Search

In recent years, there has been growing interest in developing fiberless and wireless functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) and diffuse optical tomography (DOT) instruments. However, developing such instruments poses multiple challenges, interms of cost, safety, system complexity and achievable signal quality. One crucial factor in developing wireless and fiberless instruments is the appropriate choice of detectors. Currently, the majority of existing wireless and/or fiberless systems use photodiodes due to their low cost and low power requirements. However, under low-light conditions, the SNR of photodiodes diminishes significantly, making them less effective for measurements with long source–detector separations. The silicon photomultiplier (SiPM) is a relatively new type of detector that contains high internal amplification; this makes SiPMs suitable for low-light applications. Although SiPMs can increase signal quality at long source–detector distances, they cost more and have higher power requirements than photodiodes. This thesis presents the design of a multi-distance, multichannel DOT prototype that uses a hybrid detector arrangement. This arrangement uses photodiodes for short-distance measurements (i.e., 1 cm) and silicon photomultipliers for long-distance measurements (i.e., 3 cm and 4.5 cm). The developed system consists of two printed circuit boards (PCBs): a DOT sensor PCB, a data acquisition and control PCB as well as a graphical user interface. The performance of the developed DOT system prototype was validated using a dynamic optical phantom. The results show that the prototype works as intended.

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.

The purpose of this Thesis is to investigate how modern technology can be used for evaluating human cognitive state in the context of human-computer interaction, namely user interface (UI) research. In this work two types of physiological data were collected to measure cognitive load during a task which requires some degree of human-computer interaction. A near-infrared spectroscopy device and eye tacker were used to evaluate cognitive load level during the task and provide an insight into how these data might be used in an adaptive real-time system. A mental calculation task was used as the cognitively demanding learning task, which challenges working memory. Additional difficulty was added using the task presentation: mathematical expressions were either static or moving from the top to the bottom of the screen. Results indicate that tasks of different mental complexity elicit different cognitive responses. With careful interpretation this information can be used in designing environments, suitable for the user. This work have shown that in designing the systems which use physiological measurements, it is crucial to know the possible sources of the noise. For example, in pupillary measurements it is important to control for luminance and physiological changes which affect pupil size along with cognitive load, or to develop methods which discriminate between task-evoked pupil response from other responses. For any real-time system it is necessary to develop the fast and efficient algorithms which produce reliable results with minimal training of the models.

Near infrared spectroscopic imaging (NIRSI) is a non-invasive imaging modality, which is based on a relatively low attenuation of a near infrared light in tissue and different optical properties of different tissues. Infrared light interacts with tissue mostly by absorption and scattering. The aim of NIRSI is to determine the absorption and scattering parameters of tissue or their changes in time in different areas. Functional near infrared spectroscopic imaging is based on the changes in blood volume and oxygenation, which are connected with brain activity through the so called hemodynamic coupling. Phantoms are artificial objects that are used for, for example, quality and calibration measurements. In this thesis, two phantoms were manufactured: a dynamic and an MRI-optical. The dynamic phantom was made to study the effects of systemic slow oscillations, heart pulsation and aliasing on signals from the hemodynamic responses. With the help of the MRI-optical phantom, the use of priori information to improve the quality of optical reconstruction was studied. The dynamic phantom was found to be suitable for simulating the needed phenomena. The changes induced by the movement of different perturbations representing the different phenomena were clearly detectable in the signal. With the help of the MRI-optical phantom, it was concluded that the priori information clearly improved the contrast and the speed of the optical reconstruction., Lähi-infrapunakuvantaminen (NIRSI) on ei-invasiivinen kuvantamismenetelmä, joka perustuu lähi-infrapunavalon suhteellisen heikkoon vaimenemiseen kudoksessa ja eri kudosten erilaisiin optisiin ominaisuuksiin. Infrapunavalo vuorovaikuttaa kudoksen kanssa absorboitumalla ja siroamalla. NIRSI:n tavoitteena onkin määrittää kudoksen absorptio- ja sirontaparametrit tai niiden muutokset ajan funktiona eri alueilla. Toiminnallinen lähi-infrapunakuvantaminen perustuu veren määrän ja happipitoisuuden määrittämiseen, mitkä ovat yhteydessä eri aivoalueiden aktiivisuuteen niin sanotun hemodynaamisen kytkennän kautta. Fantomit ovat keinotekoisia kappaleita, joita käytetään esimerkiksi laadunvarmistusja kalibraatiomittauksiin. Tässä työssä toteutettiin kaksi fantomia: dynaaminen ja MRI-optinen. Dynaaminen fantomi valmistettiin, jotta voidaan tutkia systeemisten hitaiden oskillaatioiden, sykkeen ja aliasoitumisen vaikutusta hemodynaamisista vasteista aiheutuviin signaaleihin. MRI-optisen fantomin avulla tutkittiin priori-tiedon käyttämistä parantamaan optisen rekonstruktion laatua. Dynaamisen fantomin havaittiin soveltuvan hyvin haluttujen ilmiöiden simuloimiseen. Mittaussignaalissa näkyi selkeästi eri ilmiöitä kuvaavien perturbaatioiden aiheuttamat muutokset optisissa ominaisuuksissa. MRI-optisen fantomin avulla havaittiin, että priori-tiedon käyttö parantaa selkeästi optisen rekonstruktion kontrastia ja nopeutta.

