Development and applications of a time domain near infrared spectroscopy instrument based on wavelength space multiplexing

In this thesis, the development of an innovative time-resolved near infrared spectroscopy (TD-fNIRS) instrument, based on a new modality to inject light into the tissue, called wavelength space multiplexing, on its characterization and in vivo applications, it is presented. The development of a continuous wave (CW-NIRS) prototype, which to our knowledge is the first example of wireless NIRS instrument for the real time monitoring of the tissue's hemodynamic parameters, it is also described. Here the details: i.) TD-NIRS (Politecnico di Milano, Dipartimento di Fisica) System development: A picosecond time-resolved instrument for the non invasive and real time monitoring of the muscular and cerebral oxygenation was developed. A new modality to inject light into the tissue was, for the first tim, introduced: the “wavelength space multiplexing” (SM). It allows to increase the signal to noise ratio and to avoid the optical crosstalk between the wavelengths. The employment of optical switches and four parallel acquisition line (photomultiplier tubes and Time Correlated Single Photon Counting, TCSPC, boards), allowed the realization of a 16X4 instrument. It was also characterized with the MEDPHOT protocol. In vivo measurement: The instrument was employed during three different in vivo applications: 1) Simultaneous acquisitions with TD-NIRS and Laser Doppler Flowmeter (LDF). Measurements on the prefrontal cortex of 12 healthy volunteers, during a Valsalva manoeuvre, are presented. The good correlation between the superficial TD-fNIRS signal and the LDF one gives an experimental evidence of the possibility to divide inside the TD-NIRS signal, the contributions coming from the deeper layers of the tissue under investigation from the ones coming from the superficial layers. 2) Simultaneous acquisitions with TD-NIRS and Electroencephalography (EEG). The hemodynamic and electrical activity, on the prefrontal cortex of sixteen healthy volunteers, during a divided attention task was investigated. The results show the capability of the simultaneous use of these two different techniques during the study of complex cerebral phenomena. 3) Simultaneous acquisitions with TD-NIRS and Electrical Muscle Stimulation (EMS). On nine healthy volunteers, the effects of the EMS at different intensity thresholds were studied on the quadriceps muscle and on the fronto-parietal, parietal and central brain’s area. The electrical current was increased till the pain perception threshold in order to study the effects of the fatigue. For the cerebral acquisition another multichannel instrument, already present at our department, was employed. ii.) Continuous wave near infrared spectroscopy: CW-NIRS (Abramson center for the future of health, Houston) System development: compact, portable and wireless system (3 laser diodes: 685 nm, 830 nm e 980 nm, one channel, 20 ms acquisition time). The instrument is also provided with physiological sensors (ECG and photopletismograph). In vivo measurements: The hemodynamic and physiological parameters of the quadriceps during an incremental exercise on an indoor ergonometer, were monitored on 18 healthy volunteers. Simultaneously the exhaled gas analysis, with the employment of a metabolic cart, was performed. The aim of the study was to find a correlation between the ventilatory threshold and the muscular anaerobic threshold.

Questa tesi si occupa dello sviluppo di un sistema innovativo per la spettroscopia nel vicino infrarosso nel dominio del tempo (TD-fNIRS). Esso è basato su una nuova modalità di iniezione della luce nei tessuti chiamata “space multiplexing” delle lunghezze d’onda. Il sistema è stato sviluppato, caratterizzato e applicato durante misure in vivo. La tesi contiene anche il contributo apportato allo sviluppo di un sistema wireless per la spettroscopia nel vicino infrarosso in continua (CW-NIRS). Di seguito i dettagli. i.) TD-NIRS (Politecnico di Milano, Dipartimento di Fisica) Sviluppo del sistema: E’ stato sviluppato un sistema laser a picosecondi per il monitoraggio noninvasivo in tempo reale dell’ ossigenazione muscolare e cerebrale. Si è introdotta per la prima volta nell’ambito dei sistemi TD-NIRS una nuova modalità di iniezione della luce dei tessuti chiamata “Wavelength Space Multiplexing” (SM) che permette di migliorare il rapporto segnale rumore ed evita il crosstalk tra le lunghezze d’ onda. L’utilizzo di tre switch ottici, per indirizzare la luce nelle diverse fibre di lancio, e di 4 linee indipendenti di raccolta del segnale (fotomoltiplicatori e schede per il Time Correlated Single Photon Counting, TCSPC), ha permesso la realizzazione di 16 canali di lancio e 4 canali di raccolta indipendenti. Il sistema è stato poi caratterizzo tramite l’utilizzo del protocollo MEDPHOT. misure in vivo: Lo strumento sviluppato è stato impiegato in tre campagne di misure su protocolli di attivazione cerebrale e/omuscolare: 1) misure contemporanee TD-NIRS e Laser doppler flowmeter (LDF). Sono state effettuate, su 12 soggetti sani, misure della corteccia prefrontale durante una manovra di valsalva. La buona correlazione tra segnale TD-NIRS superficiale e LDF fornisce una prova sperimentale della possibilità di dividere i contributi TD-NIRS provenienti dagli strati più profondi del tessuto in esame da quelli più superficiali. 2) misure contemporanee TD-NIRS e EEG. Si è voluto investigare la risposta elettrica (EEG) ed emodinamica (TD-NIRS, corteccia prefrontale) durante un task di attenzione divisa su 16 soggetti sani. I risultati ottenuti dimostrano la potenzialità dell’ unione delle due tecniche nello studio di fenomeni cerebrali complessi. 3) misure contemporanee TD-NIRS e EMS. Si sono studiati, su 9 soggetti sani, gli effetti della elettro-stimolazione muscolare a diverse soglie di intensità (fino a raggiungere la soglia del dolore) per capire gli effetti di dolore e fatica sull’ossigenazione muscolare e nelle aree fronto-parietale, parietale e centrale del cervello. Per l’ acquisizione cerebrale si è impiegato un altro strumento TD-NIRS sviluppato precedentemente nel nostro dipartimento. Sono disponibili risultati preliminari. ii.) CW-NIRS (Abramson center for the future of health, Houston) Sviluppo del sistema: sistema compatto, portatile e wireless (3 diodi laser: 685 nm, 830 nm e 980 nm, un canale, 200 ms tempo di acquisizione), con integrazione di misure di parametri fisiologici (ECG, fotopletismografo). misure in vivo: Su 18 soggetti sani si è monitorata l’ossigenazione del quadricipite durante esercizi incrementali su ergometro, in contemporanea con un monitoraggio dei gas respirati (carrello metabolico). Lo scopo dello studio è quello di testare se vi è una correlazione tra la soglia di ventilazione respiratoria e la soglia anaerobica dei tessuti muscolari.