Diffuse reflectance spectroscopy for tissue studies and liver vitality check

Diffuse Reflectance Spectroscopy (DRS) is an optical technique that enables tissue characterization by measuring the spectral response of the tissue-light interaction. Broadband light is emitted via an optical fiber and it is collected with another optical fiber after light absorption and scattering in the tissue. The collected light is acquired with a spectrometer that can resolve light in the visible and near infrared wavelength range below a micron. The use of light is clinically appealing as it can detect physiological and biological changes whereas medical imaging only provides morphological information. The concentration of relevant chromophores in tissue can be extracted from its spectral response to light illumination. This thesis project is mainly made by two different parts. In the first period, the work has been focused on the use of DRS for the classification of different tissue types. The main goal behind it is to include DRS as a medical imaging tool for percutaneous guidance, to accurately guide interventional tools to the region of interest for an effective treatment. The aim is to provide a real time feedback on the tissue type touched by the sensor, such as on the physiological and biological changes in it. Ex-vivo experiments on animal tissues have been performed, which resulted in high sensitivity and specificity for the classification of fat, muscular and nerve tissues. Beside it, the effects of cold storage on tissues has been evaluated by remeasuring the tissue samples after freezing them at -8 Celsius degrees. A comparison between data from swine defrosted tissues and human cadavers tissues will be presented. The goal of the second part of this thesis project is the evaluation of the potentials of Diffuse Reflectance Spectroscopy for monitoring liver vitality during preservation. Currently, pathology analysis are implemented for this purpose, but the results require too much time to be available compared to the maximum preservation time of a donor liver. Beside it, continuous monitoring is not possible. The DRS could have the potentials to be the real-time, mini-invasive and cheap substitute to pathology analysis. This research has been developed in collaboration with the Groningen University Medical Center (UMCG), in Groningen (NL), where experiments on discarded human livers under normothermic perfusion are currently running. DRS measurements on one perfused and two not perfused livers have been acquired during a period of 6 hours and the output data have been analyzed. The results of this study are promising, but new experiments on human discarded livers during perfusion are needed. This thesis project has been performed at PHILIPS Research, Minimally Invasive Healthcare department, located at High Tech Campus - Eindhoven, The Netherlands.

La Diffuse Reflectance Spectroscopy (DRS) è un tecnica mini-invasiva che sfrutta le caratteristiche ottiche dei tessuti biologici con scopi di diagnosi e/o di feedback durante procedure interventistiche percutanee. La tecnica prevede l'utilizzo di un ago contenente due fibre ottiche, una delle quali funziona da sorgente di luce visibile e infrarossa, mentre l'altra riceve i raggi diffusi dal tessuto. Il segnale in uscita dal sistema dipende dalle caratteristiche ottiche del campione analizzato, ovvero dalla sua composizione. I principali componenti di un tessuto biologico che ne determinano le caratteristiche ottiche, assorbendo luce di differenti lunghezze d'onda, sono: sangue (principalmente emoglobina, ossigenata e non ossigenata), acqua, cellule lipidiche, fibre collagene e beta-carotene. La luce che non viene assorbita da tali componenti, detti cromofori, viene diffusa e rilevata dalla fibra ottica sensore. Dal segnale in uscita è possibile risalire alle concentrazioni dei diversi cromofori nel tessuto utilizzando un modello sviluppato da Farrell nel 1992. Il progetto svolto si constituisce di due parti principali. Per la prima parte del lavoro la DRS è stata utilizzata con lo scopo di valutarne le capacità di classificazione di diversi tessuti animali. L'idea dietro a questo studio prevede l'utilizzo futuro della DRS come tecnica di imaging che dia la possibilità di avere un feedback in tempo reale durante procedure interventistiche percutanee. Diversi esperimenti ex-vivo sono stati effettuati con lo scopo di valutare le possibilità di questa tecnologia in tal senso. I tessuti analizzati sono stati ottenuti da due conigli, due topi e due suini, seguendo le relative normative etiche. I dati rilevati in tali esperimenti sono stati analizzati con buoni risultati in termini di sensitività e specificità nella classificazione di tessuto adiposo, muscolare e nervoso. I tessuti in questione sono stati in seguito congelati e nuove misure spettroscopiche sono state effettuate dopo lo scongelamento. Questo esperimento ha voluto valutare l'effetto della conservazione a freddo sui vari componenti biologici di ogni tessuto. I dati rilevati da tessuti di suino sono stati inoltre comparati con dati acquisiti durante esperimenti su cadaveri umani (anch'essi una volta scongelati) per la valutazione di eventuali differenze da specie a specie. I risultati ottenuti non hanno rilevato significative differenze. La seconda parte del lavoro è volta all'utilizzo della DRS per il monitoraggio delle funzioni vitali del fegato durante il breve periodo compreso tra l'espianto e il trapianto. Attualmente, diverse malattie epatiche, come, per esempio, cirrosi o tumori, hanno elevato il numero di richieste di trapianto di fegato, allungando i tempi di attesa per i pazienti. Questo problema, aggiunto all'elevato costo di un trapianto di fegato, porta alla necessità di ottimizzazione delle procedure al fine di evitare rigetti o complicazioni post-operatorie. Ad oggi gli organi vengono analizzati prima del trapianto mediante studi patologici come, ad esempio, biopsie. I risultati, però, necessitano tempi di attesa troppi lunghi se confrontati con le 4-18 ore in cui un fegato può essere conservato. La DRS si collocherebbe come sostituto mini-invasivo, real-time ed economico alle analisi patologiche, preservando il tessuto e permettendone un monitoraggio continuo durante il periodo di conservazione. Questa parte del lavoro è stata svolta in collaborazione con il Centro Medico Universitario della città di Groningen (UMCG), in Olanda, dove, ad oggi, si stanno svolgendo esperimenti per la valutazione di una nuova tecnica di perfusione per fegati destinati al trapianto, che si svolge a temperatura corporea. Attualmente gli organi vengono conservati a basse temperature, ma studi precedenti hanno dimostrato che la conservazione mediante perfusione a 37 gradi centigradi porterebbe a migliori condizioni iniziali per il trapianto. Misure spettroscopiche sono state rilevate su tre fegati durante 6 ore con e senza perfusione. I dati ricevuti dall'UMCG sono stati analizzati e hanno portato a promettenti risultati. Ulteriori esperimenti sono necassari per la validazione della tecnologia. Questo progetto di tesi è stato sviluppato in PHILIPS Research, dipartimento di Minimal Invasive Healthcare, High Tech Campus - Eindhoven, Olanda.