This review describes the diffusion model for light transport in tissues and the medical applications of diffuse light. Diffuse optics is particularly useful for measurement of tissue hemodynamics, wherein quantitative assessment of oxy- and deoxy-hemoglobin concentrations and blood flow are desired. The theoretical basis for near-infrared or diffuse optical spectroscopy is developed, and the basic elements of diffuse optical tomography are outlined. We also discuss diffuse correlation spectroscopy, a technique whereby temporal correlation functions of diffusing light are transported through tissue and are used to measure blood flow. Essential instrumentation is described, and representative brain and breast functional imaging and monitoring results illustrate the workings of these new tissue diagnostics.

Thyroid plays an important role in the endocrine system of the human body. Its characterization by diffuse optics can open new path ways in the non-invasive diagnosis of thyroid pathologies. Yet, the absorption spectra of tyrosine and thyroglobulin-key tissue constituents specific to the thyroid organ-in the visible to near infrared range are not fully available. Here, we present the optical characterization of tyrosine (powder), thyroglobulin (granular form) and iodine (aqueous solution) using a time domain broadband diffuse optical spectrometer in the 550-1350 nm range. Various systematic errors caused by physics of photo migration and sample inherent properties were effectively suppressed by means of advanced time domain diffuse optical methods. A brief comparison with various other known tissue constituents is presented, which reveals key spectral regions for the quantification of the thyroid absorbers in an in vivo scenario.

Diffuse optical tomography (DOT) is an attractive approach for evaluating stroke physiology. It provides hemodynamic and metabolic imaging with unique potential for continuous noninvasive bedside imaging in humans. To date there have been few quantitative spatial-temporal studies of stroke pathophysiology based on diffuse optical signatures. The authors report DOT images of hemodynamic and metabolic contrasts using a rat middle cerebral artery occlusion (MCAO) stroke model. This study used a novel DOT device that concurrently obtains coregistered images of relative cerebral blood volume (rCBV), tissue-averaged hemoglobin oxygen saturation (Sto 2 ), and relative cerebral blood flow (rCBF). The authors demonstrate how these hemodynamic measures can be synthesized to calculate an index of the oxygen extraction fraction (OEF) and the cerebral metabolic rate of oxygen consumption (CMRo 2 ). Temporary (60-minute) MCAO was performed on five rats. Ischemic changes, averaged over the 60 minutes of occlusion, were as follows: rCBF = 0.42 ± 0.04, rCBV = 1.02 ± 0.04, ΔSto 2 = −11 ± 2%, rOEF = 1.39 ± 0.06 and rCMRo 2 = 0.59 ± 0.07. Although rOEF increased in response to decreased blood flow, rCMRo 2 decreased. The sensitivity of this method of DOT analysis is discussed in terms of assumptions about baseline physiology, and the diffuse optical results are compared with positron emission tomography, magnetic resonance imaging, and histology observations in the literature.

We present three-dimensional (3D) in vivo images of human breast cancer based on fluorescence diffuse optical tomography (FDOT). To our knowledge, this work represents the first reported 3D fluorescence tomography of human breast cancer in vivo. In our protocol, the fluorophore Indocyanine Green (ICG) is injected intravenously. Fluorescence excitation and detection are accomplished in the soft-compression, parallel-plane, transmission geometry using laser sources at 786 nm and spectrally filtered CCD detection. Phantom and in vivo studies confirm the signals are due to ICG fluorescence, rather than tissue autofluorescence and excitation light leakage. Fluorescence images of breast tumors were in good agreement with those of MRI, and with DOT based on endogenous contrast. Tumorto- normal tissue contrast based on ICG fluorescence was two-to-four-fold higher than contrast based on hemoglobin and scattering parameters. In total the measurements demonstrate that FDOT of breast cancer is feasible and promising.

Abstract The non-invasive monitoring of the hemodynamics and metabolism of the sternocleidomastoid muscle (SCM) during respiration became a topic of increased interest partially due to the increased use of mechanical ventilation during the COVID-19 pandemic. Near-infrared diffuse optical spectroscopies were proposed as potential practical monitors of increased recruitment of SCM during respiratory distress. They can provide clinically relevant information on the degree of the patient’s respiratory effort that is needed to maintain an optimal minute ventilation, with potential clinical application ranging from evaluating chronic pulmonary diseases to more acute settings, such as acute respiratory failure, or to determine the readiness to wean from invasive mechanical ventilation. In this paper, we present a detailed characterization of the optical properties (wave-length dependent absorption and reduced scattering coefficients) and hemodynamic properties (oxy-, deoxy- and total hemoglobin concentrations, blood flow, blood oxygen saturation and metabolic rate of oxygen extraction) of the human SCM, obtained by measuring sixty-five subjects through ultrasound-guided near-infrared time-resolved and diffuse correlation spectroscopies. We provide detailed tables of the results related to SCM baseline (i.e. muscle at rest) properties, and reveal significant differences on the measured parameters due to variables such as side of the neck, sex, age, body mass index and thickness of the overlaying tissues, allowing future clinical studies to take into account such dependencies.

Abstract Diffuse optical methods including speckle contrast optical spectroscopy and tomography (SCOS and SCOT), use speckle contrast ( k ) to measure deep blood flow. In order to design practical systems, parameters such as signal-to-noise ratio (SNR) and the effects of limited sampling of statistical quantities, should be considered. To that end, we have developed a method for simulating speckle contrast signals including effects of detector noise. The method was validated experimentally, and the simulations were used to study the effects of physical and experimental parameters on the accuracy and precision of k . These results revealed that systematic detector effects resulted in decreased accuracy and precision of k in the regime of low detected signals. The method can provide guidelines for the design and usage of SCOS and/or SCOT instruments.

Chronological and evolutive study of the impact of perihematomal edema in patients with intracerebral hemorrhage using a hybrid diffuse optical device combining DCS and TRS.

We present preliminary in-vivo validation of VASCOVID device, a hybrid diffuse optical platform designed for automatized microvasculature health assessment in the intensive care. The in-vivo validation was run on more than hundred subjects.

Development of optical quality bioresorbable fibers is an emerging area of study where researchers are trying to advance the field by assessing the suitability of these fibers for various biomedical applications. These types of fiber implants dissolve in the human body over a clinically relevant time scale eliminating the need for extraction surgeries. We conducted both ex-vivo and in vivo diffuse correlation spectroscopic studies using our fibers to measure blood flow and a preliminary trial to integrate a biocompatible electrode material on the fiber for electrical signal measurements. The results demonstrated the potential of Calcium Phosphate glass-based fiber-optic devices in future physiological monitoring applications which can be implanted inside the body without the need of an explant procedure. Acknowledgement: This project has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No 860185.

The assessment of concentration of oxygenated hemoglobin is a crucial parameter for oximetry application. We explore the possibility of using 1064 nm wavelength to assess the concentration of oxygenated, discussing possible advantages and issues.