In vivo characterization of the optical and hemodynamic properties of the human sternocleidomastoid muscle through ultrasound-guided hybrid near-infrared spectroscopies

Objective. In this paper, we present a detailed in vivo characterization of the optical and hemodynamic properties of the human sternocleidomastoid muscle (SCM), obtained through ultrasound-guided near-infrared time-domain and diffuse correlation spectroscopies. Approach. A total of sixty-five subjects (forty-nine females, sixteen males) among healthy volunteers and thyroid nodule patients have been recruited for the study. Their SCM hemodynamic (oxy-, deoxy- and total hemoglobin concentrations, blood flow, blood oxygen saturation and metabolic rate of oxygen extraction) and optical properties (wavelength dependent absorption and reduced scattering coefficients) have been measured by the use of a novel hybrid device combining in a single unit time-domain near-infrared spectroscopy, diffuse correlation spectroscopy and simultaneous ultrasound imaging. Main results. 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, depth and thickness of the muscle, allowing future clinical studies to take into account such dependencies. Significance. The non-invasive monitoring of the hemodynamics and metabolism of the sternocleidomastoid muscle 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.</p

Preclinical and clinical studies in oncology and endocrinology with diffuse light

(English) Near-infrared diffuse optical spectroscopy (DOS) techniques are capable of non-invasive measurement of microvascular hemodynamic parameters of deep tissues (>1 cm penetration). One important focus of the field has been applications in oncology, where the characterization of the tumor vasculature could play both a diagnostic and therapeutic role. This is mainly because malignant tissue growth requires the co-option and generation of blood vessels to be supported. Microvessel density, microvascular blood flow and hypoxia have been linked to the progression of the disease, the likelihood of metastasis and patient survival, and can thus guide diagnosis, treatment plans and prognosis. In this thesis, I have applied DOS methodologies in two projects exploiting hemodynamic information for cancer management. The first one consists in the demonstration of a toolbox for the optimization of plasmonic photothermal therapy (PPTT) in mice, while the second focuses on the contribution to the clinical diagnosis of thyroid cancer in nodule patients. PPTT uses plasmonic nanoparticles (NPs) that are injected into the body and act as localized sources of heat upon external illumination to induce tumor cell death. Various aspects of the therapy are modulated by the optical and hemodynamic parameters of tumor tissue and can thus be studied with DOS monitoring. Moreover, it enables simultaneous quantification of NP concentration. Such information can improve the understanding and the outcome of the treatment and accelerate its slow progress to the clinics. To prove this, we conducted experiments using DOS monitoring along PPTT to model the therapy steps and explain the variability among individuals. This was done on patient-derived orthotopic renal cell carcinoma models, injected with gold nanorods and treated with fixed conditions. The hybrid device combined continuous-wave broadband diffuse reflectance (DRS) and diffuse correlation (DCS) spectroscopies. The data was related to the NP accumulation, the temperatures reached during treatment, tumor growth and animal survival. Moreover, we analyzed the underlying mechanisms with simulations and demonstrated the extrapolation of therapy conditions for individual mice. With this, we managed to determine the relevant interactions and prognostic factors to guide the personalization of the therapy in a way that could be readily applied to other PPTT protocols. The second study was part of the LUCA project, which aimed at implementing an ultrasound-guided hybrid DOS device that could be integrated into the clinical workflow of thyroid cancer screening and provide relevant hemodynamic information to improve diagnostic capabilities. The incidence of thyroid cancer has been on the rise for decades and the low specificity of standard