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) 是一种用于测量发色团的非侵入性光学技术 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 系统广泛使用,但仅限于测量发色团的变化 由于未知,报告绝对浓度的定量准确性较低 与光在组织中的扩散有关的路径长度因素。频域 (FD-) NIRS 是其变体 使用调幅光的方法以及光的振幅和相位的测量 穿过组织以提供基线光学特性的更多定量估计。然而,目前 由于成本和复杂性,FD-NIRS 系统仅限于少数光波长 调制电路。在这个项目中,我们建议开发一种新型高光谱 FD-NIRS 系统,该系统使用 宽带白光源和CCD光谱仪检测系统。该系统独特的创新之处 是使用电光调制器(EOM),它将用于直接调制光而不是 依靠激光二极管的电调制。两个装置将用于实现外差降档 这些 MHz 信号用于 CCD 检测。这种方法将是一种更简单且更具成本效益的方法 与以前版本的 CW- 相比,增加了系统使用的波长数量和范围 和 FD-NIRS 系统。该设备将改进 NIRS 在各种范围内的收集方式 应用程序。本研究的目的是: 目标 1. 构建高光谱 FD-NIRS 装置并表征其灵敏度和噪声特性 仪器。 目标 2. 研究模拟中 CW 和 FD-NIRS 测量的灵敏度和特异性 使用蒙特卡罗技术观察肌肉组织,观察真实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 在模型中使用该设备并与蒙特卡罗模拟结果进行比较。 这项拟议的 R03 研究将开发这种独特的系统,并使我们能够应用这些先进的 NIRS 未来肌肉生理学研究中的技术,包括损伤风险评估、衰老的影响和 糖尿病,以及其他各种工作。

项目成果

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