DESIGN AND IMPLEMENTATION OF DIFFUSE REFLECTANCE PROBE BASED ON LONG WAVE NEAR INFRARED SPECTROSCOPY FOR FETAL HYPOXIA MONITORING

Fetal hypoxia is the condition of insufficient oxygen supply to the tissues of the baby in the womb. Prolonged hypoxia leads to irreversible injury in the baby, such as hypoxic ischemic encephalopathy and fatalities. It is therefore essential to monitor oxygen levels during labor to prevent such complications. Technologies in use today, such as cardiotocography (CTG), either require a subjective reading of fetal parameters or involve invasive and time-consuming collection and analysis of a blood sample. Fetal hypoxia needs to be prevented and detected by a real-time, continuous, non-invasive method. The use of a Long-Wave Near-Infrared (LW-NIR) spectroscopic probe is proposed to measure spectral signatures of biomarkers such as lactate and pH indicative of fetal hypoxia in the wavelength range of 1100 nm to 2500 nm. This work focuses on building a fiber-based LW-NIR spectroscopic reflectance probe for real-time, continuous, and non-invasive fetal hypoxia monitoring. The goal is to use a biologically safe dose of LW-NIR light as a source and collect the light reflected from the fetal scalp in a fiber. The probe is designed to penetrate the capillary bed optically and noninvasively at a depth of about 1.5 mm below the fetal skin. Simulations were performed using the Monte Carlo Multi-Layer (MCML) photon propagation model through biological tissue to measure the penetration depth of light into biological tissue at different wavelengths between 1450 nm and 1650 nm for different system geometries. A probe was designed, built, and experiments were performed to measure the penetration depth of radiation into a liquid sample simulating the optical properties of skin: this penetration was then compared with numerical results obtained with the MCML simulations. In this work, a novel method for measuring the experimental penetration depth using a specially designed wedge is shown. The geometry of the probe was designed to reach the capillary bed at 1.5 mm using MCML simulation of photon propagation. The optimal probe design was found with a source-detector lateral separation of 2 mm and source and detector diameters of 0.55 mm each. The penetration depth was experimentally found to be ~1.5 mm, in line with simulations. This master thesis project has been carried out in Biophotonics group, at Tyndall National Institute, Cork, Ireland, during six months of Erasmus traineeship. The work has been done under the joint supervision of Prof. Stefan Andersson-Engels, head of Biophotonics, Dr. Shree Krishnamoorthy, researcher in Biophotonics group and Prof. Sabina Merlo from Department of Electrical, Computer and Biomedical Engineering at University of Pavia.

PROGETTAZIONE E IMPLEMENTAZIONE DI UNA SONDA A RIFLETTANZA DIFFUSA BASATA SULLA SPETTROSCOPIA LONG WAVE NEAR INFRARED PER IL MONITORAGGIO DELL'IPOSSIA FETALE. L'ipossia fetale è una condizione di insufficiente apporto di ossigeno ai tessuti del bambino nel grembo materno. L'ipossia prolungata porta a lesioni irreversibili nel bambino, come l'encefalopatia ischemica ipossica e la morte. È quindi essenziale monitorare i livelli di ossigeno durante il travaglio per prevenire tali complicazioni. Le tecnologie oggi in uso, come la cardiotocografia (CTG), richiedono una lettura soggettiva dei parametri fetali o comportano la raccolta e l'analisi di un campione di sangue in modo invasivo e prolungato. L'ipossia fetale deve essere prevenuta e rilevata con un metodo in tempo reale, continuo e non invasivo. Si propone l'uso di una sonda spettroscopica a onde lunghe nel vicino infrarosso (LW-NIR) per misurare le firme spettrali di biomarcatori come il lattato e il pH indicativi dell'ipossia fetale nell'intervallo di lunghezze d'onda tra 1100 nm e 2500 nm. Questo lavoro si concentra sulla costruzione di una sonda di riflettanza spettroscopica LW-NIR basata su fibra per il monitoraggio dell'ipossia fetale in tempo reale, continuo e non invasivo. L'obiettivo è utilizzare una dose biologicamente sicura di luce LW-NIR come sorgente e raccogliere la luce riflessa dallo scalpo fetale in una fibra. La sonda è stata progettata per penetrare otticamente e in modo non invasivo nel letto capillare a una profondità di circa 1,5 mm sotto la cute fetale. Sono state eseguite simulazioni utilizzando il modello di propagazione dei fotoni Monte Carlo Multi-Layer (MCML) attraverso il tessuto biologico per misurare la profondità di penetrazione della luce nel tessuto biologico a diverse lunghezze d'onda tra 1450 nm e 1650 nm per diverse geometrie di sistema. È stata progettata e realizzata una sonda e sono stati eseguiti esperimenti per misurare la profondità di penetrazione della radiazione in un campione liquido che simula le proprietà ottiche della pelle; tale penetrazione è stata poi confrontata con i risultati numerici. In questo lavoro viene mostrato un metodo innovativo per misurare la profondità di penetrazione sperimentale attraverso l'uso di un cuneo appositamente progettato. La geometria della sonda è stata progettata per raggiungere il letto capillare a 1.5 mm utilizzando la simulazione MCML della propagazione dei fotoni. È stato individuato il design ottimale della sonda, nel quale la separazione laterale sorgente-rivelatore risulta essere di 2 mm e i diametri della sorgente e del rivelatore sono di 0.55 mm ciascuno. La profondità di penetrazione è risultata sperimentalmente di ~1.5 mm, in linea con le simulazioni. Questo progetto di tesi di laurea magistrale è stato svolto nel gruppo di Biofotonica del Tyndall National Institute, Cork, Irlanda, durante sei mesi di Erasmus traineeship. Il lavoro è stato realizzato sotto la supervisione congiunta del Prof. Stefan Andersson-Engels, responsabile del gruppo di Biofotonica, del Dott.ssa Shree Krishnamoorthy, ricercatrice del gruppo di Biofotonica e della Prof.ssa Sabina Merlo del Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell'Informazione dell'Università di Pavia.