Continuous-wave near-infrared spectroscopy instrument for noninvasive studies of the human brain

Abstract

Lähi-infrapunaspektroskopia on optinen menetelmä, jolla voidaan tutkia aivokuoren hemodynamiikkaa ei-invasiisivisesti. Menetelmässä tutkittavaan kudokseen lähetetään infrapunavaloa ja mitataan kudoksen pinnalle sironnutta kudoksessa vaimentunutta valoa. Jatkuvan valon tekniikassa mitataan kudoksen läpi kulkeneen valon intensiteettiä (tai tehoa) yhdestä tai useammasta kohdasta.

Tässä työssä suunniteltiin ja toteutettiin edullinen jatkuvan valon lähi-infrapunaspektroskopialaite ihmisaivojen ei-invasiiviseen tutkimiseen Tämä laite, nimeltään NeoBrain (NB), on kehitetty erityisesti vastasyntyneiden lasten aivojen tutkimiseen. Jotta laite soveltuisi mahdollisimman moniin erilaisiin aivotutkimuksiin, sen toteutukselle asetettiin niihin vaadittavat kriteerit. Yksi oleellisimmista vaatimuksista on, että NB:n kohinatason tulisi vastata alle 10 pW:n mitattua optista tehoa, jotta mittauksille tyypillisiä valotehoja voitaisiin havaita pitkillä valonlähteen ja detektorin välisillä etäisyyksillä (> 3 cm).

Työssä selvitettiin myös NB:n suorituskyky, ja osoitettiin sen toteuttavan asetetut vaatimukset. NB:n mitattu RMS-kohinataso (root-mean-square) vastaa noin 1 pW:n detektorilla havaittua valotehoa, mikä on vaaditun < 10 pW:n tason mukainen. Laite täyttää myös kaikki muut suunnitteluvaatimukset, joten NB:n toteutuksen voidaan katsoa onnistuneen hyvin.

Työssä esitetään joitakin NB:llä tehtyjä fysiologisia mittauksia ihmisaivoista havainnollistamaan laitteen käyttökelpoisuutta aivotutkimuksessa. Esitetyt tulokset osoittavat NB:n soveltuvan hyvin ihmisaivojen tutkimukseen, mutta viittavat myös siihen, että aivokuoressa tapahtuvat hemodynaamiset muutokset voivat sekoittua pään pintakerrosten hemodynaamisiin muutoksiin laitteella tehdyissä mittauksissa.

NB:n avulla voidaan lähitulevaisuudessa selvittää edullisten jatkuvan valon lähi-infrapunaspektroskopialaitteiden käyttömahdollisuuksia ihmisaivojen tutkimuksessa.