Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4188
Main Title: High-resolution 3D diffuse optical tomography for non-invasive functional brain imaging in the sub-centimeter range
Translated Title: Hochaufgelöste dreidimensionale Diffuse Optische Tomographie für nicht-invasive funktionelle Bildgebung am Gehirn
Author(s): Habermehl, Christina
Advisor(s): Steinbrink, Jens
Schmitz, Christoph
Referee(s): Müller, Klaus-Robert
Dehghani, Hamid
Steinbrink, Jens
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Aktivierungen von Gehirnarealen verursachen lokale Änderungen des Blutvolumens sowie der Sauerstoffversorgung. Diese wiederum verursachen Absorptionsänderungen von Licht im nahinfraroten Bereich. Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) ist in der Lage, diese Absorptionsänderungen erfassen, indem Licht punktuell in den Kopf gegeben und wenige Zentimeter entfernt von Detektoren erfasst wird. In den letzten zwei Jahrzehnten entwickelte sich die NIRS zu einem viel genutzten funktionellen Bildgebungsverfahren. Zur Erhöhung der räumlichen Auflösung, kann Anzahl der optischen Fasern erhöht und zusätzlich können sie in engerem Abstand zueinander auf der Kopfhaut angebracht werden. Dieser Ansatz wird Diffuse Optische Tomographie (DOT) genannt. Eine hohe Anzahl von Messkanälen in Kombination mit einem Verfahren zur Bildrekonstruktion führen im Ergebnis zu dreidimensionale Karten von Absorptionsänderungen (und damit lokaler Aktivierungen) im Gehirn. Obwohl die optische Tomographie der klassischen NIRS in vielen Punkten überlegen ist, wird sie bisher nur von wenigen Gruppen angewandt. Offene Fragen dieser Methode umfassen unter anderem i) optimale Rekonstruktionsalgorithmen, fehlende Evaluation in Simulationsstudien sowie daraus resultierend fehlende in vivo Daten. Im Rahmen dieser Dissertation werden diese drei Themenkomplexe ausführlich behandelt. In der Simulationsstudie generiere ich realistische Daten indem ein Rauschmodell verwendet wird, dass auf in vivo Messungen basiert. Es werden verschiedene Methoden implementiert und bewertet, darunter häufig verwendete lineare Verfahren sowie deren tiefen- und rauschgewichtete Varianten aber auch kürzlich eingeführte 'sparse' Methoden. Zwei dieser sparsen Methoden werden von aus dem Bereich der EEG- Quellenlokalisation adaptiert und im Rahmen dieser Arbeit erstmals auf das DOT-Rekonstruktionsproblem angewandt. Im Rahmen dieser Evaluation schlage ich auch ein objektiviertes Verfahren zur Regularisierung des unterbestimmten inversen Problems vor. Dies ermöglicht die unvoreingenommene und datenbasierte Bildrekonstruktion für den Fall, dass lineare Methoden verwendet werden. Ich kann zeigen, dass diese häufig angewandten Methoden schnelle und ausreichend genaue Ergebnisse liefern. Die Präzision kann jedoch mit sparsen Methoden erhöht werden. Unabhängig vom Signal-zu-Rausch- Verhältnis, kann der LCMV Beamformer einzelne Aktivierungen mit der größten Genauigkeit rekonstruieren. Bei mehreren korrelierten Aktivierungen führt die minimum l1-norm Abschätzung zum besten Resultat. Der zweite Teil widmet sich intensiv den Möglichkeiten von DOT als in vivo Bildgebungsverfahren. Zuerst präsentiere ich eine Studie zum somatosensorischen System, in der ich zeige, dass eine räumliche laterale Auflösung von unter einem Zentimeter erreicht werden kann. Weiterhin zeige ich, dass DOT und funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) zu einem großen Teil vergleichbare Ergebnisse liefern. Die sich anschließende Studie zu kontrastmittelverstärkter Bildgebung zeigt, dass extra- und intrazerebrale Schichten räumlich gut voneinander getrennt werden können. Ich zeige das frühe Ansteigen der Absorption in kortikalen Schichten sowie das späte Auswaschen in den oberen Hautschichten. Die dritte Studie befasst sich mit der DOT im Ruhezustand (resting state). Ich zeige ein mit DOT erstelltes Tiefenprofil sogenannter spontaner hämodynamischer Schwingungen. Wir finden niederfrequente Schwingungen im Bereich von 0,1Hz sowohl im Gehirn als auch in der Haut, Pulssignale jedoch werden überwiegend in den Hautschichten lokalisiert.