screening methods implies tens of thousands of unnecessary thyroid extraction surgeries are carried out each year just in Europe. Therefore, any improvement in the discrimination between benign and malignant nodules can have a relevant impact on the large scale. A clinical campaign was carried out with the LUCA device, a state-of-the-art device combining time-resolved spectroscopy (TRS) and DCS around a regular ultrasound transducer. The properties of thyroid, nodules and neck muscles were measured in nodule patients and healthy volunteers. Data from sixty-six subjects allowed to characterize these tissues, study the effect of demographic and anatomical variables and assess their diagnostic capabilities. In this way, we gathered a large reference data set relevant to various medical applications beyond oncology and identified the most promising indicators of malignancy. With these studies I have shown how the information obtained with DOS has important roles in these particular applications and what are some of the mechanisms behind them. These results can guide the future steps of research endeavors and have implications for the advancement of solutions to these clinical problems.(Català) L'espectroscòpia d'òptica difusa (DOS) a l'infraroig proper permet mesurar de manera no invasiva els paràmetres hemodinàmics microvasculars de teixits profunds (penetració >1 cm). En oncologia, s'ha enfocat a caracteritzar la vasculatura tumoral per a usos diagnòstics i terapèutics, ja que el creixement de teixit maligne requereix el reclutament i la generació de vasos sanguinis per a ser mantingut. La progressió de la malaltia, metàstasi i supervivència del pacient s'han vinculat amb la densitat de microvasos, el flux sanguini i la hipòxia i, per tant, permeten guiar el diagnòstic, tractament i prognosi. En aquesta tesi, he aplicat metodologies DOS en dos projectes que aprofiten la informació hemodinàmica per al maneig del càncer. El primer consisteix en la demostració d'un conjunt d'eines per a l'optimització de la teràpia plasmònica fototèrmica (PPTT) en ratolins i el segon se centra en el diagnòstic clínic del càncer de tiroide en pacients amb nòduls. La PPTT utilitza nanopartícules plasmòniques (NP) que s'injecten al cos i actuen com a fonts localitzades de calor en ser il·luminades, induint la mort de les cèl·lules tumorals. Diversos aspectes de la teràpia són afectats pels paràmetres òptics i hemodinàmics del teixit tumoral i, per tant, es poden estudiar amb monitoratge DOS. A més a més, la DOS permet la quantificació simultània de la concentració de NP. Aquesta informació pot millorar la comprensió i el resultat del tractament, accelerant el seu avanç cap a la pràctica clínica. Per provar això, vam utilitzar el monitoratge DOS al llarg de la PPTT per modelar la teràpia i explicar la variabilitat entre individus. Això es va realitzar en models ortotòpics de carcinoma de cèl·lula renal derivat de pacient, utilitzant nanocilindres d'or i un tractament fix. El dispositiu híbrid combina les tècniques de continuous-wave broadband diffuse reflectance spectroscopy (DRS) i diffuse correlation spectroscopy (DCS). Les dades es van relacionar amb l'acumulació de NP, les temperatures assolides durant la PPTT, el creixement tumoral i la supervivència. Addicionalment, mitjançant simulacions, vam analitzar els mecanismes subjacents i vam demostrar l'extrapolació de les condicions de teràpia per a cada individu. Amb això, vam aconseguir determinar les interaccions rellevants i els factors pronòstics per personalitzar la teràpia d'una manera fàcilment aplicable a altres protocols de PPTT. El segon estudi va formar part del projecte LUCA, el qual ha tingut com a objectiu implementar un dispositiu DOS híbrid guiat per ultrasons que pogués integrar-se en el flux clínic de detecció de càncer de tiroide i proporcionar informació rellevant per a millorar el diagnòstic. La incidència del càncer de tiroide porta dècades en augment i la baixa especificitat dels mètodes de detecció estàndard implica que cada any es realitzen desenes de milers de tiroidectomies innecessàries a Europa. Per tant, qualsevol millora en la discriminació de nòduls malignes pot tenir un impacte significatiu. Es va dur a terme una campanya clínica