Instrumental characterization and in-vivo validation of a hybrid TD-NIRS and SCOS system for neonatal brain metabolism monitoring

The present Master’s Thesis concerns the instrumental characterization and in-vivo validation of a hybrid device integrating Time-Domain Near-Infrared Spectroscopy (TDNIRS) and Speckle Contrast Optical Spectroscopy (SCOS). The system, namely Neoopticap, enables real-time monitoring of tissue oxygenation and blood perfusion across up to six measurement sites. It was developed within the European-funded PROMETEUS project, aimed at supporting personalized nutritional strategies for preterm neonates admitted to the Neonatal Intensive Care Unit (NICU). The TD-NIRS module was characterized using the standardized Basic Instrumentation Performance (BIP) protocol and the MEDPHOT protocol, assessing both hardware-related performance metrics and the accuracy in retrieving the optical properties of turbid media. The SCOS module was evaluated through dedicated assays investigating linearity, temporal stability, and noise behavior under controlled dynamic conditions. The obtained results demonstrate compliance with the performance requirements for the intended application, with metrics comparable to state-of-the-art diffuse optical systems. In-vivo validation was conducted on healthy volunteers using a multichannel arterial occlusion protocol. The device detected physiologically consistent variations in tissue oxygen saturation and relative blood flow, confirming adequate spatial sensitivity and temporal resolution. Overall, the findings establish the technical robustness and physiological reliability of the system, supporting its translational potential for clinical neonatal monitoring.

La presente Tesi di Laurea Magistrale riguarda la caratterizzazione strumentale e la validazione in-vivo di un dispositivo ibrido che integra la spettroscopia nel vicino infrarosso, nel dominio del tempo (TD-NIRS) e la spettroscopia a contrasto di speckle ottico (SCOS). Il sistema, denominato Neo-opticap, consente il monitoraggio in tempo reale dell’ossigenazione tissutale e della perfusione ematica fino a sei siti di misura. È stato sviluppato nell’ambito del progetto europeo PROMETEUS, finalizzato a supportare strategie nutrizionali personalizzate per neonati pretermine ricoverati in Terapia Intensiva Neonatale (NICU). Il modulo TD-NIRS è stato caratterizzato mediante i protocolli standardizzati Basic Instrumentation Performance (BIP) e MEDPHOT, valutando sia metriche legate all’hardware del dispositivo, sia l’accuratezza nel recupero delle proprietà ottiche di mezzi torbidi. Il modulo SCOS è stato analizzato attraverso test dedicati volti a investigarne linearità, stabilità temporale e comportamento del rumore in condizioni dinamiche controllate. I risultati ottenuti dimostrano la conformità ai requisiti prestazionali per l’applicazione prevista, con performance in linea con i dispositivi di ottica diffusa allo stato dell’arte. La validazione in-vivo è stata condotta su volontari sani mediante un protocollo di occlusione arteriosa in configurazione multicanale. Il sistema ha rilevato variazioni fisiologicamente coerenti della saturazione tissutale di ossigeno e del flusso ematico relativo, confermando adeguata sensibilità spaziale e risoluzione temporale. Complessivamente, i risultati attestano la robustezza tecnica e l’affidabilità fisiologica dello strumento, supportandone il potenziale traslazionale per il monitoraggio clinico neonatale.