Multimodal applications of functional near-infrared spectroscopy

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Ilmoniemi, Risto, Academy Prof., Aalto University, Finland
dc.contributor.author Näsi, Tiina
dc.date.accessioned 2013-04-02T09:00:09Z
dc.date.available 2013-04-02T09:00:09Z
dc.date.issued 2013
dc.identifier.isbn 978-952-60-5070-6 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5069-0 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/8960
dc.description.abstract With the population of the world getting older, the number of patients suffering from brain disorders is increasing. To tackle this challenge, safe, affordable, and easy-to-use methods for screening, diagnosing, and treating these disorders are needed. Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS), an optical method for monitoring blood circulatory changes related to brain activity, fulfills these requirements. However, it is still not in wide clinical use­—partly because the measured physiological phenomena are complex and therefore sometimes difficult to interpret. This Thesis demonstrates that fNIRS can be combined with other modalities to investigate phenomena that cannot be studied with separate recordings. Such multimodal measurements aid in characterizing and understanding physiological artifacts in fNIRS signals, and they can be used in various clinical applications. This Thesis focuses on the applications of monitoring sleep and characterizing effects of transcranial magnetic stimulation (TMS), a technique for diagnosing and treating various neurological and psychiatric disorders. The results in sleep monitoring show that circulatory changes recorded with fNIRS complement previous knowledge of the electrophysiological characteristics of sleep. Furthermore, some observations may be related to harmful effects of sleep disorders on the vasculature. In awake subjects, the developed multimodal method can serve in investigating neurovascular coupling. Altogether, the work contributes to methodology and analysis techniques for monitoring circulation during sleep and establishes a solid base for applying them in clinical settings. The results in recording effects of TMS suggest that TMS-evoked fNIRS responses should be interpreted with caution; fNIRS signals contain physiological artifacts during TMS. Furthermore, fNIRS signals are affected by changes in scalp circulation during mental and physical stress, but this problem can be alleviated by separating the changes in scalp and brain circulation with diffuse optical tomography. The reported observations increase the understanding about the origin of fNIRS signals, contribute to techniques for removing artifacts, and thus advance the usability of fNIRS in monitoring effects of TMS or sleep. en
dc.description.abstract Aivosairauksista kärsivien ihmisten määrä kasvaa maailman väestön ikääntyessä. Samalla myös näiden sairauksien seulontaan, diagnosointiin ja hoitoon käytettävien turvallisten, edullisten ja helppokäyttöisten menetelmien tarve lisääntyy. Toiminnallinen lähi-infrapunaspektroskopia (fNIRS) täyttää nämä vaatimukset. Se on menetelmä, jolla mitataan optisesti aivotoiminnan seurauksena aivojen verenkierrossa tapahtuvia muutoksia. Hyvistä ominaisuuksistaan huolimatta fNIRS ei ole kuitenkaan laajassa kliinisessä käytössä. Tämä johtuu osittain siitä, että menetelmän mittaamat fysiologiset ilmiöt ovat monimutkaisia ja siten toisinaan hankalia tulkita. Tämä väitöskirja osoittaa, että yhdistämällä fNIRS muihin menetelmiin voidaan tutkia ilmiöitä, joihin yksittäisillä menetelmillä ei päästä käsiksi. Tällaiset mittaukset auttavat luonnehtimaan ja ymmärtämään fNIRS-signaaleita. Lisäksi niillä on monia kliinisiä sovelluskohteita, joista tämä väitöskirja keskittyy unen seurantaan ja aivojen magneettistimulaation (TMS) vaikutusten mittaamiseen. TMS:ää voidaan käyttää monien neurologisten ja psykiatristen sairauksien diagnosointiin ja hoitoon. Unen seurantaan liittyvät tulokset osoittavat, että fNIRS:llä mitatut verenkierron muutokset täydentävät aiempaa