amb un dispositiu de última generació que combina time-resolved spectroscopy (TRS) i DCS en un transductor d'ultrasons. Les propietats de la tiroide, nòduls i músculs del coll es van mesurar en pacients amb nòduls i voluntaris sans. Les dades de seixanta-sis subjectes van permetre caracteritzar aquests teixits, estudiar l'efecte de les variables demogràfiques i anatòmiques i avaluar les capacitats de diagnòstic. D'aquesta manera, vam reunir un gran conjunt de dades, rellevant com a referència per a diverses aplicacions mèdiques més enllà de l'oncologia, i vam identificar els indicadors de malignitat més prometedors. Amb aquests estudis, he demostrat com la informació obtinguda amb DOS té rols importants en aquestes aplicacions específiques i alguns dels mecanismes darrere d'ells. Aquests troballes poden guiar futurs esforços d'investigació i tenir implicacions en els avenços de les solucions a aquests problemes clínics.(Español) La espectroscopía de óptica difusa (DOS) en el infrarrojo cercano permite medir de forma no invasiva los parámetros hemodinámicos microvasculares de tejidos profundos (penetración >1 cm). En oncología, se ha enfocado en caracterizar la vasculatura tumoral para usos diagnósticos y terapéuticos, ya que el crecimiento de tejido maligno se mantiene con el reclutamiento y la generación de vasos sanguíneos. La progresión de la enfermedad, metástasis y supervivencia del paciente se han vinculado con la densidad de microvasos, el flujo sanguíneo e hipoxia, por lo que permiten guiar el diagnóstico, tratamiento y prognosis. En esta tesis, he aplicado metodologías DOS en dos proyectos que explotan la información hemodinámica para el manejo del cáncer. El primero consiste en la demostración de un conjunto de herramientas para la optimización de la terapia fototérmica plasmónica (PPTT) en ratones y el segundo se centra en el diagnóstico clínico del cáncer de tiroides en pacientes con nódulos. La PPTT utiliza nanopartículas plasmónicas (NP) que se inyectan en el cuerpo y actúan como fuentes localizadas de calor al ser iluminadas, induciendo la muerte de las células tumorales. Varios aspectos de esta terapia son afectados por los parámetros ópticos y hemodinámicos del tejido tumoral, por lo que pueden estudiarse con monitoreo DOS. Además, permite la cuantificación simultánea de la concentración de NP. Dicha información puede mejorar la comprensión y el resultado del tratamiento, acelerando su avance hacia la práctica clínica. Para probar esto, usamos monitoreo DOS a lo largo de la PPTT para modelar la terapia y explicar la variabilidad entre individuos. Esto se realizó en modelos ortotópicos de carcinoma de célula renal derivado de paciente, utilizando nanorods de oro y un tratamiento fijo. El dispositivo híbrido combina las técnicas de continuous-wave broadband diffuse reflectance spectroscopy (DRS) y diffuse correlation spectroscopy (DCS). Los datos se relacionaron con la acumulación de NP, las temperaturas alcanzadas durante la PPTT, el crecimiento tumoral y la supervivencia. Además, mediante simulaciones, analizamos los mecanismos subyacentes y demostramos la extrapolación de las condiciones de terapia para cada individuo. Con esto logramos determinar las interacciones relevantes y los factores pronósticos para personalizar la terapia de una forma fácilmente aplicable a otros protocolos de PPTT. El segundo estudio formó parte del proyecto LUCA, cuyo objetivo fue implementar un dispositivo DOS híbrido guiado por ultrasonido a incorporar en el flujo clínico de detección de cáncer de tiroides y proporcionar información relevante para mejorar el diagnóstico. La incidencia del cáncer de tiroides lleva décadas en aumento y la baja especificidad de los métodos de detección estándar implica que cada año se realizan decenas de miles de tiroidectomías innecesarias en Europa. Por lo tanto, cualquier mejora en la discriminación de nódulos malignos puede tener un impacto significativo. Se llevó a cabo una campaña clínica con un dispositivo que combina time-resolved spectroscopy (TRS) y DCS en un transductor de ultrasonido. Las propiedades de tiroides, nódulos y músculos del cuello se midieron en pacientes con nódulos y voluntarios sanos. Los datos de sesenta y seis sujetos permitieron caracterizar