Towards a time domain parallel system for lungs diagnostics with diffuse optics

This research explores Time-Domain Diffuse Optical Spectroscopy (TD-DOS) for non-invasive, transcutaneous lung assessment. Optical spectroscopy's ability to evaluate lung density, composition, and structure offers a potential alternative to traditional diagnostics. The development of portable, cost-effective devices could further facilitate clinical integration. However, assessing the lung through the chest is challenging due to the presence of superficial thoracic layers, pleura, and alveolar structure, which can hinder optical measurements. Prior studies suggest conducting measurements on subjects performing forced breathing, where high-frequency acquisitions enhance insights into lung physiological dynamics. The thesis is structured as follows: Chapter 1: Lung anatomy, respiration-dependent physiological factors, major diseases and current diagnostic methods. Chapter 2: Physical principles of diffuse optics. Chapter 3: Optical characterization of the instrumentation. Chapter 4: Investigation of TD-DOS’s capability to probe lungs, detecting respiration related physiological dynamics, evaluating pulmonary density variations and blood volume fluctuations as contributors to optical parameter changes. Measurements were performed on the chest and forearm to explore pulmonary-peripheral blood dynamics. Fast measurements (10 Hz) were conducted at 800 nm (five subjects) and 1100 nm (two subjects) during breathing tasks. Chapter 5: Measurements with a 16-channel parallel wavelength acquisition system (SiPM array detector) enabling rapid multi-wavelength acquisition were performed. Two spectral ranges were covered. In the 700-950 nm range (chosen as the most suitable compromise to achieve sensitivity to hemoglobins, water, and lipids), back and calf tissue characterizations on three subjects validated system functionality. In the 650-900 nm range (optimized for hemoglobin sensitivity), forearm measurements on two subjects during breathing tasks tracked oxygenated and deoxygenated blood dynamics proving the parallel system ability to track fast physiological dynamics. The thoracic region was deliberately avoided because of its anatomical complexity.

Questa ricerca esplora l'uso della Spettroscopia Ottica Diffusa nel Dominio del Tempo (TD-DOS) per la valutazione non invasiva del polmone. La spettroscopia ottica consente di analizzare densità, composizione e struttura polmonare, offrendo un'alternativa ai metodi diagnostici tradizionali. Lo sviluppo di dispositivi portatili e a basso costo potrebbe favorirne l’integrazione clinica. Tuttavia, l’analisi polmonare attraverso il torace è complessa a causa della presenza degli strati superficiali del petto, della pleura e della struttura alveolare, che ostacolano le misure ottiche. Studi precedenti suggeriscono di effettuare misure durante esercizi di respirazione forzata, dove acquisizioni ad alta frequenza migliorano l’interpretazione delle dinamiche fisiologiche polmonari. La tesi è strutturata come segue: Capitolo 1: Anatomia polmonare, fattori fisiologici influenzati dalla respirazione, principali patologie e metodi diagnostici. Capitolo 2: Principi fisici dell’ottica diffusa. Capitolo 3: Caratterizzazione ottica della strumentazione. Capitolo 4: Studio della possibilità della TD-DOS di raggiungere i polmoni, rilevando le dinamiche fisiologiche respiratorie, considerando i cambiamenti di densità polmonare e le fluttuazioni del volume ematico come cause delle variazioni delle proprietà ottiche. Le misure sono state eseguite su torace e avambraccio per analizzare l’interazione tra circolazione polmonare e sistemica. Acquisizioni rapide (10 Hz) a 800 nm (cinque soggetti) e 1100 nm (due soggetti) sono state effettuate durante l'esecuzione di esercizi respiratori. Capitolo 5: L'uso di un sistema a 16 canali (SiPM array) con acquisizione parallela delle lunghezze d’onda ha permesso l'esecuzione rapida di misure a più lunghezze d'onda. Sono stati analizzati due intervalli spettrali. Nell'intervallo 700-950 nm (scelto come il miglior compromesso per avere sensibilità a emoglobine, acqua e lipidi), misure su schiena e polpaccio di tre soggetti sono servite per validare il funzionamento del sistema. Nell'intervallo 650-900 nm (ideale per le emoglobine), misure sull’avambraccio di due soggetti hanno permesso di tracciare l'andamento di sangue ossigenato e deossigenato dimostrando la capacità del sistema parallelo di tracciare veloci dinamiche fisiologiche.