Expanding time-domain diffuse optics towards non conventional sensing schemes for biophotonics applications

Time-domain diffuse optical spectroscopy (TD-DOS) aims to retrieve information from photons that have diffusively propagated through multiple scattering and absorption interactions in a medium. It is based on the detection of the Time-of-flight (TOF) of the photons to obtain their temporal distribution, which encodes the spatial paths travelled. Over the past years, it has progressed found applications in various areas. Nowadays, most TD-DOS measurements are performed in standard configurations with source-detector separations (ρ) in the order of a few cm, by placing the probes on the surface of the subject/sample and the use of analysis models used of a semi-infinite or a slab geometry, either as a homogenous case, or a bi/tri-layer. Many of these techniques have been gone through ethically approved in-vivo trials and are undergoing clinical trials in various areas such as breast cancer imaging and monitoring, functional brain monitoring, broadband spectroscopy, functional oximetry, etc to name a few. As part of this doctoral thesis, we attempted to expand these boundaries of TD-DOS by pushing the limits of the measurement scenarios to non-conventional and comparatively extreme cases. These included different aspects – interstitial spectroscopy for single needle as well as high-throughput tomographic measurements, non-standard bioresorbable fibers for spectroscopy up to 1600 nm, spectroscopy in non-contact geometries, measurement of solid powder samples, etc. To perform experiments in these non-conventional scenarios requires specialised instrumental modifications and these will be introduced in Chapter 2 on Instrumentation. Chapter 3 concentrates on the application of TD-DOS in an interstitial scenario by the use of the null-source detector separation approach for interstitial fiber spectroscopy (IFS). By comparing with Monte Carlo (MC) simulations, we were able to introduce an analysis method involving a simplification of the solution of the diffusion equation (DE) known as the scattering-independent absorption retrieval (SIAR). By removing the scattering from the fitting parameters, we can retrieve the absorption coefficients by analysing the 'late photons'. To collect these late photons requires the use of high dynamic range acquisitions, which can be achieved through 'software' or 'hardware' gating. In a first proof-of-concept, we verified the SIAR on liquid phantoms through the use of software gating by exploiting a superconducting nanowire single photon detector (SNSPD) for broadband (600-1100 nm) IFS using TD-DOS. Then, as a real-world application, we manufactured bioresorbable, calcium phosphate glass (CPG) fibers and tested them for IFS. CPG fibers have gained importance for their bioresorbability and present opportunities to leave fibers implanted inside human tissue to perform continuous monitoring. This time, with the use of hardware gating by the use of a fast-gated SPAD, we were able to re-verify SIAR on liquid phantoms and were able to detect an absorbing inclusion in a spectrally different background as function of the distance between probe and inclusion. We then tested the viability of these CPG fibers for short-wave infrared (SWIR) spectroscopy and this campaign is detailed in Chapter 4. SWIR spectroscopy offers an advantage to avoid the high absorption of blood related components and quantify better other biological choromphores such as water, lipids and collagen, in particular. The biggest limitations are the availability of detection mechanisms, and the high absorption and low scattering in this range. We overcame these by utilizing an InGaAs SPAD for detection and MC libraries for analysis. By measuring a a processed bone, processed fat and a muscle sample, we were able to retrieve absorption spectra in the range of 900-1600 nm for predominant content of collagen, lipids and water, respectively. While Chapters 3 and 4 concentrated on interstitial and surface contact measurements, Chapter 5 concentrates on pushing this boundary to measure in a non-contact (NC) regime, known as non-contact spectroscopy (NCS). With the use appropriate optics, we built a NC probe and were able to acquire clean DTOFs with a high dynamic range by using the SNSPD. After testing on biological phantoms, we conducted the first broadband NC TD-DOS campaign on 10 healthy subjects and retrieved the optical properties in the 600-1100 nm region. We compared it to a measurement with a contact probe and were able to find promising similarities between the results. However, it is still a work in progress in need of better system optimization and appropriate analysis models. Chapter 7 deals with the management aspect of this scientific thesis and discusses the policy of open data. With the growing importance of open science, we aimed to develop a comprehensive, long-term data management plan (DMP). We formulated a general, inclusive, yet exhaustive DMP and used it curate our datasets and publish them online. This was then also tested by other users for their research works. Finally, Chapter 8 discusses briefly the other works carried out in this thesis that provided valuable experience and input that were utilized in the working of this thesis. All these campaigns were spread in different directions, but at their heart had the goal of pushing the limits of TD-DOS to research the next breakthrough though innovation. In conclusion, with a growing research and availability of new, exciting detectors, laser sources and computational methods, TD-DOS could be a promising prospect for interstitial and non-contact spectroscopy, with a goal to help in the shift to minimally invasive procedures and personalized remote monitoring and thus better support the field of medical diagnostics, treatment and monitoring.

