Aufgrund von Vorbereitungen auf eine neue Version von KOPS, können am Montag, 6.2. und Dienstag, 7.2. keine Publikationen eingereicht werden. (Due to preparations for a new version of KOPS, no publications can be submitted on Monday, Feb. 6 and Tuesday, Feb. 7.)
Type of Publication: | Dissertation |
URI (citable link): | http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:352-opus-38034 |
Author: | Dietsche, Gregor |
Year of publication: | 2007 |
Title in another language: | Optical imaging of functional brain activity with multiple scattered light |
Summary: |
In der vorliegenden Arbeit wurden menschliche Hirnfunktionen nicht-invasiv mittels dynamischer Vielfachstreuung von nahem infrarotem Licht [Diffusing Wave Spectroscopy (DWS)] nachgewiesen.
Es wurde ein Experiment entwickelt, das die kontinuierliche Messung von DWS-Signalen mit variablen Integrationszeiten zwischen 13 und 105 ms erlaubt. Der Multi-Speckle-Aufbau besteht aus einem Array von Avalanche-Photodioden zur Messung der Photonenzählrate und einem neu entwickelten 32-Kanal-Multi-Tau-Korrelator zur parallelen Autokorrelation der gemessenen Intensitätsfluktuationen. Als Empfänger dienen Bündel aus optischen Monomode-Fasern. Durch die simultane Messung mehrerer statistisch unabhängiger, aber äquivalenter Speckles lässt sich das DWS-Signal mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis selbst bei niedrigen Zählraten und sehr kurzen Integrationszeiten messen. Durch die externe PC-Steuerung des Korrelators konnte der Aufbau für zeitaufgelöste Messungen der Streuerdynamik in spezifischen Arealen der Hirnrinde verwendet werden. In Abhängigkeit von Stimulationen mit visuellen und motorischen Reizen, sowie durch Hyperventilation und Gedächtnisübungen wurde die Reaktion der Hirnrinde untersucht. Dabei ist es das erste Mal gelungen die funktionellen Veränderungen des Blutflusses im menschlichen Gehirn vollständig nicht-invasiv mit einer optischen Methode nachzuweisen. Eine Analyse der Daten von Motorstimulations-Experimenten mit einem Mehrschicht-Modell des menschlichen Kopfes zeigte einen signifikanten kontralateralen Anstieg des Diffusionskoeffizienten der Streuer im Areal C3 der motorischen Hirnrinde um ca. 40%. Demgegenüber steht ein geringerer Anstieg des Diffusionskoeffizienten im gleichen Areal von ungefähr 20% für ipsilaterale Stimulation. Diese hemisphärische Asymmetrie zeigt, dass das DWS-Signal für hinreichend lange Quelle-Empfänger-Abstände einen signifikanten Beitrag der Streuerdynamik der Hirnrinde enthält. Im visuellen Kortex liegt der aktivierte Bereich tiefer unter der Schädeldecke als im motorischen Kortex. Mit unserem Multi-Speckle-Aufbau konnten hier funktionelle Änderungen in der Zerfallszeit der Autokorrelationsfunktionen von ca. 4% für die Dauer der Stimulation nachgewiesen werden. Dieser Effekt war um ca. 42% größer als die Verringerung des NIRS-Signals und belegt die hohe Empfindlichkeit von DWS gegenüber Änderungen in der Durchblutung tiefer Bereiche in der Hirnrinde. Eine Veränderung des DWS-Signals kann auch bei Gedächtnisübungen über dem linken präfrontalen Kortex gemessen werden. Anhand von Messungen an einem Phantom-Modell erfolgte eine quantitative Überprüfung der theoretischen Voraussagen für das DWS-Signal von Mehrschicht-Geometrien auf der Basis der Korrelations-Diffusions-Gleichung. Es zeigte sich, dass sich Änderungen der Parameter einzelner Schichten, wie z.B. die Diffusionskonstante im Kortex, bei Kenntnis der übrigen konstanten Parameter mit hoher Genauigkeit bestimmen lassen. Messungen mit dem Multi-Speckle-Aufbau an arteriellem und venösem Blutfluss zeigten einen deutlich schnelleren Zerfall der Autokorrelationsfunktionen in der systolischen gegenüber der diastolischen Phase. Dieser Anstieg der Zerfallsrate von ungefähr 200% für arterielle und venöse Signale liegt deutlich oberhalb der Schwankungen der transmittierten Intensität von unter 4%. |
Summary in another language: |
In the present thesis we detected activation of human cortex non-invasiv by using near-infrared dynamic multiple scattering of light [Diffusing Wave Spectroscopy (DWS)].
