Non-invasive monitoring of the hemodynamic response of the brain by multi-channel time domain near infrared spectroscopy

The research work carried out in this master's thesis aims to illustrate the application of Time-Resolved Near-Infrared Spectroscopy (TD-fNIRS) in the brain imaging field, with the purpose of analyzing the response to different stimuli. This optical technique is based on the analysis of the distribution of the time of flight of re-emitted photons, resulting from the interaction of a short light pulse with the sample under analysis, to derive its optical properties. The optical parameters obtained in this way, absorption and scattering, can be used to derive absolute values and relative variations of important physiological parameters in the field of cerebral oximetry, like oxygenated and deoxygenated hemoglobin concentrations. It is well-known that brain activity leads to an increase in oxygen consumption, which is accompanied by an increase in cerebral blood flow due to neurovascular coupling. This leads to a change in the local concentration of oxygenated and deoxygenated hemoglobin [O_2 Hb] and [HHb], which can be detected non-invasively by the TD-fNIRS technique. Furthermore, this technique distinguishes itself from different approaches such as Continuous Wave or Frequency Domain by its intrinsic ability/sensitivity to distinguish contributions at different depths, allowing the separation of signal contributions arising from actual brain activation related to the ongoing stimulus, from more superficial contaminating signals related, for example, to systemic responses. The thesis project unfolded in three main phases: the development of a compact multichannel system (16 sources, 8 detectors) operating at two wavelengths (687 and 826 nm) based on space wavelength multiplexing, meeting the medical requirements for clinical measurements. Then, the validation and characterization of the device were conducted using internationally shared protocols aimed at evaluating and comparing the performance of diffuse optical devices/time domain systems, such as BIP (Basic Instrumental Performance) and MEDPHOT. Finally, preliminary in vivo measurements were carried out on a single subject at the department due to time constraints, assessing the device's response to established protocols: measurements on the forearm in response to arterial and venous occlusion, and measurements on the head during motor stimulus (hand grasping with a ball). The results presented in this work are promising regarding the effectiveness and reliability of the device in detecting localized brain activations, paving the way for various studies aiming to correlate stimuli of different natures (motor, cognitive, visual, etc.), to different areas of the brain (motor cortex, frontal, occipital, etc.).

Il lavoro di ricerca svolto in questa tesi magistrale ha l’obbiettivo di illustrare l’applicazione della tecnica di spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso risolta nel tempo (TD-fNIRS) all’imaging cerebrale, con il fine di analizzare la risposta a diversi stimoli. Tale tecnica ottica si basa sull’analisi della distribuzione del tempo di volo dei fotoni riemessi, derivanti dall’interazione di un breve impulso luminoso con il campione in analisi, per determinarne le proprietà ottiche. I parametri ottici così ottenuti, assorbimento e scattering possono essere utilizzati per ricavare i valori assoluti e rispettive variazioni di importanti parametri fisiologici nell’ambito di studi di ossimetria cerebrale: concentrazione di emoglobina ossigenata e deossigenata. Ѐ infatti noto che l’attività cerebrale è associata a un aumento del consumo di ossigeno, il quale è accompagnato da un aumento del flusso sanguineo dovuto all’accoppiamento neuro vascolare. Tale fenomeno genera variazioni locali della concentrazione di emoglobina ossigenata e deossigenata [O_2 Hb] and [HHb], che può essere rilevata in maniera non invasiva attraverso la tecnica TD-fNIRS. Inoltre, tale tecnica si distingue (da approcci differenti come quello a Onda continua o nel Dominio delle frequenze) per la sua intrinseca capacità/sensibilità nel distinguere contributi a diversa profondità, consentendo di separare contributi del segnale derivanti da un’effettiva attivazione cerebrale legata allo stimolo in corso, da segnali contaminanti più superficiali, legati ad esempio alla risposta sistemica. Il progetto di tesi si è articolato in tre fasi principali: lo sviluppo di un sistema compatto multicanale (16 sorgenti, 8 rilevatori) a due lunghezze d’onda (687 e 826 nm) basato su multiplexing spaziale, che soddisfa i requisiti medici per le misure in clinica. Quindi la sua validazione e caratterizzazione mediante protocolli condivisi a livello internazionale volti a valutare e confrontare le prestazioni (performance) dei dispositivi ottici in regime diffusivo/nel dominio del tempo come BIP e MEDPHOT. Infine misure preliminari in vivo sono state condotte su un solo soggetto in dipartimento per ragioni di tempo, valutando la risposta del dispositivo a protocolli consolidati: misure sull’avambraccio in risposta a un’occlusione arteriosa e venosa; misure sulla testa a seguito di uno stimolo motorio (generato stringendo con la mano ripetutamente una pallina). I risultati riportati in questo elaborato risultano promettenti per quanto riguarda l’efficacia e l’affidabilità dello strumento nel rilevare attivazioni cerebrali localizzate aprendo la porta a diversi possibili studi volti a correlare stimoli di diversa natura (motorio, cognitivo, visivo etc.), ad attivazioni in diverse aree del cervello (corteccia motoria, frontale occipitale etc.).