Generating head models for diffuse optical tomography of the child brain
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2019-01-28
Department
Major/Subject
Biomedical Engineering
Mcode
SCI3059
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
59 + 8
Series
Abstract
Diffuse optical tomography (DOT) provides a practical method for studying cortical brain activity in toddlers. In DOT, tissue is illuminated with near-infrared light to estimate the three-dimensional distribution of optical parameter changes that result from the hemodynamic response to neuronal activity. This is an inverse problem where the correctness of the result is very sensitive to the accuracy of the forward solution. The forward solution requires an optical model of the head, including a segmented anatomical model, locations of the optodes (sources and detectors) and the baseline optical parameters of the tissue types. This thesis presents improved child-friendly methods for generating the optical model. The first part of the methods is for registering an age-appropriate atlas template to points measured with photogrammetry from the subject's head. The second part enables interpolating the locations of the optodes on the deformed template using the known layout of the measurement probe. The final algorithm performs a Gaussian random search in the parameter space to find the optical parameters. In this thesis, the first two methods were applied for 17 two-year-olds participating in an affective touch study. The average accuracy of the surface registration was 1.7 mm, and the interpolation reconstructed the optode layout with an average error of 0.6 mm. The probe positions also corresponded to the placements according to the photographs. Further study will combine these models with measurements to estimate the optical parameters of two-year-olds, which current literature does not provide.Diffuusi optinen tomografia (DOT) on käytännöllinen menetelmä lasten aivokuoren aktivaatioiden tutkimiseen. Aivohermosolujen sähköinen aktivaatio muuttaa paikallista verenkiertoa ja sitä kautta kudoksen optisia ominaisuuksia. DOT-menetelmässä kudosta läpivalaistaan lähi-infrapunavalolla, jotta saadaan kuvattua optisten parametrien muutosten kolmiulotteinen jakauma. Kyseessä olevan käänteisongelman ratkaisu on erittäin herkkä vastaavan suoran ongelman ratkaisun tarkkuudelle. Suoran ongelman ratkaisemiseksi tarvitaan optinen päämalli, johon kuuluu segmentoitu anatominen malli, optisten kuitujen (valon lähteet ja detektorit) paikat ja kudostyyppien optiset taustaparametrit. Tässä työssä esitetään lapsille suotuisa menetelmäkokonaisuus optisen päämallin tuottamiseksi. Ensiksi kohdehenkilön ikäluokkaa vastaava atlas-malli rekisteröidään henkilön päänpinnan muotoa vastaavaksi. Pään muoto on esitetty fotogrammetrialla mitattujen pisteiden avulla. Tämän jälkeen kuitujen paikat interpoloidaan mallin pinnalla hyödyntämällä niiden tunnettua sijoittelua mittauspäätteessä. Lopuksi valitaan satunnaisesti joukko optisia parametreja kullekin kudostyypille, ja etsitään simuloitua mittausdataa vastaavia suoran ongelman ratkaisuja tuottavat vaihtoehdot. Tässä työssä tuotettiin kuitujen paikoilla varustetut anatomiset mallit seitsemälletoista kaksivuotiaalle, jotka osallistuivat hellää kosketusta käsittelevään tutkimukseen. Rekisteröinnin keskimääräinen tarkkuus oli 1.7 mm, ja kuitujen sijoittelu vastasi tunnettua rakennetta keskimäärin 0.6 millimetrin tarkkuudella. Lisäksi mittauspäätteen sijainti ja asento näyttivät samoilta kuin valokuvissa. Muodostettuja malleja käytetään jatkossa todellisten optisten parametrien määrittämiseen, koska näitä arvoja ei löydy vielä kirjallisuudesta.Description
Supervisor
Ilmoniemi, RistoThesis advisor
Nissilä, IlkkaHyvönen, Nuutti
Keywords
anatomical model, diffuse optical tomography, model registration, optical parameters, photogrammetry