La spettroscopia ottica diffusa nel dominio del tempo (TD-DOS) mira a recuperare informazioni dai fotoni che si sono propagati in modo diffusivo attraverso interazioni multiple di diffusione e assorbimento in un mezzo. Si basa sulla rilevazione del tempo di volo (TOF) dei fotoni per ottenere la loro distribuzione temporale, che codifica i percorsi spaziali percorsi. Negli ultimi anni ha fatto progressi trovando applicazioni in vari settori. La maggior parte delle misure TD-DOS viene eseguita in configurazioni standard con separazione sorgente-rivelatore dell'ordine di qualche cm, posizionando le sonde sulla superficie del soggetto/campione e utilizzando modelli di analisi con geometria semi-infinita o a slab, sia come caso omogeneo, sia come bi/tri-strato. Molte di queste tecniche sono state sottoposte a test in vivo e sono in fase di sperimentazione clinica in vari settori, come l'imaging e il monitoraggio del cancro al seno, il monitoraggio funzionale del cervello, la spettroscopia a banda larga, l'ossimetria funzionale ecc. Nell'ambito di questa tesi di dottorato, abbiamo cercato di espandere i confini del TD-DOS spingendo i limiti degli scenari di misura verso casi non convenzionali e relativamente estremi. Questi includono diversi aspetti: spettroscopia interstiziale per misure con fibre inserite nello stesso ago e tomografiche ad alto troughput, fibre bio-riassorbibili non standard per la spettroscopia fino a 1600 nm, spettroscopia in geometrie senza contatto, misura di scenari biologici particolari come quelli sulle uova di gallina per analisi non-invasiva dell’embrione in crescita, oppure su campioni di polvere per caratterizzazione di manufatti artistici o studio di nuovi composti per diagnostica medica, ecc. Per eseguire esperimenti in questi scenari non convenzionali sono necessarie modifiche strumentali dedicate, che saranno introdotte nel Capitolo 2 sulla strumentazione. Il Capitolo 3 si concentra sull'applicazione del TD-DOS in uno scenario interstiziale, utilizzando l'approccio di separazione del rivelatore a sorgente nulla per la spettroscopia interstiziale in fibra (IFS). Grazie al confronto con le simulazioni Monte Carlo (MC), siamo stati in grado di introdurre un metodo di analisi che prevede una semplificazione della soluzione dell'equazione di diffusione (DE) nota come scattering-independent absorption retrieval (SIAR). Eliminando lo scattering dai parametri di adattamento, possiamo recuperare i coefficienti di assorbimento analizzando i “late photons”. La raccolta di questi fotoni richiede l'uso di acquisizioni ad alta dinamica, che possono essere ottenute tramite gating “software” o “hardware”. In un primo proof-of-concept, abbiamo verificato il SIAR su fantocci liquidi attraverso l'uso del gating software, sfruttando un rivelatore a superconducting nanowire single-photon detector (SNSPD) per IFS a banda larga (600-1100 nm) utilizzando TD-DOS. Poi, come applicazione reale, abbiamo prodotto fibre di vetro fosfato di calcio (CPG) bioassorbibili e le abbiamo testate per l'IFS. Le fibre CPG hanno acquisito importanza per la loro bio-riassorbibilità e offrono l'opportunità di lasciare le fibre impiantate all'interno dei tessuti umani per eseguire un monitoraggio continuo. Questa volta, grazie all'utilizzo di un gating hardware mediante l'uso