Non-invasive monitoring of skeletal muscle hemodynamic oscillations by fast Time-Domain Near-Infrared Spectroscopy

This experimental thesis explores the feasibility of using fast Time-Resolved Near-Infrared Spectroscopy (TD-NIRS) for non-invasive monitoring of oscillations in physiological parameters within the Tibialis Anterior skeletal muscle. TD-NIRS is an optical technique that measures the time-of-flight distribution of photons re-emitted by a sample following the interaction with a brief light pulse. This method allows for the determination of the sample's optical properties, specifically absorption and scattering coeffcients. From these measurements, it is possible to derive absolute values and fluctuations in the concentrations of specific chromophores, typically oxygenated and deoxygenated hemoglobin, which are crucial for non-invasive access to important physiological parameters. Up to now, there are no studies that utilize the TD-NIRS technique for this type of measurement. However, a Fourier domain analysis of the TD-NIRS signal, characterized by its depth sensitivity, could provide valuable insights into the phenomenon. Several preliminary ultrasound examinations were conducted to identify the most suitable skeletal muscle for measurement with the proposed technique. In addition, various experiments were performed to establish the optimal experimental setup and analysis model. The muscle tissue was successfully modeled as a homogeneous medium, thanks to a very thin superficial adipose layer. Using two different source-detector distances, it was possible to differentiate between the supercial and muscle layers, demonstrating the excellent ability of the technique to detect and isolate oscillations in hemoglobin concentration. In vivo measurements were conducted on eight healthy subjects using a high-power TD NIRS device previously developed at the Department of Physics of Politecnico di Milano. Furthermore, it was possible to distinguish the spectra obtained during different phases of the experiment (an initial resting phase, a contraction period, and a recovery period). Although preliminary, the in-vivo results presented here reveal interesting and promising characteristics for future developments.

La presente tesi di laurea sperimentale consiste in una valutazione della fattibilità dell'uso di misure veloci di spettroscopia risolta in tempo nel vicino infrarosso (TD-NIRS) per il monitoraggio non invasivo delle oscillazioni di parametri fisiologici nel muscolo scheletrico tibiale anteriore. 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 recuperare le sue proprietà ottiche (coefficienti di assorbimento e di scattering). Da questi valori, permette di determinare i valori assoluti e le variazioni di concentrazione dei cromofori specifici, generalmente l'emoglobina ossigenata e deossigenata, che sono utili per l'accesso non invasivo ad importanti parametri fisiologici. Ad oggi non ci sono ancora studi che utilizzino la tecnica TD-NIRS per questo tipo di misurazioni anche se un'analisi del dominio di Fourier del segnale TD-NIRS, caratterizzata da una sensibilità alla profondità, può essere utile per comprendere meglio il fenomeno. Sono state svolte numerose ecografie preliminari volte a capire quale fosse il muscolo scheletrico migliore da misurare con la tecnica in uso. Sono, inoltre, state eseguite di verse misure per definire il corretto set up sperimentale e il corretto modello di analisi da seguire. È stato possibile modellare il tessuto muscolare come mezzo omogeneo grazie allo strato adiposo superficiale molto sottile attraverso l'utilizzo di due distante sorgente-rivelatore è stato possibile discriminare tra strato superficiale e strato muscolare mostrando un'eccellente capacità della tecnica usata di rilevare e isolare le oscillazioni della concentrazione di emoglobina. Sono state effettuate misurazioni in vivo su 8 soggetti sani, utilizzando un dispositivo TD-NIRS ad alta potenza precedentemente sviluppato presso il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano. È stato inoltre possibile discriminare l'andamento degli spettri ottenuti durante le diverse fasi della misura (una prima fase di riposo, un periodo di contrazione e un periodo di recupero). I risultati in vivo presentati, sebbene non conclusivi, mostrano caratteristiche interessanti e promettenti per sviluppi futuri.