Time-Gated Diffuse Correlation Spectroscopy for functional imaging of the human brain

用于人脑功能成像的时间选通漫相关光谱

基本信息

项目摘要

Project Summary/Abstract Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a well-established neuroimaging method which enables neuroscientists to study brain activity by non-invasively monitoring hemodynamic changes in the cerebral cortex. In the last decade, the use of fNIRS has increased significantly with the formation of a society, with an exponential growth of users and publications, and with an increasing number of available commercial instruments. Despite these successes, the impact of fNIRS as a neuroimaging method could be greatly enhanced by addressing several technological limitations. In line with the BRAIN Initiative RFA EB-17-004 “Development of Next Generation Human Brain Imaging Tools and Technologies” we propose to develop completely novel methodology to measure human brain function, time-gated functional diffuse correlation spectroscopy (fDCS), which will dramatically improve upon the capabilities of fNIRS. DCS, a cutting-edge optical modality, quantifies relative blood flow changes (rCBF) by measuring the light intensity temporal fluctuations generated by the dynamic scattering of light by moving red blood cells. A few years ago, we demonstrated the ability to operate DCS in the time-domain, and supported by the parent early stage RFA EB-17-001, developed the first portable time-gated fDCS system. With this device we can discriminate late from early arriving photon, obtaining blood flow measures only from photons which have travelled deeper into the tissue, further increasing sensitivity to brain. Our established team, which includes investigators from Massachusetts General Hospital, Massachusetts Institute of Technology Lincoln Laboratory, and Boston University, is now ready to make a leap forward in this technology with the goal to offer an imaging system that covers the whole adult head while producing high resolution images of functional blood flow changes with 2-3x improvements in contrast to noise ratio, brain sensitivity and resistance to extracerebral physiology cross-talk. This goal will be achieved by: i) using a longer wavelength, specifically 1064 nm, where a multitude of factors combine to offer a 10x increase in light throughput, as well as lower scattering for increased penetration depth and spatial resolution; ii) developing new laser and detectors with optimal specifications for time-gated fDCS, overcoming limitations of current commercially available components; iii) scaling-up the new components to build a multichannel system and an high density fiber optic cap with 96 sources and 192 detectors distributed in a hexagonal pattern with an ~13mm separation, for a total of 576 channels, to produce high resolution images of functional blood flow changes. The novel time- gated fDCS system will be characterized in tissue-like phantoms, and validated in healthy volunteers during standard functional tasks, against continuous-wave NIRS, DCS and fMRI. The development of this technology will provide an unprecedented tool to characterize human brain function.
项目摘要/摘要 功能性近红外光谱(FNIRS)是一种完善的神经影像学方法,可实现 神经科学家通过非侵入性监测大脑皮质的血液动力学变化来研究脑活动。 在过去的十年中,随着社会的形成,FNIRS的使用大大增加 用户和出版物的增长,以及越来越多的可用商业仪器。尽管 这些成功,FNIRS作为神经影像学方法的影响可以通过解决 几个技术限制。 与大脑倡议RFA EB-17-004一致,“下一代人脑成像工具的开发 和技术”我们建议开发完全新颖的方法来衡量人脑功能, 时间门控功能性弥散相关光谱(FDC),这将在大幅上改善 fnirs的功能。 DC是一种尖端的光学方式,将相对血流变化(RCBF)量化 测量通过移动红色动态散射产生的光强度临时波动 血细胞。几年前,我们证明了在时间域中操作DC的能力,并在 父阶段RFA EB-17-001,开发了第一个便携式时间门控的FDCS系统。使用此设备 我们可以从早期到达光子中区分晚期,仅从具有的照片中获得血流量 深入组织,进一步提高了对大脑的敏感性。 我们已建立的团队,包括马萨诸塞州马萨诸塞州总医院的调查员 林肯实验室和波士顿大学技术学院现在准备在此方面取得飞跃 技术的目标是提供一个覆盖整个成人头部同时产生高高的成像系统 功能性血流变化的分辨率图像,与噪声比相比,大脑的噪声比例有2-3倍的改善 敏感性和对脑外生理的抗药性。将通过以下方式实现此目标 波长,特别是1064 nm,其中多种因素结合在一起,可提供10倍的光吞吐量, 以及较低的散射,以增加穿透深度和空间分辨率; ii)开发新激光器和 具有时间门控的FDC的最佳规格检测器,克服当前商业上的限制 可用组件; iii)扩展新组件以构建多通道系统和高密度 光纤盖,带有96个来源和192个检测器,分布在六角形图案中,分隔〜13mm, 对于总共576个通道,可以产生功能性血流变化的高分辨率图像。新颖的时间 - 封闭式FDCS系统将在组织样的幻影中进行表征,并在健康的志愿者中得到验证 针对连续波NIR,DCS和fMRI的标准功能任务。 该技术的开发将为表征人脑功能的前所未有的工具提供。

项目成果

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Development of a Monte Carlo-wave model to simulate time domain diffuse correlation spectroscopy measurements from first principles.
  • DOI:
    10.1117/1.jbo.27.8.083009
  • 发表时间:
    2022-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Cheng X;Chen H;Sie EJ;Marsili F;Boas DA
  • 通讯作者:
    Boas DA
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