Methodological and instrumental developments toward reliable and unbiased hybrid diffuse optics monitoring of neonatal brain metabolism

Diffuse Optics techniques offer a unique combination of non-invasiveness, portability and physiological specificity, making them particularly attractive for clinical monitoring in vulnerable populations. This Ph.D. work is situated at the intersection of methodological development, quantitative modeling and instrument engineering, with the overarching goal of enabling reliable, unbiased and clinically meaningful assessment of cerebral metabolism through Time Domain Near Infrared Spectroscopy (TD-NIRS) and Speckle Contrast Optical Spectroscopy (SCOS) in preterm neonates. On the theoretical side, this thesis is motivated by the need for light propagation models for TD-NIRS that are not only physically sound, but also compatible with the computational and memory constraints imposed by real-world biomedical applications. In particular, it addresses the challenge of modeling photon migration in stratified media, such as two-layer and, more generally, multi-layer domains, which are ubiquitous in biological tissues and especially relevant for cerebral measurements. To this end, an effective modeling strategy is pursued, combining a Monte Carlo–based approach with a heuristic simplification that significantly reduces computational and storage demands while preserving quantitative reliability within a well-defined range of conditions. A substantial effort is therefore devoted to systematically validating this approach, identifying and quantifying its limits of applicability in terms of optical properties and domain geometry, and benchmarking its performance against conventional Monte Carlo simulations. Beyond modeling, this work addresses a critical and timely issue in biomedical optics: the robustness of optical measurements against bias induced by skin pigmentation, which has been put to test a few years ago as a result of recurrent blood oxygen saturation measurements performed using pulse-oximeters during the COVID-19 pandemic. Ensuring that TD-NIRS as a technique is robust against variations in skin color is of paramount importance to enable widespread application of it at the clinical level. Through a systematic experimental campaign involving specially engineered, thin skin-mimicking phantoms, employed both in combination with calibrated bulk phantoms and voluntary subjects involved in static and dynamic scenarios, it has been experimentally and rigorously shown that drastic changes of light absorption concentrated in a superficial layer (i.e., epidermis pigmentation) have very little to no influence over the physiological parameters (hemoglobin concentrations, tissue oxygen saturation) retrieved by TD-NIRS. These results contribute to strengthening the clinical credibility of TD-NIRS and highlight its potential as an equitable monitoring technology across diverse patient populations, especially when compared to its continuous wave counterparts. The aforementioned methodological developments converge in the context of the European Horizon 2022 project Prometeus, aimed at continuous, non-invasive monitoring of cerebral metabolism in preterm neonates, with the aim of utilizing such stream of realtime physiological data to drive proper metabolic models which ensure specifically tailored nutrition for each neonate. A major outcome of this doctoral work is the conception, development and validation of a hybrid, multi-channel TD-NIRS and SCOS instrument, designed to provide simultaneous access to cerebral oxygenation and blood flow, and hence to the full metabolic picture of multiple regions of the neonatal brain. The full development cycle of the device is shown, from system architecture and module selection to hardware–software integration, optode design, safety considerations and standardized performance assessment, following characterization protocols well established within the Diffuse Optics community and performing proof of concept in-vivo measurements on voluntary subjects. Overall, this work contributes both foundational and applied advancements to diffuse optical technology, bridging theoretical modeling, experimental validation and translational instrumentation, with a clear focus on enabling reliable metabolic monitoring in a neonatal clinical settings.

