Optimization of Array Designer: a Matlab GUI for fNIRS optode placement

In the early 1990s, studies on the optical properties of light led to the development of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS), a non-invasive neuroimaging technique that allows the monitoring of brain activity by measuring changes in blood oxygenation. Thanks to its portability, low cost and safe use, fNIRS has found wide application in the study of the brain in neonatology and paediatrics contexts, as well as to study brain activity during everyday activities, where other techniques are less feasible. The use of optodes placed on the scalp makes it possible to collect haemodynamic data without the need for invasive procedures. However, to date, no universally recognised standardisation system exists for optimal optodes positioning, which has led to the development of customisable software solutions—many of them based on programming environments such as MATLAB—aimed to optimize the array configuration based on the available equipment. The work reported in this thesis aims to illustrate the changes and implementations made to the source code of ROI Builder, one of the two main modules of the Array Designer software, designed to support the design of optode arrays based on the definition of Regions of Interest (ROIs) on the cortical surface that the user would like to investigate. The changes introduced are intended to improve the tool's usability and flexibility, in order to facilitate the design of customised arrays according to experimental needs. In this context, the use of MATLAB’s App Designer environment is also explored, with a focus on key concepts such as the creation of a graphical interface (GUI) and the implementation of callback functions—key elements for managing user interaction. To support the technical analysis, the thesis also provides a theoretical overview of functional near-infrared spectroscopy, including the description of the forward modelling and the use of the MNI (Montreal Neurological Institute) coordinate system, which enables each point in cerebral space to be uniquely defined using a right-handed orthogonal axes.

Nei primi anni ’90 del Novecento, gli studi sulle proprietà ottiche della luce hanno portato allo sviluppo della spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS), una tecnica di neuroimaging non invasiva che consente di monitorare l’attività cerebrale attraverso la misurazione delle variazioni di ossigenazione del sangue. Grazie alla sua portabilità, al costo contenuto e alla sicurezza d’uso, la fNIRS ha trovato ampia applicazione nello studio del cervello in ambito neonatale e pediatrico e nello studio dell'attività cerebrale durante compiti quotidiani, dove altre tecniche risultano meno praticabili. L’utilizzo di optodi posizionati sullo scalpo rende possibile la raccolta di dati emodinamici senza la necessità di procedure invasive. Tuttavia, ad oggi non esiste un sistema di standardizzazione universalmente riconosciuto per il posizionamento ottimale degli optodi, il che ha portato allo sviluppo di soluzioni software personalizzabili, molte delle quali basate su ambienti di programmazione come MATLAB, e volte a ottimizzare la configurazione degli array in base alla strumentazione disponibile. Il presente elaborato ha l’obiettivo di illustrare le modifiche e le implementazioni apportate al codice sorgente di ROI Builder, uno dei due moduli principali del software Array Designer, progettato per supportare lo sviluppo di array di optodi basati sulla definizione di Regioni di Interesse (ROIs) della superficie corticale che l'utilizzatore vorrebbe indagare. Le modifiche effettuate mirano a migliorare l’usabilità e la flessibilità dello strumento, con l’intento di facilitare la progettazione di array personalizzati in funzione delle esigenze sperimentali. In questo contesto, viene inoltre approfondito l’utilizzo dell’ambiente App Designer di MATLAB, chiarendo i concetti fondamentali legati alla creazione di un'interfaccia grafica (GUI) e all’implementazione delle funzioni di callback, elementi chiave per la gestione dell’interazione con l’utente. A supporto dell’analisi tecnica, la tesi fornisce anche una trattazione teorica della spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso, includendo la descrizione del problema diretto (forward problem) e l’impiego del sistema di coordinate MNI (Montreal Neurological Institute), che consente di definire in maniera univoca i punti nello spazio cerebrale attraverso una terna trirettangola di assi ortogonali.