Development of methods for the employment of Near Infrared Spectroscopy (NIRS) Devices in clinics and research

This three-years work aimed at evaluating the feasibility of the employment of Near Infrared Spectroscopy (NIRS) devices in the neurophysiopathological field. Indeed, this technology, by allowing the estimation of the values of oxygenated and deoxygenated hemoglobin in the blood, and the changing of the tissue blood flux in specific regions of the brain, candidates as a useful tool for the investigation of the hemodynamics in the brain, especially in the cognitive field. Moreover, it looms as a valuable alternative with respect to the more expensive and complex Magnetic Resonance instrumentation for functional studies (fMRI). The present study have pursued three main aims. First of all, it was intended to verify the knowledge improvement provided by NIRS method, and by its potential applications, as alternative tool to more invasive instrumentation for functional investigation of the brain (fMRI, PET, etc…). Secondly, the advantages deriving from the employment of time-of-flight NIRS technique were exploited, in a comparison with the older and more common “continuous wave” devices. Last, efforts were deployed in the identification of a set of methods for signal processing, aiming at integrating the information provided by spectroscopy (in both “time-of-flight” and “continuous wave” mode) with those measurements provided by other and different investigation techniques. During the past three years, particular attention has been devoted to the integration of cerebral hemodynamics data provided by NIRS with recordings of cerebral electrical phenomena (electroencephalography), of heart electrical activity (electrocardiography) and of perfusion (LaserDopplerMetry) obtained during the administration of controlled cognitive protocols (tests of attention and memory) to healthy adult volunteers. The final scope of the work has been the transfer of protocols and knowledge, together with the technological and methodological advancement to the neurological and rehabilitative clinical field.

Questo lavoro triennale ha avuto l’obiettivo di valutare le potenzialità applicative dei dispositivi di spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) nell’ambito neurofisiopatologico. Questa tecnologia infatti, offrendo la possibilità di stimare i valori dell’emoglobina ossigenata e deossigenata nel sangue e la variazione del flusso ematico tissutale cerebrale a livello regionale, si candida come utile strumento di indagine dell’emodinamica cerebrale -specialmente in ambito cognitivo-, e come valida alternativa alla più costosa e più complessa strumentazione di risonanza magnetica per lo studio funzionale (fMRI). Lo studio in oggetto si è posto un triplice scopo. Innanzitutto la verifica del contributo conoscitivo fornito dalla metodica NIRS e delle sue eventuali potenzialità come alternativa a mezzi di indagine funzionale più invasivi (es. fMRI o PET). Secondariamente l’esplorazione dei vantaggi derivanti dall’impiego della recente tecnologia NIRS “tempo-di-volo” (time of flight) rispetto alle possibilità offerte dai più datati ma più diffusi dispositivi NIRS “tempo-continuo” (time-continuous); infine la identificazione di un set di metodi di elaborazione del segnale efficaci per l’integrazione dell’informazione fornita dalla spettroscopia (sia essa “tempo-di-volo” o “tempo-continuo”) con quella ottenuta mediante altre e diverse tecniche di indagine. Durante il triennio, particolare enfasi è stata posta sull’integrazione dei dati di emodinamica cerebrale forniti dalla NIRS con registrazioni dei fenomeni elettrici cerebrali (elettroencefalografia), cardiaci (elettrocardiografia) e di perfusione (LaserDopplermetria) ottenuti durante la somministrazione di protocolli cognitivi controllati (test di attenzione e di memoria) a soggetti volontari sani. Scopo ultimo del lavoro è stato il trasferimento del guadagno tecnologico, metodologico, protocollare e conoscitivo alla clinica neurologica e all’ambito riabilitativo.