Pediatric in-vivo clinical study and modelling using Time Domain Near Infrared Spectroscopy

The leading topic of this thesis is Time-Domain Near-Infrared Spectroscopy (TD-NIRS), a technology used to retrieve non-invasively the hemodynamic parameters of a biological tissue: concentration of oxygenated and deoxygenated hemoglobin and oxygen saturation. The measurement is based on the study of the propagation of photons within the tissue of interest. A source of picosecond laser pulses illuminates the tissue, the photons travel inside it and are then detected by a detector positioned at a certain distance, in our case 2.5 cm, from the source. Starting from the shape of the impulse, the absorption and the scattering coefficients are retrieved. Since the technology used works at two wavelengths, 685 nm and 830 nm, the concentrations of oxygenated and deoxygenated hemoglobin can be calculated. During this period, a measurement campaign was carried out at Buzzi Hospital on a pediatric population of 352 healthy participants aged 0 to 18 years in stable conditions. The measures were performed using a TD NIRS device provided by Pionirs. Unfortunately up to now there are no reference values for the pediatric population regarding the hemodynamic parameters retrieved using TD NIRS devices, it is crucial to understand which is the baseline of the normality ranges, to understand whether a person is below it, emergency case, or above it, normality. The thesis is divided into three macro areas: an introductory part which includes the explanation of the problem (i.e., the lack of a baseline of reference hemodynamic values for the pediatric population) and the relative state of the art, a part with the analysis and results of the measurement campaign carried out in collaboration with the Buzzi Children's Hospital in Milan and a part focused on Monte Carlo simulations of the measurements carried out in vivo. The measurements were made on two different body areas: on the frontotemporal area to obtain hemodynamic values related to the brain and on the middle upper arm to obtain hemodynamic values related to the muscle. The objective of my work is twofold . The first aim is to analyze the hemodynamic parameters of a pediatric population and to build an accessible database that provides a baseline to distinguish between ranges of normal and critical values, in order to help clinical operators in monitoring of patients (during surgical operations, post-operative phase and intensive care) and in the decision-making phases. In addition to the reference values of the hemodynamic parameters, not available until now for the pediatric population studied using TD-NIRS technologies, another important point is to verify the accuracy and precision of the measurements carried out with the NIRSBOX device, a check that showed positive results with low precision values, ranging from ± 0.8 to ± 0.9 (MUA/frontotemporal lobe) for StO_2 and from ± 3.7 to ± 4.2 for tHb (MUA/frontotemporal lobe). The second aim is to understand the extent of the error made by using a homogeneous model, that does not consider the anatomical differences of the different tissues, to analyze the data obtained from the in-vivo measurements. For this reason, simulations were carried out with the Monte Carlo method.

L'argomento principale di questa tesi è la spettroscopia nel vicino infrarosso nel dominio del tempo (TD-NIRS), una tecnologia utilizzata per misurare in modo non invasivo i parametri emodinamici di un tessuto biologico, quali la concentrazione di emoglobina ossigenata e deossigenata e la saturazione di ossigeno. La misura si basa sullo studio della propagazione dei fotoni all'interno del tessuto di interesse. Una sorgente di impulsi laser a picosecondi illumina il tessuto, i fotoni viaggiano al suo interno e vengono poi rilevati da un rilevatore posizionato ad una certa distanza, nel nostro caso 2,5 cm, dalla sorgente. A partire dalla forma dell'impulso si calcolano i coefficienti di assorbimento e di scattering. Poiché la tecnologia utilizzata funziona a due lunghezze d'onda, 685 nm e 830 nm, è possibile calcolare le concentrazioni di emoglobina ossigenata e deossigenata. Durante il periodo di tirocinio è stata effettuata una campagna di misurazioni presso l'Ospedale Buzzi su una popolazione pediatrica di 352 partecipanti sani, di età compresa tra 0 e 18 anni in condizioni stabili. Le misure sono state eseguite utilizzando un dispositivo TD NIRS fornito da Pionirs. Purtroppo, ad oggi non esistono valori emodinamici di riferimento per la popolazione pediatrica per i dispositivi TD NIRS, è fondamentale capire quale sia il range di normalità, per capire se una persona è al di sotto di esso, caso di emergenza, o sopra di esso, normalità. La tesi è suddivisa in tre macroaree: una parte introduttiva che comprende la spiegazione del problema (ovvero la mancanza di un baseline di valori emodinamici di riferimento per la popolazione pediatrica) e il relativo stato dell'arte, una parte con l'analisi e risultati della campagna di misurazioni effettuata in collaborazione con l'Ospedale Pediatrico Buzzi di Milano e una parte focalizzata sulle simulazioni Monte Carlo delle misurazioni effettuate in vivo. Le misurazioni sono state effettuate su due diverse posizioni anatomiche: sull'area frontotemporale per ottenere valori emodinamici relativi al cervello e sulla parte centrale del braccio per ottenere valori emodinamici relativi al muscolo. Il mio lavoro ha due obiettivi principali. Il primo obiettivo è analizzare i parametri emodinamici di una popolazione pediatrica e costruire un database accessibile che fornisca una base per distinguere tra intervalli di valori normali e critici, al fine di aiutare gli operatori clinici nel monitoraggio dei pazienti (durante gli interventi chirurgici o post-intervento e in terapia intensiva) e nelle fasi decisionali. Oltre ai valori di riferimento dei parametri emodinamici, finora non disponibili per la popolazione pediatrica studiata con le tecnologie TD-NIRS, un altro punto importante è verificare l'accuratezza e la precisione delle misurazioni effettuate con il dispositivo NIRSBOX, controllo che ha evidenziato risultati positivi con valori di precisione bassi, compresi tra ± 0,8 e ± 0,9 (MUA/lobo frontotemporale) per StO_2 e tra ± 3,7 e ± 4,2 per tHb (MUA/lobo frontotemporale). Il secondo obiettivo è comprendere l'entità dell'errore commesso utilizzando un modello omogeneo, che non considera le differenze anatomiche dei diversi tessuti, per analizzare i dati ottenuti dalle misurazioni in vivo. Per studiare questa parte, sono state effettuate delle simulazioni con il metodo Monte Carlo.