Advanced methods in time-domain diffuse optics for biomedical applications

Time-domain diffuse optical spectroscopy (TD-DOS) is a non-invasive technique used to characterize highly scattering media by analyzing the time-of-flight distribution of photons. It enables quantitative estimation of tissue absorption and reduced scattering coefficients while providing intrinsic depth sensitivity. TD-DOS is used a lot in biomedical fields like brain monitoring, tissue oximetry, and optical tomography. However, current systems often have problems because they only have a few detection channels and a limited spectral range. This thesis addresses these limitations by developing scalable multichannel detection and extending TD-DOS into the short-wave infrared (SWIR) region. A delay-based multiplexed time-correlated single-photon counting (TCSPC) approach is introduced, allowing multiple detector signals to be encoded in time and reconstructed using only a few input channels. This significantly increases detection capacity without adding hardware complexity. The proposed system is validated through simulations, phantom experiments, and experimental measurements, demonstrating accurate reconstruction of time-of-flight data and reliable estimation of optical properties with minimal cross-talk. Furthermore, broadband TD-DOS measurements up to 1700 nm reveal enhanced spectral sensitivity to tissue constituents such as water, lipids, and proteins. Overall, this work advances TD-DOS toward scalable, broadband, and depth-resolved optical measurements, highlighting its strong potential for future biomedical and clinical applications

La spettroscopia ottica diffusa nel dominio del tempo (TD-DOS) è una tecnica non invasiva utilizzata per caratterizzare mezzi altamente diffondenti attraverso l’analisi della distribuzione dei tempi di volo dei fotoni. Essa consente la stima quantitativa dei coefficienti di assorbimento e di scattering ridotto dei tessuti, fornendo al contempo una sensibilità intrinseca alla profondità. La TD-DOS è ampiamente utilizzata in ambito biomedico, ad esempio per il monitoraggio cerebrale, l’ossimetria tissutale e la tomografia ottica diffusa, ma i sistemi attuali sono spesso limitati da un numero ridotto di canali di rivelazione e da una copertura spettrale limitata. Questa tesi affronta tali limitazioni sviluppando sistemi di rivelazione multicanale scalabili ed estendendo la TD-DOS nella regione dell’infrarosso a onde corte (SWIR). Viene introdotto un approccio di time-correlated single-photon counting (TCSPC) multiplexato basato su ritardi, che consente di codificare temporalmente i segnali provenienti da più rivelatori e di ricostruirli utilizzando un numero ridotto di canali di ingresso. Questo metodo aumenta significativamente la capacità di rivelazione senza incrementare la complessità hardware. Il sistema proposto è validato mediante simulazioni, esperimenti su fantocci e misure sperimentali, dimostrando un’accurata ricostruzione dei dati di tempo di volo e una stima affidabile delle proprietà ottiche con cross-talk minimo. Inoltre, misure TD-DOS a banda larga fino a 1700 nm evidenziano una maggiore sensibilità spettrale ai principali costituenti tissutali, quali acqua, lipidi e proteine. Nel complesso, questo lavoro contribuisce allo sviluppo della TD-DOS come tecnica scalabile, a banda larga e sensibile alla profondità, evidenziandone il forte potenziale per future applicazioni biomediche e cliniche.