An experiment has been developed which allows the continuous measurement of DWS signals with variable integration times between 13 and 105 ms. The multi-speckle setup is based on an array of avalanche photodiodes to detect the photon count rate and a new developed 32 channel-multi-tau correlator for the parallel autocorrelation of the measured intensity fluctuations. As receiver we used a bundle of optical monomode fibers. By parallel detection of several statistically independent, but equivalent speckles a DWS signal with a good signal to noise ratio can be measured, even with low count rates and very short integration times. Due to the external control of the correlator by a PC the setup could be used for timeresolved measurements of scatterer dynamics in specific areas of the cortex. In dependence of visual and motoric stimulations, as well as by hyperventilation and memory task the reaction of the cortex has been probed. Thereby functional changes of the blood flow in human brain could be detected the first time with an optical method completely non-invasive. An analysis of the data from experiments with motoric stimulations by using a multi-layer model of the human brain showed a significant increase of the contralateral diffusion coefficient of the scatterers in the area C3 of the motor cortex by approximately 40%. On the other hand there is an increase in the diffusion coefficient of about 20% in the same area of the cortex for ipsilateral stimulation. This hemispheric asymmetry shows that the DWS signal contains a significant contribution to the scatterer dynamics of the cortex for sufficient source-receiver distances. In the visual cortex the activated area is located deeper under the skullcap as in the somato-motor cortex. With our multi-speckle setup we could detect functional changes in the decay time of the autocorrelation functions of approximately 4% for the duration of the stimulation period. This effect was approximately 42% higher as the decrease of the NIRS signal and allocates the high sensitivity of DWS against changes in the perfusion of deep areas in the cortex. A change of the DWS signal can also be verified during memory tasks over the left prefrontal cortex. With measurements at a phantom model a quantitative check of the theoretical forecasts occurred for the DWS signal of a multi-layer geometry on base of the correlation-diffusion equation. It was shown that changes in the parameters of individual layers, such as e. g. the diffusion coefficient in the cortex, can be defined with a high accuracy by knowledge of the other constant parameters. Measurements with the multi-speckle setup on aterial and venous blood flow showed a significant faster decay of the autocorrelation functions in the systolic opposite to the diastolic phase. This increase in the decay rate of approximately 200% for aterial and venous signals is significant above the fluctuations of the transmitted intensity which is lower than 4%. |
Examination date (for dissertations): | Jul 24, 2007 |
Dissertation note: | Doctoral dissertation, University of Konstanz |
Subject (DDC): | 530 Physics |
Controlled Keywords (GND): | Diffuse Streuung, Dynamische Lichtstreuung, Optische Abbildung, Hirnfunktion |
Keywords: | nicht-invasive Abbildung, Dynamische Vielfachstreuung, optische Abbildung von Gehirnfunktionen, diffusing-wave spectroscopy, noninvasive imaging, optical brain imaging, light scattering, speckle |
Link to License: | In Copyright |
DIETSCHE, Gregor, 2007. Optische Abbildung von Gehirnfunktionen mit vielfach gestreutem Licht [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
@phdthesis{Dietsche2007Optis-9269, title={Optische Abbildung von Gehirnfunktionen mit vielfach gestreutem Licht}, year={2007}, author={Dietsche, Gregor}, address={Konstanz}, school={Universität Konstanz} }
Dietsche_diss.pdf | 329 |