono pochissime certezze sulla loro origine e rilevanza clinica. L’analisi nel dominio di Fourier del segnale TD-NIRS, caratterizzato da sensibilità alla profondità, può essere utile per comprendere meglio il fenomeno. Simulazioni numeriche sono state utilizzate per valutare la capacità della tecnica di rilevare piccole fluttuazioni periodiche nella concentrazione di emoglobina e trovare i parametri di acquisizione ottimali per massimizzare la sensibilità, in vista di applicazioni in-vivo. Modellizzando il tessuto sondato come un mezzo a due strati (intra- ed extra-corticale), la tecnica ha mostrato eccellenti capacità di rilevare e isolare oscillazioni nelle concentrazione di emoglobina in entrambi gli strati. Misure preliminari in-vivo sono state eseguite su 10 soggetti sani, sfruttando un dispositivo TD-NIRS ad alta potenza precedentemente sviluppato presso il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano. Sebbene lo strumento fosse già stato assemblato e caratterizzato, una caratterizzazione del dominio di Fourier ha rivelato la presenza di alcune componenti oscillatorie spurie nel segnale, che è stato necessario rimuovere tramite un intervento software sul sistema. I risultati presentati per le misure in-vivo, sebbene non siano conclusivi, mostrano caratteristiche interessanti e promettenti.