Theoretical study of the effect of detector and correlator defects on diffuse correlation spectroscopy for non-invasive blood flow measurements

Abstract

Diffuse optics has provided new methods and techniques in the biomedical environment to diagnose, treat and measure pathologies. One of this techniques is the diffuse correlation spectroscopy (DCS) which is used for non-invasive blood flow measurements which makes it a useful tool in clinics that helps doctors to monitor patients. DCS measures the intensity fluctuations of laser speckles by using a single photon detector and use a correlator to calculate the intensity autocorrelation. DCS system has been used for many years to measure the relative blood flow with the same single photon avalanche-diode. Since DCS has become more applicable and new detectors have been developed and introduced to the market, now is a good opportunity to study the effect of the devices that are used in DCS systems. In this final career project, I have studied the effects of the detector and correlator on the normalized intensity autocorrelation function for different blood flows and developed an objective means to quantify their effect on the final estimated blood flow index. In parallel, I test and validate the Hardware simulator software that recreates a DCS measurement. Furthermore, I have done a signal quality assessment to evaluate and determine, finally, the optimal DCS system according to a available detectors in the market. The study provides a methodology to evaluate new detectors and correlator designs and their effect on the estimated blood flow index. Results show that all DCS system can be modified to work in an optimal way by setting the correct correlator structure according to the specific use.

La óptica difusa ha aportado nuevos métodos y técnicas en el campo de la biomedicina para diagnosticar, tratar y medir patologías. Una de estas técnicas es la espectroscopía por correlación difusa (DCS) la cual se usa en las medidas no invaisvas de flujo sanguíneo y la hace ser una herramienta clínica útil que ayuda a los doctores a monitorizar los pacientes. La DCS mide la fluctuación de las speckles con un detector de fotones y usa un correlador para calcular la autocorrelación de la intensidad. El sistema DCS se ha usado durante muchos años para medir el flujo sanguíneo relativo con el mismo detector de avalancha. Puesto que el DCS se ha convertido en una herramienta más aplicable y nuevos detectores han sido desarrollados e introducidos en el mercado, ahora es una buena oportunidad para estudiar el efecto de los dispositivos que componen los sistemas DCS. En este proyecto final de carrera, he estudiado los efectos del detector y correlador en la función normalizada de autocorrelación de la intensidad para distintos flujos sangíneos y he desarrollado un conjunto de medios objetivos para cuantificar su efecto en la estimación final del índice de flujo sanguíneo. Paralelamente, he testeado y validado el programa Hardware simulator que recrea una medida DCS. Además, he llevado a cabo una evaluación de la calidad de la señal para valorar y determinar, finalmente, el sistema DCS óptimo respecto a detectores disponibles en el mercado. El estudio provee de una metodología para evaluar nuevos detectores y diseños de correladores y sus efectos en la estimación del índice de flujo sanguíneo. Los resultados muestran que todo sistema DCS puede ser modificado para trabajar de manera óptima a través del ajuste de la estructura del correlador para un uso específico.

L'òptica difusa ha proporcionat nous mètodes i tècniques al camp de la biomedicina per diagnosticar, tractar i mesurar patologies. Una d'aquestes tècniques és l'espectroscopia per correlació difusa (DCS) la qual s'utilitza per mesures de manera no invasiva del flux sanguini i que fa d'ella una eina clínica útil que ajuda als metges a monitoritzar els paciens. El DCS mesura les fluctuacions de de les speckles utilitzant un detector de fotons i utilitza un correlador per calcular autocorrelació de l'intensitat. El sistema DCS ha estat utilitzar des de fa molt anys per mesurar el flux sanguini relatiu amb el mateix detector d'avalanxa. Degut a que el DCS s'ha tornat més aplicable i nous detectors s'han desenvolupat i introduit al mercat, ara és una bona oportunitat per estudiar l'efecte dels dispositius que componen els sistemes DCS. En aquest projecte final de carrera, he estudiat els efectes del detector i correlador en la funció d'autocorrelació de l'intensitat per diferents fluxes sanguinis i he desenvolupat un conjunt de medis objectius per quantificar el seu efecte en l'estimació final de l'índex de flux sanguini. Al mateix temps, he testejat i validat el programa Hardware simulator que recrea una mesura amb DCS. A més a més, he fet una evaluació de la qualitat del senyal per valorar i determinar, finalment, el sistema DCS òptim respecte a detectors disponibles al mercat. L'estudi proveeix d'una metodologia per evaluar nous detectors i disenys de correladors i els seus efectes en l'índex de fluxe sanguini estimat. Els resultats mostren que tot sistema DCS pot ser modificat per treballar de manera òptima a través de l'ajust de l'estructura del correlador per a un específic ús.