Focal brain activity is accompanied by a metabolic demand and local changes in blood volume and oxygenation, which in turn results in changes of the absorption properties of the brain tissue. These changes can be determined by near infrared spectroscopy (NIRS). During the last two decades, NIRS has emerged as a tool for functional brain imaging that can detect these absorption changes. Light is applied to the head from discrete locations and detected a few centimeters away. However, the topographic spatial resolution is in the order of a few centimeters. This is rather poor compared to other brain imaging methods such as functional magnetic resonance imaging (fMRI). To enhance the spatial resolution of the method, an increased number of optical point sources and detectors can be applied in a dense grid with overlapping probing volumes (high-density measurement). This approach is termed Diffuse Optical Tomography (DOT). In DOT, measured light intensity changes from hundreds of optical data channels need to be reconstructed in order to achieve a 3D representation of changes of absorption properties. Although DOT is advantageous over classical NIRS-topography, it has only been reported by few specialized laboratories. This is mainly due to the many open questions such as i) optimal reconstruction algorithms, ii) missing evaluations in simulations and iii) missing in vivo data. With this thesis I aim to address all three issue by evaluations in computer simulations of functional brain activation, in vivo measurements during a somatosensory stimulation, contrast enhanced brain imaging and resting-state measurements. For the simulation study, I mimic a highly realistic DOT measurement by adding noise that originated from an in vivo measurement. In contrast to the usually added white noise, this model preserves all specific features such as hemodynamic fluctuations and distance-dependent noise levels, which often affect the reconstruction quality. To test the theoretical boundaries of the method and to find the optimal reconstruction method, I implement and evaluate frequently used linear methods, depth and noise-weighted variations of these methods, and recently proposed sparse methods. Two of these sparse methods are adapted from the EEG source localization problem and I introduce them to cerebral DOT for the first time. In the course of this evaluation, I propose an objective process for regularization to solve the under-determined inverse problem of DOT. This allows the un-biased and data driven image reconstruction when linear methods are used. I show that linear reconstruction methods provide fast and adequate results. However, their accuracy can be increased by implementing sparse algorithms, albeit at the expense of computational time and effort. Independent of the applied noise level, I find that the linearly constrained minimum variance (LCMV) beamformer is best for single spot activations with perfect location and focality of the result, whereas the minimum l1-norm estimate succeeds with multiple targets. The central contribution of this thesis is a broad evaluation of how far the limits of DOT as a functional and physiological brain imaging tool can be pushed. Therefore, a large part of this work is dedicated to the in vivo ability of high-density DOT. For the study on somatosensory stimulation I show that a spatial resolution of less than one centimetre can be obtained. Additionally, DOT and fMRI find comparable lateral positions in seven out of ten finger representations. The study on contrast enhanced imaging succeeds in the attempt of showing the separation of intra- and extra cerebral tissue by tracking the bolus of safe dye. I show the early arrival of the contrast agent in deeper (cortical) layers and the late wash out from superficial (skin) layers. The last study utilizes resting state measurements and demonstrates that DOT allows a depth pro ling of spontaneous hemodynamic rhythms in the adult head. Low frequency oscillations (0.1Hz) are found in cortical but also superficial voxels, whereas heart beat signals are localized within superficial layers.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-56691
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4485
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4188
Exam Date: 8-Sep-2014
Issue Date: 2-Oct-2014
Date Available: 2-Oct-2014
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Bildgebungsverfahren
Diffuse Optische Tomographie
Inverses Problem
Brain imaging
Diffuse optical tomography
Image reconstruction
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