di uno SPAD fast-gated, siamo stati in grado di verificare nuovamente il SIAR su fantocci liquidi e siamo riusciti a rilevare un'inclusione assorbente in uno sfondo spettralmente diverso in funzione della distanza tra la sonda e l'inclusione. Abbiamo poi testato la fattibilità di queste fibre CPG per la spettroscopia nell'infrarosso a onde corte (SWIR) e questa campagna è descritta in dettaglio nel Capitolo 4. La spettroscopia SWIR offre il vantaggio di evitare l'elevato assorbimento dei componenti del sangue e di quantificare meglio altri cromofori biologici come l'acqua, i lipidi e il collagene, in particolare. I limiti maggiori sono la disponibilità di meccanismi di rilevamento e l'elevato assorbimento e la bassa dispersione in questo intervallo. Abbiamo superato questi limiti utilizzando uno SPAD InGaAs per il rilevamento e librerie MC per l'analisi. Misurando un osso lavorato, un grasso lavorato e un campione di muscolo, siamo stati in grado di recuperare gli spettri di assorbimento nell'intervallo 900-1600 nm per il contenuto predominante di collagene, lipidi e acqua, rispettivamente. Mentre i capitoli 3 e 4 si sono concentrati sulle misure interstiziali e di contatto con la superficie, il capitolo 5 si concentra sul superamento di questo limite per misurare in un regime senza contatto (NC), noto come spettroscopia senza contatto (NCS). Grazie all'uso di ottiche appropriate, abbiamo costruito una sonda NC e siamo riusciti ad acquisire DTOF puliti con un'elevata gamma dinamica utilizzando l'SNSPD. Dopo aver effettuato test su fantocci biologici, abbiamo condotto la prima campagna TD-DOS NC a banda larga su 10 soggetti sani e abbiamo recuperato le proprietà ottiche nella regione 600-1100 nm. Abbiamo confrontato la misurazione con una sonda a contatto e siamo riusciti a trovare promettenti somiglianze tra i risultati. Tuttavia, si tratta ancora di un lavoro in corso che necessita di una migliore ottimizzazione del sistema e di modelli di analisi appropriati. Il capitolo 7 tratta l'aspetto gestionale di questa tesi scientifica e discute la politica dell’Open Data nell’ambito della Open Science. Data la crescente importanza della scienza aperta, abbiamo cercato di sviluppare un piano di gestione dei dati (DMP) completo e a lungo termine. Abbiamo formulato un DMP generale, inclusivo ma esaustivo e lo abbiamo utilizzato per curare i nostri set di dati e pubblicarli online. Questo è stato poi testato anche da altri utenti per i loro lavori di ricerca. Infine, il Capitolo 8 illustra brevemente gli altri lavori svolti nell'ambito di questa tesi, che hanno fornito esperienze e input preziosi, utilizzati nel lavoro di questa tesi. Tutte queste campagne si sono sviluppate in direzioni diverse, ma hanno avuto come obiettivo principale quello di spingere i limiti di TD-DOS alla ricerca della prossima svolta innovativa. In conclusione, con la crescente ricerca e la disponibilità di nuovi ed entusiasmanti rivelatori, sorgenti laser e metodi computazionali, il TD-DOS potrebbe essere una promettente prospettiva per la spettroscopia interstiziale e senza contatto, con l'obiettivo di contribuire al passaggio a procedure minimamente invasive e al monitoraggio remoto personalizzato e quindi di supportare meglio il campo della diagnostica, del trattamento e del monitoraggio medico.