Development of a Hyperspectral FD-NIRS Device for Muscle Physiology

用于肌肉生理学的高光谱 FD-NIRS 设备的开发

基本信息

项目摘要

ABSTRACT Near-infrared spectroscopy (NIRS) is a non-invasive optical technique to measure chromophore concentrations in tissue including hemoglobin, myoglobin, water, lipid, and cytochrome C oxidase. Continuous wave (CW-) NIRS systems are widely used but are limited to the measurement of changes in chromophore concentrations and have low quantitative accuracy in reporting absolute concentrations due to the unknown pathlength factors related to the diffusion of light in tissue. Frequency-domain (FD-) NIRS is a variation of this method that uses amplitude modulated light and the measurement of the amplitude and phase of the light passing through tissue to provide more quantitative estimates of baseline optical properties. However, current FD-NIRS systems are limited to only a few optical wavelengths due to the cost and complexity of these modulation circuits. In this project, we propose to develop a novel hyperspectral FD-NIRS system, which uses a broadband white light source and CCD spectrometer detection system. The unique innovation of this system is the use of electro-optical modulators (EOMs), which will be used to directly modulate the light rather than relying on electrical modulation of laser diodes. Two devices will be used to enable heterodyne downshifting of these MHz signals for CCD detection. This approach will be a much simpler and more cost effective way to increase the number and range of wavelengths used by the system in comparison to previous versions of CW- and FD-NIRS systems. This device will improve the way in which NIRS is collected across a wide range of applications. The aims of this study are: Aim 1. Construct a hyperspectral FD-NIRS device and characterize sensitivity and noise properties of the instrument. Aim 2. Investigate the sensitivity and specificity of CW- and FD-NIRS measurements in simulated muscle tissue using Monte Carlo techniques to look at the effect of realistic muscle structure on photon migration. Aim 3. Characterize the sensitivity and specificity of the measurement of physiological compounds using the device in phantoms and compare with Monte Carlo simulation results. This proposed R03 study will develop this unique system and allow us to apply these advanced NIRS techniques in future studies of muscle physiology including injury risk assessment, the impact of aging and diabetes, among various other work.
抽象的 近红外光谱(NIRS)是一种未侵入性的光学技术,用于测量发色团 组织中的浓度,包括血红蛋白,肌红蛋白,水,脂质和细胞色素C氧化酶。连续的 波(CW-)NIRS系统被广泛使用,但仅限于发色团变化的测量 由于未知而报告绝对浓度的浓度,并且具有较低的定量精度 路径长因子与组织在组织中的扩散有关。频域(FD-)NIRS是此的变体 使用振幅调制光的方法以及光的振幅和相位的测量 通过组织,提供了基线光学特性的更定量估计。但是,当前 由于成本和复杂性,FD-NIRS系统仅限于几个光学波长 调制电路。在这个项目中,我们建议开发一种新型的高光谱FD-NIRS系统,该系统使用 宽带白光源和CCD光谱仪检测系统。该系统的独特创新 是使用电流调制器(EOM)的使用,该调制器将用于直接调节光而不是调制光而不是 依靠激光二极管的电调制。两种设备将用于实现异差降档 这些用于CCD检测的MHz信号。这种方法将是一种更简单,更具成本效益的方式 与以前的CW-相比,增加系统使用的波长的数量和范围 和FD-NIRS系统。该设备将改善在广泛范围内收集NIRS的方式 申请。这项研究的目的是: AIM 1。构建高光谱FD-NIRS设备,并表征灵敏度和噪声特性 乐器。 目标2。研究模拟中CW-和FD-NIRS测量的灵敏度和特异性 肌肉组织使用蒙特卡洛技术来研究逼真的肌肉结构对光子的影响 迁移。 目标3。表征生理化合物测量的灵敏度和特异性 在幻影中使用该设备与蒙特卡洛模拟结果进行比较。 这项拟议的R03研究将开发此独特的系统,并允许我们应用这些高级NIR 未来对肌肉生理研究的技术,包括损伤风险评估,衰老和 糖尿病等各种工作。

项目成果

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