Riassunto analitico
Oggigiorno, i recenti progressi nell'ottica biomedica consentono una visualizzazione senza precedenti dei tessuti biologici e nuove analisi delle loro proprietà. Sono state sviluppate tecniche di fotonica innovative per diagnostica e terapia di diverse patologie e malattie. La fusione di elettronica, fotonica ed intelligenza artificiale sta portando a scoperte rivoluzionarie in importanti settori della medicina.
Tuttavia, ci sono molti campi in cui la ricerca sull'ottica biomedica gioca ancora un ruolo importante: l'oftalmologia è sicuramente una di questi.
Secondo recenti statistiche del National Eye Institute, il numero di persone colpite da retinopatia diabetica (DR), degenerazione maculare legata all'età (AMD) e glaucoma raddoppieranno entro il 2050. La progressione di tali patologie, se diagnosticata nella fase iniziale, può essere controllata o fermata, prevenendo così ulteriori danni oculari e perdita della vista. Pertanto, vi è un crescente bisogno di strumentazione biomedica in grado di rilevare queste malattie nel loro stadio iniziale.
Il lavoro descritto in questa tesi è stato guidato da recenti studi che hanno evidenziato che: (i) il colore dell'iride umano è un fattore prognostico nella comparsa del glaucoma e AMD e (ii) che vi è una stretta correlazione tra il flusso sanguigno retinico e lo sviluppo sia del glaucoma sia della DR. L'obiettivo del mio lavoro di dottorato è stato quello di sviluppare nuove tecnologie ottiche che possano essere applicate in ambito clinico per la diagnosi precoce di tali patologie oculari.
La parte principale del mio lavoro di dottorato, che è dettagliato nel capitolo 2, ha sfruttato la prima ipotesi. È stato progettato e implementato un sistema di imaging iperspettrale per l'iride umana. Il sistema sviluppato è in grado di raccogliere immagini iperspettrali dell'iride di un paziente in vivo, su di un ampio range spettrale nel visibile e nel vicino infrarosso, con alta risoluzione spettrale e spaziale. La caratteristica fondamentale dello strumento è che misura quantitativamente la riflettanza spettrale dell'iride con un metodo semplice e non invasivo.
La seconda ipotesi pone le basi per il lavoro descritto nel capitolo 3, che è correlato allo sviluppo di uno strumento per misurare il flusso sanguigno nei vasi del fondo oculare. Per fare ciò è stata sfruttata l'interferometria self-mixing con diodo superluminescente. Il sistema di misurazione sfrutta l’effetto di interferenza Doppler prodotto dalla luce riflessa dal lato interno di un tubo, il quale simula il vaso sanguigno, e la luce indietro-diffusa dalle particelle in movimento.
Le conclusioni sono presentate nel capitolo 4 in cui le capacità diagnostiche e le prestazioni degli strumenti sviluppati sono confrontati con le attuali procedure cliniche.
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Abstract
Nowadays, recent advances in biomedical optics allow unprecedented visualization of biological tissues
and novel analyzes of their properties. Innovative photonics techniques have been developed
for diagnostics and therapy of different pathologies and diseases. The merging of electronics, photonics
and artificial intelligence is leading to revolutionary findings in important areas of medicine.
However, there are multiple fields in which biomedical optics research still plays an important
role: ophthalmology is surely one of them.
According to recent statistics from the National Eye Institute, the number of people affected by
Diabetic Retinopathy (DR), Age-related Macular Degeneration (AMD) and glaucoma will double
by 2050. The progression of such pathologies, if diagnosed at their initial stage, can be either controlled
or stopped, hence preventing further ocular damages and loss of eyesight. Therefore, there
is an increasing need of biomedical instrumentation capable of detecting these diseases at their early
stage.
The work described in this dissertation was driven by recent studies which highlighted that: (i)
the human iris color is a prognostic factor in glaucoma and AMD occurrence, and (ii) that there is
a strict correlation beween retinal blood flow and the development of both glaucoma and DR. The
goal of my doctorate work was to develop new optical technologies that could be applied in clinical
practice for the early detection of such ocular pathologies.
The main part of my doctorate work, which is detailed in chapter 2, exploited the first hypothesis.
A hyperspectral imaging system for the human iris was designed and implementated. The developed
system is able to collect hyperspectral images of a patient’s iris in vivo, across a broad spectral range
in the visible and near-infrared, with high spectral and spatial resolution. The key feature of the instrument
is that it quantitatively measures the iris spectral reflectance with a simple and non-invasive
procedure.
The second hypothesis lays out the foundation for the work described in chapter 3, which is related
to the development of an instrument to measure the blood flow in the ocular fundus vessels.
To do that, superluminescent diode self-mixing interferometry was exploited. The measuring system exploits the Doppler interference pattern produced by the light back-reflected from the inner facet of a pipe,
which simulates the blood vessel, and the light back-diffused by the moving particles.
The conclusions are presented in chapter 4 in which the diagnostic capabilities and the performance
of the developed instruments are compared to current clinical procedures.
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