estos tejidos, estudiar el efecto de las variables demográficas y anatómicas, y evaluar las capacidades diagnósticas. De esta manera, reunimos un conjunto extenso de datos, relevante como referencia para diversas aplicaciones médicas más allá de la oncología, e identificamos los indicadores de malignidad más prometedores. Con estos estudios he demostrado cómo la información obtenida con DOS tiene roles importantes en estas aplicaciones específicas y cuáles son algunos de los mecanismos detrás de ellos. Estos hallazgos pueden guiar futuros esfuerzos de investigación y tener implicancias para los avances de las soluciones a estos problemas clínicos.Postprint (published version

Preclinical and clinical studies in oncology and endocrinology with diffuse light

(English) Near-infrared diffuse optical spectroscopy (DOS) techniques are capable of non-invasive measurement of microvascular hemodynamic parameters of deep tissues (>1 cm penetration). One important focus of the field has been applications in oncology, where the characterization of the tumor vasculature could play both a diagnostic and therapeutic role. This is mainly because malignant tissue growth requires the co-option and generation of blood vessels to be supported. Microvessel density, microvascular blood flow and hypoxia have been linked to the progression of the disease, the likelihood of metastasis and patient survival, and can thus guide diagnosis, treatment plans and prognosis. In this thesis, I have applied DOS methodologies in two projects exploiting hemodynamic information for cancer management. The first one consists in the demonstration of a toolbox for the optimization of plasmonic photothermal therapy (PPTT) in mice, while the second focuses on the contribution to the clinical diagnosis of thyroid cancer in nodule patients. PPTT uses plasmonic nanoparticles (NPs) that are injected into the body and act as localized sources of heat upon external illumination to induce tumor cell death. Various aspects of the therapy are modulated by the optical and hemodynamic parameters of tumor tissue and can thus be studied with DOS monitoring. Moreover, it enables simultaneous quantification of NP concentration. Such information can improve the understanding and the outcome of the treatment and accelerate its slow progress to the clinics. To prove this, we conducted experiments using DOS monitoring along PPTT to model the therapy steps and explain the variability among individuals. This was done on patient-derived orthotopic renal cell carcinoma models, injected with gold nanorods and treated with fixed conditions. The hybrid device combined continuous-wave broadband diffuse reflectance (DRS) and diffuse correlation (DCS) spectroscopies. The data was related to the NP accumulation, the temperatures reached during treatment, tumor growth and animal survival. Moreover, we analyzed the underlying mechanisms with simulations and demonstrated the extrapolation of therapy conditions for individual mice. With this, we managed to determine the relevant interactions and prognostic factors to guide the personalization of the therapy in a way that could be readily applied to other PPTT protocols. The second study was part of the LUCA project, which aimed at implementing an ultrasound-guided hybrid DOS device that could be integrated into the clinical workflow of thyroid cancer screening and provide relevant hemodynamic information to improve diagnostic capabilities. The incidence of thyroid cancer has been on the rise for decades and the low specificity of standard screening methods implies tens of thousands of unnecessary thyroid extraction surgeries are carried out each year just in Europe. Therefore, any improvement in the discrimination between benign and malignant nodules can have a relevant impact on the large scale. A clinical campaign was carried out with the LUCA device, a state-of-the-art device combining time-resolved spectroscopy (TRS) and DCS around a regular ultrasound transducer. The properties of thyroid, nodules and neck muscles were measured in nodule patients and healthy volunteers. Data from sixty-six subjects allowed to characterize these tissues, study the effect of demographic and anatomical variables and assess their diagnostic capabilities. In this way, we gathered a large reference data set relevant to various medical applications beyond oncology and identified the most promising indicators of malignancy. With these studies I have shown how the information obtained with DOS has important roles in these particular applications and what are some of the mechanisms behind them. These results can guide the future steps of research endeavors and have implications for the advancement of solutions to these clinical problems.