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INTRODUZIONE
La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS, Near Infrared Spectroscopy) è una tecnica ottica di imaging per applicazioni mediche fra le più importanti, il cui impiego si è notevolmente sviluppato negli ultimi venti anni.
Il crescente interesse che si è creato verso la NIRS è dovuto al fatto che essa permette di ottenere, con una buona risoluzione spaziale e temporale, immagini di tessuti relativi ad organi diversi (tessuti muscolari, cardiaci, cerebrali) e attraverso l’utilizzo di queste immagini possono essere rilevate patologie oppure effettuati studi di carattere funzionale.
Altro aspetto fondamentale è quello della totale sicurezza per il paziente, il quale non è sottoposto a radiazioni ionizzanti.
Le mappe che si possono ottenere con la spettroscopia nel vicino infrarosso forniscono essenzialmente la variazione di concentrazione dell’emoglobina all’interno dei tessuti, in particolare i muscoli o il cervello, in conseguenza di stimoli di carattere motorio o visivo.
L’alta sensibilità della spettroscopia nel vicino infrarosso permette di rilevare cambiamenti di 0,05µM-0,1µM nella concentrazione di emoglobina.
La tecnologia NIRS utilizza sorgenti luminose in una finestra ottica che va da 700 a 900nm (vicino infrarosso); in questo intervallo la luce penetra attraverso i tessuti biologici e viene assorbita dal cromoforo principale. Per cromoforo si intende un pigmento che assorbe la luce nella regione spettrale di interesse, ogni cromoforo presenta un particolare spettro che ne descrive il livello di assorbimento per ogni lunghezza d’onda. Nel cervello il principale cromoforo è l’emoglobina nelle due forme ossigenata e non ossigenata.
I due stati dell’emoglobina hanno proprietà ottiche differenti che possono essere utilizzate per determinare l’attivazione funzionale del cervello in seguito ad uno stimolo esterno.
Punto debole dei sistemi oggi in commercio è l’elevato costo: per questo ci siamo posti il problema di realizzare un dispositivo in grado di ottenere risultati soddisfacenti, ma a basso costo e di semplice realizzazione.
Nelle pagine seguenti, dopo aver dapprima illustrato i principi fisici su cui si basa la spettroscopia nel vicino infrarosso, descriveremo i vari tipi di sorgenti e di rivelatori utilizzabili, infine illustreremo il nostro sistema e come è stato realizzato.
Nel capitolo 1 l’attenzione è rivolta ai principi fisici su cui si fonda la tecnica NIRS, inoltre vengono descritte le principali proprietà ottiche dei tessuti, come l’assorbimento e lo scattering, mettendo in risalto in maniera dettagliata quali sono i loro effetti sulla radiazione infrarossa.
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Nel capitolo 2 vengono descritti i principali tipi di ricevitori e di sorgenti utilizzabili in un sistema per spettroscopia nel vicino infrarosso.
Viene descritto dapprima il tubo fotomoltiplicatore, successivamente si fornisce una caratterizzazione generale dei fotorivelatori mettendo in evidenza i parametri di principale interesse per la realizzazione del nostro sistema.
Infine vengono analizzati nel dettaglio, sia per quanto riguarda le caratteristiche realizzative, che le performance, i fotodiodi PIN e gli APD.
Per quanto riguarda le sorgenti si fornisce una breve descrizione delle caratteristiche principali di un fascio laser, puntando però maggiormente l’attenzione sui diodi emettitori di luce (LED) che utilizzeremo per la realizzazione del dispositivo.
Nella prima parte del capitolo 3, è riportato un breve stato dell’arte relativo agli apparecchi reperibili sul mercato; vengono descritti tre diversi dispositivi che utilizzano la tecnica NIRS e quali sono i risultati con essi ottenibili in diverse applicazioni di carattere medico.
La parte restante del capitolo 3 è dedicata alla descrizione delle caratteristiche delle sorgenti e dei ricevitori di radiazione infrarossa scelte per la realizzazione del nostro apparecchio, con particolare attenzione ad alcuni parametri come, ad esempio, la lunghezza d’onda di emissione e la potenza della radiazione emessa per le sorgenti e la sensibilità per i ricevitori.
Da ultimo è descritta l’implementazione del dispositivo, con particolare attenzione per i driver delle sorgenti, l’elettronica di pre-elaborazione del segnale proveniente dalle sorgenti e i blocchi di amplificazione, filtraggio e calibrazione.
Il quarto capitolo descrive le fasi di acquisizione ed elaborazione dei segnali per mezzo del PC;
vengono descritti la scheda di acquisizione utilizzata, l’ambiente software di sviluppo LABVIEW e le applicazioni utilizzate per la creazione e la gestione dell’oscilloscopio virtuale. Viene anche fornita una breve introduzione del programma MATLAB utilizzato anch’esso per l’elaborazione software.
Viene, infine, descritto il metodo utilizzato in laboratorio per le prove sperimentali, riportando alcune foto del prototipo finale e i risultati relativi alle fasi di collaudo del dispositivo.
Inizialmente vengono riportati i risultati relativi a prove effettuate sul polso di un soggetto a riposo, evidenziando come queste prove preliminari abbiano rappresentato una buona base di partenza per la validazione del funzionamento del nostro sistema ad infrarosso, grazie alle quali siamo stati in grado di osservare il segnale collegato alle pulsazioni.
Successivamente si è passati a prove effettuate occludendo il flusso sanguigno in un braccio, tramite il bracciale di uno sfigmomanometro: rilasciando si è potuto osservare il segnale che fornisce la variazione di concentrazione di emoglobina ossigenata e lo si è trovato in buon accordo con quello
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misurato con lo stesso tipo di esperimento da altri strumenti commerciali ben più complessi e costosi di quello da noi realizzato.