Diffuusi optinen kuvantaminen on melko uusi lääketieteellinen kuvantamismenetelmä, joka soveltuu erityisesti vastasyntyneiden aivojen tutkimiseen. Lääketieteellisen tekniikan laboratoriossa Teknillisessä korkeakoulussa on kehitetty taajuusalueen tomografialaitteisto. Tämän työn tarkoitus oli parantaa laitteiston käyttömahdollisuuksia vastasyntyneiden toiminnallisessa aivokuvantamisessa. Laitteistosta tehtiin nopeampi vaihtamalla siinä olevat kaksi kytkintä, jotka ohjaavat laserdiodien lähi-infrapunavalon tutkittavaan kudokseen. Kytkimistä ensimmäinen aikajaottelee eri aallonpituuksia vastaavat laserdiodit. Aikaisemmin käytössä oli kaksi laserdiodia, mutta uusi aallonpituuskytkin mahdollistaa neljän valonlähteen käytön. Toinen kytkin ohjaa aallonpituuskytkimestä ulostulevan valon yhteen kuudestatoista koehenkilön päähän kiinnitetyistä lähdekuiduista. On erittäin tärkeää, että tämä lähdekytkin vuotaa mahdollisimman vähän valoa viereisiin kuituihin, jotta lähdekuitujen välinen ylikuuluminen on merkityksetöntä. Siksi sopivan lähdekytkimen valitseminen on haastavaa. Molemmat uudet kytkimet perustuvat MEMS-tekniikkaan. Ne vaihtavat kanavalta toiselle tyypillisesti 2 ms:ssa. Lähdekytkimen ylikuuluminen mitattiin kaikilla kanavayhdistelmillä. Uusien kytkinten toiminnan todettiin täyttävän niille asetetut vaatimukset ja ne liitettiin osaksi mittalaitteistoa. Keskosten tomografisiin tutkimuksiin kohdistuvan kiinnostuksen takia MEMS-lähdekytkimen vuodon vaikutusta simuloitiin käyttäen kuidunkiinnityskypärän geometriaa. Tämä kypärä on suunniteltu keskosten päänmitoille. Tulosten mukaan uusi kytkin soveltuu tomografisiin tutkimuksiin. Liikeartefaktat voivat huonontaa datan laatua merkittävästi vastasyntyneiden tutkimuksissa. Tämän vuoksi VTI Technologies Oy:n lahjoittama kiihtyvyysanturi otettiin käyttöön uutena keinona havainnoida koehenkilön liikkeitä. Kiihtyvyysanturi osoittautui hyvin sopivaksi vastasyntyneiden tutkimuksiin.

Lähi-infrapunaspektroskopia on ei-invasiivinen menetelmä kudoksen hemodynaamisten muutoksien kuvantamiseen. Lähi-infrapunaspektroskopiassa valoa johdetaan tutkittavaan kudokseen ja takaisin kudoksen pinnalle ohjautunut valo mitataan. Mitatusta valon intensiteetistä voidaan laskea tiettyjen valoa absorboivien aineiden suhteelliset pitoisuudet tutkitussa kudoksessa. Merkittävimmät lähi-infrapuna-alueen valoa absorboivat aineet kudoksessa ovat hapettunut ja hapettumaton hemoglobiini. Lateralisaatioksi kutsutaan aivojen toisen hemisfäärin aktiivisempaa toimintaa jonkin tehtävän suorittamisessa. Auditorinen lateralisaatio on todennettu aikuisilla: vasen hemisfääri hallitsee puheelle tyypillisten, nopeasti muuttuvien äänien käsittelyä ja oikea hemisfääri tarkkaa taajuuserottelua vaativien äänien, kuten musiikin, käsittelyä. Tässä työssä lähi-infrapunaspektroskopiaa on sovellettu auditorisen herätteen synnyttämien hemodynaamisten vasteiden mittaamiseen vastasyntyneillä lapsilla. Mittausten tarkoituksena oli tutkia, voidaanko lähi-infrapunaspektroskopialla löytää viitteitä vastasyntyneiden koehenkilöiden auditorisesta lateralisaatiosta. Mittaukset tehtiin samanaikaisesti molemmilla hemisfääreillä käyttäen puhetta ja musiikkia auditorisena herätteenä. 20 tervettä, vastasyntynyttä koehenkilöä mitattiin kahdessa eri mittaussarjassa. Mittaussarjoissa käytettiin eripituisia ärsykkeitä. Lähi-infrapunaspektroskopisten mittausten luotettavuuden lisäämiseksi kehitettiin menetelmiä optisen signaalin ja muun datan yhdistämiseksi. Koehenkilön liikkeet tallennettiin videolle ja univaiheet arvioitiin mittauksissa mukana olleen hoitajan sekä aivosähkökäyrän, silmänliikesignaalin ja pulssioksimetrin avulla. Data hylättiin niiltä ajanhetkiltä, jolloin koehenkilön liikkeet tai univaiheen muutos olivat saattaneet aiheuttaa muutoksia optiseen signaaliin. Mittaukset tehtiin onnistuneesti ja merkitseviä hemodynaamisia vasteita auditoriselle ärsykkeelle mitattiin 17 koehenkilöltä. Auditorisen lat