elektrofysiologisten mittausten perusteella saatua tietämystä aivotoiminnan piirteistä unen aikana. Lisäksi osa havainnoista saattaa olla yhteydessä unisairauksien aiheuttamiin haitallisiin muutoksiin verisuonistossa. Hereillä olevilla koehenkilöillä samoja tekniikoita voidaan soveltaa hermoston ja verisuonten välisen kytkennän tutkimiseen. Kaiken kaikkiaan työssä kehitetyt menetelmät verenkierron monitorointiin unen aikana luovat vankan pohjan niiden käytölle kliinisessä ympäristössä. Tulokset TMS:n vaikutusten mittaamisesta viittaavat siihen, että TMS:n aikaisten fNIRS-signaalien tulkinnassa tulee noudattaa erityistä varovaisuutta; fNIRS-signaalit sisältävät fysiologisia häiriötä TMS:n aikana. Lisäksi muutokset päänahan verenkierrossa häiritsevät aivoperäisten fNIRS-signaalien mittaamista fyysisen ja henkisen kuormituksen aikana, mutta häiriöitä voidaan lieventää erottelemalla pinnasta ja aivoista lähtöisin olevat signaalit diffuusin optisen tomografian avulla. Väitöskirjassa esitetyt havainnot täydentävät aiempaa tietämystä fNIRS-signaalien alkuperästä, auttavat häiriöiden poistossa ja näin ollen edistävät fNIRS:n käytettävyyttä TMS:n vaikutusten ja unen mittaamisessa. fi
dc.format.extent 68 + app. 61
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 45/2013
dc.relation.haspart [Publication 1]: T. Näsi, K. Kotilahti, T. Noponen, I. Nissilä, L. Lipiäinen, and P. Meriläinen. Correlation of visual-evoked hemodynamic responses and´potentials in human brain. Experimental Brain Research, 202:561–570, May 2010.
dc.relation.haspart [Publication 2]: T. Näsi, J. Virtanen, T. Noponen, J. Toppila, T. Salmi, and R. J.Ilmoniemi. Spontaneous hemodynamic oscillations during human sleep and sleep stage transitions characterized with near-infrared spectroscopy. PLoS ONE, 6:e25415, Oct 2011.
dc.relation.haspart [Publication 3]: T. Näsi, J. Virtanen, J. Toppila, T. Salmi, and R. J. Ilmoniemi. Cyclic alternating pattern is associated with cerebral hemodynamic variation: a near-infrared spectroscopy study of sleep in healthy humans. PLoS ONE, 7:e46899, Oct 2012.
dc.relation.haspart [Publication 4]: T. Näsi, H. Mäki, K. Kotilahti, I. Nissilä, P. Haapalahti, and R. J. Ilmoniemi. Magnetic-stimulation-related physiological artifacts in hemodynamic near-infrared spectroscopy signals. PLoS ONE, 6:e24002, Aug 2011.
dc.relation.haspart [Publication 5]: T. Näsi, H. Mäki, P. Hiltunen, J. Heiskala, I. Nissilä, K. Kotilahti, and R. J. Ilmoniemi. Effect of task-related extracerebral circulation on diffuse optical tomography: experimental data and simulations on the forehead. Biomedical Optics Express, 4:412–426, Mar 2013.
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.subject.other Medical sciences en
dc.title Multimodal applications of functional near-infrared spectroscopy en
dc.title Toiminnallinen lähi-infrapunaspektroskopia monimenetelmäsovelluksissa fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen tieteen laitos fi
dc.contributor.department Department of Biomedical Engineering and Computational Science en
dc.subject.keyword near-infrared spectroscopy en
dc.subject.keyword diffuse optical tomography en
dc.subject.keyword transcranial magnetic stimulation en
dc.subject.keyword sleep en
dc.subject.keyword hemodynamic monitoring en
dc.subject.keyword physiological artifact en
dc.subject.keyword lähi-infrapunaspektroskopia fi
dc.subject.keyword diffuusi optinen kuvantaminen fi
dc.subject.keyword aivojen magneettistimulaatio fi
dc.subject.keyword uni fi
dc.subject.keyword verenkierron seuranta fi
dc.subject.keyword fysiologinen häiriö fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5070-6
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Ilmoniemi, Risto, Academy Prof., Aalto University, Finland
dc.opn Villringer, Arno, Prof., Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences, Germany
dc.rev Tarvainen, Tanja, Docent, University of Eastern Finland, Finland
dc.rev Fantini, Sergio, Prof., Tufts University, USA
dc.date.defence 2013-04-12


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account