(Català) L'espectroscòpia d'òptica difusa (DOS) a l'infraroig proper permet mesurar de manera no invasiva els paràmetres hemodinàmics microvasculars de teixits profunds (penetració >1 cm). En oncologia, s'ha enfocat a caracteritzar la vasculatura tumoral per a usos diagnòstics i terapèutics, ja que el creixement de teixit maligne requereix el reclutament i la generació de vasos sanguinis per a ser mantingut. La progressió de la malaltia, metàstasi i supervivència del pacient s'han vinculat amb la densitat de microvasos, el flux sanguini i la hipòxia i, per tant, permeten guiar el diagnòstic, tractament i prognosi. En aquesta tesi, he aplicat metodologies DOS en dos projectes que aprofiten la informació hemodinàmica per al maneig del càncer. El primer consisteix en la demostració d'un conjunt d'eines per a l'optimització de la teràpia plasmònica fototèrmica (PPTT) en ratolins i el segon se centra en el diagnòstic clínic del càncer de tiroide en pacients amb nòduls. La PPTT utilitza nanopartícules plasmòniques (NP) que s'injecten al cos i actuen com a fonts localitzades de calor en ser il·luminades, induint la mort de les cèl·lules tumorals. Diversos aspectes de la teràpia són afectats pels paràmetres òptics i hemodinàmics del teixit tumoral i, per tant, es poden estudiar amb monitoratge DOS. A més a més, la DOS permet la quantificació simultània de la concentració de NP. Aquesta informació pot millorar la comprensió i el resultat del tractament, accelerant el seu avanç cap a la pràctica clínica. Per provar això, vam utilitzar el monitoratge DOS al llarg de la PPTT per modelar la teràpia i explicar la variabilitat entre individus. Això es va realitzar en models ortotòpics de carcinoma de cèl·lula renal derivat de pacient, utilitzant nanocilindres d'or i un tractament fix. El dispositiu híbrid combina les tècniques de continuous-wave broadband diffuse reflectance spectroscopy (DRS) i diffuse correlation spectroscopy (DCS). Les dades es van relacionar amb l'acumulació de NP, les temperatures assolides durant la PPTT, el creixement tumoral i la supervivència. Addicionalment, mitjançant simulacions, vam analitzar els mecanismes subjacents i vam demostrar l'extrapolació de les condicions de teràpia per a cada individu. Amb això, vam aconseguir determinar les interaccions rellevants i els factors pronòstics per personalitzar la teràpia d'una manera fàcilment aplicable a altres protocols de PPTT. El segon estudi va formar part del projecte LUCA, el qual ha tingut com a objectiu implementar un dispositiu DOS híbrid guiat per ultrasons que pogués integrar-se en el flux clínic de detecció de càncer de tiroide i proporcionar informació rellevant per a millorar el diagnòstic. La incidència del càncer de tiroide porta dècades en augment i la baixa especificitat dels mètodes de detecció estàndard implica que cada any es realitzen desenes de milers de tiroidectomies innecessàries a Europa. Per tant, qualsevol millora en la discriminació de nòduls malignes pot tenir un impacte significatiu. Es va dur a terme una campanya clínica amb un dispositiu de última generació que combina time-resolved spectroscopy (TRS) i DCS en un transductor d'ultrasons. Les propietats de la tiroide, nòduls i músculs del coll es van mesurar en pacients amb nòduls i voluntaris sans. Les dades de seixanta-sis subjectes van permetre caracteritzar aquests teixits, estudiar l'efecte de les variables demogràfiques i anatòmiques i avaluar les capacitats de diagnòstic. D'aquesta manera, vam reunir un gran conjunt de dades, rellevant com a referència per a diverses aplicacions mèdiques més enllà de l'oncologia, i vam identificar els indicadors de malignitat més prometedors. Amb aquests estudis, he demostrat com la informació obtinguda amb DOS té rols importants en aquestes aplicacions específiques i alguns dels mecanismes darrere d'ells. Aquests troballes poden guiar futurs esforços d'investigació i tenir implicacions en els avenços de les solucions a aquests problemes clínics.