High Powered GASMAS Lung Diagnostics - Towards Larger Geometries

Abstract

The optical technique, Gas in scattering media absorption spectroscopy (GASMAS) shows promise in application to address current challenges in lung monitoring during intensive care, improving respiratory care by allowing for continuous, non-invasive monitoring. While the technique is already developed in neonatal infant care, the patient profile can be expanded by using higher powered laser systems, by increasing the geometries probed.

GASMAS is an optical technique that utilizes the scattering properties of gas-filled porous materials. In lung diagnostics, the lung tissue is probed, assessing the oxygen concentration present in the lungs. Since the light quickly attenuates by the tissue, a stronger light source is required to acquire a signal through larger patients.

To investigate the potential of expanding the geometries, this thesis assesses signal detectability when bulk absorbing material is added to the porous medium. Using a pork encased extruded polystyrene foam model and ex vivo porcine lungs, investigating SNR reduction and the oxygen absorption signal when pork-padding is added.

For high powered illumination, skin heating resulting in tissue damage to the patient was identified as a central risk. To assess this potential obstacle, the heating for different volunteers was assessed using two different illumination methods, free beam and probe illumination, different powers of the laser, along with skin tone and illumination area.

The results showed promise in future clinical applications demonstrating a strong SNR through thick pieces of pork padding both for the extruded polystyrene foam model and for the ex vivo porcine lungs. In heating, the area, illumination method, skin tone and illumination power all showed impacts on the resulting heating, exhibiting predictable patterns that can be used to assess heating risks in future clinical applications.

Both studies indicated a potential for future clinical applications, as well as a need for future research before the method can be implemented.

Popular Abstract (Swedish)

Under Covid-19 pandemin, blev hela värden allvarligt påminda om hur livsviktiga våra lungor är. Under intensivvård övervakas lungorna noga för att snabbt och effektivt kunna åtgärda problem som kan uppstå. De nuvarande metoderna för att diagnostisera kollapsade lungor inkluderar röntgenstrålning. En effektiv metod, men som har några stora nackdelar. Röntgen ger bara en momentan bild av lungtillståndet, men kan inte kontinuerligt övervaka. En potentiell lösning till dessa utmaningar är att använda optiska metoder, som kan kontinuerligt övervaka lungornas funktioner och snabbt meddela sjukhuspersonal när tillståndet försämras.

Den optiska metoden som föreslås kallas GASMAS som står för Gas in scattering media absorption spectroscopy. Simplifierat kan man förklara GASMAS som att belysa huden med laserljus som sprids omkring i lungorna. Syrgas som finns i lungorna absorberar en del av ljuset vid rätt våglängd, vilket gör att man enkelt kan se när syrgaskoncentrationen i lungan reduceras.

Den här tekniken har redan utvecklats för användning på för tidigt födda spädbarn, som allt för ofta besväras av olika lungproblem. Företaget Neola Medical använder en jämförelsevis svag laser för att kontinuerligt övervaka lungaktiviteten hos barnen för att se till att problem snabbt kan åtgärdas. Men det är inte bara för tidigt födda spädbarn som kan få problem med lungorna. Så den här uppsatsen fokuserar på om den här metoden kan utvecklas för att utvidga patientgruppen till användning på större bebisar, barn och vuxna.

För att utforska dessa möjligheter används olika typer av modeller som ska efterlikna lungor. De första testerna görs på fläskinlindad frigolit, som påvisar många liknande egenskaper som lungvävnad. Tester på grislungor har också utförts, och olika tjocklek av fläsk har använts för att efterlikna mänsklig vävnad.

När en laser med högre effekt används uppkommer även ett helt annat problem, hur huden värms av laser-ljuset. Två olika belysningsmetoder undersöktes, både en laserstråle och en optisk prob som används i utvecklade kliniska metoder. Laserns effekt, storleken på ytan som belystes, och hudton utforskades som potentiella bidragande faktorer till hur huden värms av laserljuset.

Slutsatsen av uppsatsen var att de här teknikerna är värdefulla att fortsätta utforskas. En stark signal kunde ses genom grislungorna, även med tjocka bitar fläsk i vägen. Värmestudien påvisade ett linjärt samband mellan ljusets effekt och uppvärmningen samt ett linjärt samband mellan hudton och uppvärmning. Vidare kunde en tydlig skillnad observeras på uppvärmning beroende på belysningsmetod, då proben hindrade huden från att kylas av luften.

• author: Palme, Henrik
• supervisor: Anna-Lena Sahlberg
• organization: Combustion Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: spectroscopy, lung monitoring, neonatal, intensive care, respiratory care, GASMAS, absorption spectroscopy, skin heating, tissue laser heating, gas diagnostics, lungs, pneumothorax
• language: English
• id: 9163937
• date added to LUP: 2024-06-17 13:45:17
• date last changed: 2024-06-17 13:45:17