Translation of non-invasive optical measurements of hemodynamics and oxygen metabolism to the clinic

Abstract

Several clinical studies for non-invasive estimation of tissue hemodynamics by the combination of two diffuse optical techniques, time-resolved and diffuse correlation spectroscopy, were carried out in collaboration with local hospitals. These led to the 1rst application of hybrid diffuse optics in the characterization of healthy and pathological human thyroid tissue and the initiation of a European Horizon 2020 research project aiming at signi1cantly improving the current thyroid cancer screening process. The advantages of the hybrid diffuse optical device allowed to gain information on cerebral oxygen metabolism and improved estimation of cerebral blood 2ow. Data was collected from patients without brain diseases as well as healthy volunteers in clinical and surgical environments. The diffuse optical measurements were shown to correlate with the bispectral index, a widely used anesthesia monitor in the clinic. The optically derived parameters demonstrated the conservation of physiological coupling between cerebral blood 2ow and oxygen metabolism in patients under propofol-induced anesthesia. Additional studies focused on the investigation of microvascular cerebral physiology in response to common challenges in surgical procedures. These were simulated on healthy subjects and studied in depth. Overall, this work pushes the limits of the clinical translation of hybrid diffuse optics paving the way for new applications.

Varios estudios clínicos para estimar de forma no invasiva los parámetros hemodinámicos del tejido humano han sido realizados gracias a la combinación de dos técnicas de óptica difusa, “time-resolved spectroscop” y “diffuse correlation spectroscopy”, en un instrumento único, manejable y compacto. Esta combinación ha dado luz a una aplicación única para utilizar dichas técnicas en la diferenciación entretejido tiroideo sano y patológico. Además, estas mediciones han iniciado un proyecto de investigación dentro del marco European Horizon 2020, enfocado en una mejora del procedimiento en la detección y caracterización del cáncer de tiroides. Las ventajas del uso del dispositivo híbrido de óptica difusa han permitido tanto la obtención de información sobre el metabolismo cerebral, como una mejora en la estimación de su flujo sanguíneo. Se han obtenido datos tanto de pacientes sin patologías cerebrales como de voluntarios sanos en un entorno clínico y durante cirugías. Estas mediciones se han comparado con el índice bispectral, que es un factor importante y frecuentemente usado en la monitorización y control de la administración de anestesia en los hospitales, mostrando una fuerte correlación entre ellos. Las mediciones de óptica difusa han mostrado la conservación del acoplamiento fisiológico entre flujo sanguíneo cerebral y metabolismo de oxígeno en un estado de anestesia inducido por propofol. Estudios adicionales han investigado la fisiología cerebral microvascular y sus fluctuaciones durante cirugías practicadas con anestesia general. Estos cambios fueron simulados y estudiados meticulosamente con voluntarios sanos. En resumen, esta tesis amplia los límites de la óptica difusa tanto en la detección de patologías como durante cirugías, y muestra el gran potencial de estos sistemas ópticos para su uso clínico en los hospitales.