Le tecniche di ottica diffusa offrono una combinazione unica di non invasività, portabilità e specificità fisiologica, rendendole particolarmente interessanti per il monitoraggio clinico in popolazioni vulnerabili. Questo lavoro di dottorato si colloca all'intersezione tra sviluppo metodologico, modellizzazione quantitativa e ingegneria strumentale, con l'obiettivo generale di consentire una valutazione affidabile, imparziale e clinicamente significativa del metabolismo cerebrale attraverso la spettroscopia nel vicino infrarosso nel dominio del tempo (TD-NIRS) e la spettroscopia ottica a contrasto speckle (SCOS) nei neonati prematuri. Dal punto di vista teorico, questa tesi è motivata dalla necessità di modelli di propagazione della luce per la TD-NIRS che non solo siano fisicamente validi, ma anche compatibili con i vincoli computazionali e di memoria imposti dalle applicazioni biomediche del mondo reale. In particolare, affronta la sfida di modellare la migrazione dei fotoni in mezzi stratificati, come domini a due strati e, più in generale, multistrato, che sono onnipresenti nei tessuti biologici e particolarmente rilevanti per le misurazioni cerebrali. A tal fine, viene perseguita una strategia di modellizzazione efficace, che combina un approccio basato sul metodo Monte Carlo con una semplificazione euristica che riduce significativamente i requisiti computazionali e di memoria, preservando al contempo l'affidabilità quantitativa entro un intervallo ben definito di condizioni. Uno sforzo sostanziale è quindi dedicato alla validazione sistematica di questo approccio, identificando e quantificando i suoi limiti di applicabilità in termini di di proprietà ottiche e geometria dei domini, e confrontando le sue prestazioni con quelle delle simulazioni Monte Carlo convenzionali. Al di là della modellizzazione, questo lavoro affronta una questione cruciale e di grande attualità nell’ottica biomedica: la robustezza delle misurazioni ottiche rispetto alla distorsione indotta dalla pigmentazione cutanea, che è stata messa alla prova alcuni anni fa a seguito delle ripetute misurazioni della saturazione di ossigeno nel sangue effettuate con i pulsossimetri durante la pandemia di COVID-19. Garantire che la TD-NIRS sia una tecnica robusta rispetto alle variazioni del colore della pelle è di fondamentale importanza per consentirne un'ampia applicazione a livello clinico. Attraverso una campagna sperimentale sistematica che ha coinvolto fantocci sottili appositamente progettati per imitare la pelle, utilizzati sia in combinazione con fantocci voluminosi calibrati sia con soggetti volontari coinvolti in scenari statici e dinamici, è stato dimostrato sperimentalmente e rigorosamente che i cambiamenti drastici dell'assorbimento della luce concentrati in uno strato superficiale (cioè la pigmentazione dell'epidermide) hanno un'influenza minima o nulla sui parametri fisiologici (concentrazioni di emoglobina, saturazione di ossigeno nei tessuti) rilevati dalla TD-NIRS. Questi risultati contribuiscono a rafforzare la credibilità clinica del TD-NIRS ed evidenziano il suo potenziale come tecnologia di monitoraggio equa per diverse popolazioni di pazienti, specialmente se confrontata con le sue controparti a onda continua. I suddetti sviluppi metodologici convergono nel contesto dell'iniziativa europea I suddetti sviluppi metodologici convergono nell'ambito del progetto europeo Horizon 2022 Prometeus, finalizzato al monitoraggio continuo e non invasivo del metabolismo cerebrale nei neonati prematuri, con l'obiettivo di utilizzare tale flusso di dati fisiologici in tempo reale per alimentare modelli metabolici adeguati che garantiscano un'alimentazione specificamente personalizzata per ciascun neonato. Un risultato importante di questo lavoro di dottorato è l'ideazione, lo sviluppo e la validazione di uno strumento ibrido multicanale TD-NIRS e SCOS, progettato per fornire accesso simultaneo all'ossigenazione cerebrale e al flusso sanguigno, e quindi al quadro metabolico completo di più regioni del cervello neonatale. Viene illustrato l'intero ciclo di sviluppo del dispositivo, dall'architettura di sistema e dalla selezione dei moduli all'integrazione hardware-software, alla progettazione degli optodi, alle considerazioni di sicurezza e alla valutazione standardizzata delle prestazioni, seguendo protocolli di caratterizzazione ben consolidati all'interno della comunità dell'ottica diffusa ed eseguendo misurazioni in vivo di prova di concetto su soggetti volontari. Nel complesso, questo lavoro contribuisce con progressi sia fondamentali che applicati alla tecnologia ottica diffusa, colmando il divario tra modellizzazione teorica, validazione sperimentale e strumentazione traslazionale, con un chiaro obiettivo di consentire un monitoraggio metabolico affidabile in un contesto clinico neonatale.