(Español) La espectroscopía de óptica difusa (DOS) en el infrarrojo cercano permite medir de forma no invasiva los parámetros hemodinámicos microvasculares de tejidos profundos (penetración >1 cm). En oncología, se ha enfocado en caracterizar la vasculatura tumoral para usos diagnósticos y terapéuticos, ya que el crecimiento de tejido maligno se mantiene con el reclutamiento y la generación de vasos sanguíneos. La progresión de la enfermedad, metástasis y supervivencia del paciente se han vinculado con la densidad de microvasos, el flujo sanguíneo e hipoxia, por lo que permiten guiar el diagnóstico, tratamiento y prognosis. En esta tesis, he aplicado metodologías DOS en dos proyectos que explotan la información hemodinámica para el manejo del cáncer. El primero consiste en la demostración de un conjunto de herramientas para la optimización de la terapia fototérmica plasmónica (PPTT) en ratones y el segundo se centra en el diagnóstico clínico del cáncer de tiroides en pacientes con nódulos. La PPTT utiliza nanopartículas plasmónicas (NP) que se inyectan en el cuerpo y actúan como fuentes localizadas de calor al ser iluminadas, induciendo la muerte de las células tumorales. Varios aspectos de esta terapia son afectados por los parámetros ópticos y hemodinámicos del tejido tumoral, por lo que pueden estudiarse con monitoreo DOS. Además, permite la cuantificación simultánea de la concentración de NP. Dicha información puede mejorar la comprensión y el resultado del tratamiento, acelerando su avance hacia la práctica clínica. Para probar esto, usamos monitoreo DOS a lo largo de la PPTT para modelar la terapia y explicar la variabilidad entre individuos. Esto se realizó en modelos ortotópicos de carcinoma de célula renal derivado de paciente, utilizando nanorods de oro y un tratamiento fijo. El dispositivo híbrido combina las técnicas de continuous-wave broadband diffuse reflectance spectroscopy (DRS) y diffuse correlation spectroscopy (DCS). Los datos se relacionaron con la acumulación de NP, las temperaturas alcanzadas durante la PPTT, el crecimiento tumoral y la supervivencia. Además, mediante simulaciones, analizamos los mecanismos subyacentes y demostramos la extrapolación de las condiciones de terapia para cada individuo. Con esto logramos determinar las interacciones relevantes y los factores pronósticos para personalizar la terapia de una forma fácilmente aplicable a otros protocolos de PPTT. El segundo estudio formó parte del proyecto LUCA, cuyo objetivo fue implementar un dispositivo DOS híbrido guiado por ultrasonido a incorporar en el flujo clínico de detección de cáncer de tiroides y proporcionar información relevante para mejorar el diagnóstico. La incidencia del cáncer de tiroides lleva décadas en aumento y la baja especificidad de los métodos de detección estándar implica que cada año se realizan decenas de miles de tiroidectomías innecesarias en Europa. Por lo tanto, cualquier mejora en la discriminación de nódulos malignos puede tener un impacto significativo. Se llevó a cabo una campaña clínica con un dispositivo que combina time-resolved spectroscopy (TRS) y DCS en un transductor de ultrasonido. Las propiedades de tiroides, nódulos y músculos del cuello se midieron en pacientes con nódulos y voluntarios sanos. Los datos de sesenta y seis sujetos permitieron caracterizar estos tejidos, estudiar el efecto de las variables demográficas y anatómicas, y evaluar las capacidades diagnósticas. De esta manera, reunimos un conjunto extenso de datos, relevante como referencia para diversas aplicaciones médicas más allá de la oncología, e identificamos los indicadores de malignidad más prometedores. Con estos estudios he demostrado cómo la información obtenida con DOS tiene roles importantes en estas aplicaciones específicas y cuáles son algunos de los mecanismos detrás de ellos. Estos hallazgos pueden guiar futuros esfuerzos de investigación y tener implicancias para los avances de las soluciones a estos problemas clínicos.DOCTORAT EN FOTÒNICA (Pla 2013