Hardware improvements for detecting modulated near-infrared light in diffuse optical measurements of the human brain
Marco Pérez, Leandro (2015-01-12)
Marco Pérez, Leandro
L. Marco Pérez
12.01.2015
© 2015 Leandro Marco Pérez. Tämä Kohde on tekijänoikeuden ja/tai lähioikeuksien suojaama. Voit käyttää Kohdetta käyttöösi sovellettavan tekijänoikeutta ja lähioikeuksia koskevan lainsäädännön sallimilla tavoilla. Muunlaista käyttöä varten tarvitset oikeudenhaltijoiden luvan.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201501211031
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201501211031
Tiivistelmä
Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a non-invasive in vivo brain imaging method. fNIRS systems can be used to detect diseases that alter the hemodynamics of the brain, but they are also applicable to the study of hemodynamics in healthy brains to investigate, for example, how brain hemodynamics change in response to external stimuli. The work carried out in this thesis involved improving parts of the light detection hardware that forms the core of a frequency-domain/spatially-resolved fNIRS system.
Different narrow band-pass filter configurations were analyzed to determine the best option for a system of that type. Among the various alternatives, multifeedback filters and resonator filters were simulated and compared. Finally, two different resonator filter sets were physically implemented using printed circuit technology.
The second part of the thesis describes the manufacture of six low-noise, high-sensitivity NIR light detectors designed to extend the light detection capabilities of the system. All these detectors were implemented on printed circuit boards.
After implementation, the circuits were tested separately and in combination with other parts of the system, achieving good results in both cases. The most significant result was the detection of blood flow pulsations from the finger and forehead of a subject using the designed light detectors in combination with the designed filters and a lock-in amplifier. This result shows that the circuits are fully functional and can be used to expand the capabilities of the fNIRS device. Toiminnallisella lähi-infrapunaspektroskopialla tarkoitetaan usein ei-invasiivista aivojen optista kuvantamista. Menetelmää voidaan hyödyntää aivoperäisten sairauksien tutkimisessa, mutta myös terveiden aivojen toimintojen tutkimisessa, esimerkiksi tutkimalla kuinka ulkoinen ärsyke aiheuttaa aktivaation aivoissa, näkyen menetelmällä mitattavissa olevina aivojen happitasojen muutoksina. Tämän diplomityön aiheena oli olemassa olevan laitteiston vastaanotintekniikan kehittäminen, jota käytetään lähi-infrapunavalon FD-modulointiin perustuvassa tekniikassa.
Useanlaisia kapeakaistaisia suodatinkonfiguraatioita analysoitiin parhaan suodatintyypin valitsemiseksi. Eri vaihtoehdoista valittiin ns. multifeedback- ja resonaattorisuodattimet, joita simuloitiin ja verrattiin keskenään. Lopuksi suunniteltiin kaksi resonaattorisuodatinsarjaa toteuttaen PCB-piirilevyllä. Diplomityön toisena osana suunniteltiin kuusi pienikohinaista ja herkkää lähi-infrapunavalovastaanotinta käytettäväksi olemassa olevassa laitteistossa. Kaikki vastaanottimet rakennettiin PCB-piirilevylle.
Suunnitellut piirilevyt testattiin erikseen ja yhdistettynä laitekokonaisuuteen, saaden siinä hyviä tuloksia sekä suodattimilla että vastaanottimilla. Testeissä veren virtauksen pulsaatioita pystyttiin mittaamaan sormesta ja aivoista otsalohkon alueelta hyödyntäen olemassa olevaa ns. lock-in tekniikkaa. Testitulokset osoittivat, että suunnitellut piirilevyt toimivat hyvin ja paransivat mittalaitteen vastaanottimen suoritustasoa.
Different narrow band-pass filter configurations were analyzed to determine the best option for a system of that type. Among the various alternatives, multifeedback filters and resonator filters were simulated and compared. Finally, two different resonator filter sets were physically implemented using printed circuit technology.
The second part of the thesis describes the manufacture of six low-noise, high-sensitivity NIR light detectors designed to extend the light detection capabilities of the system. All these detectors were implemented on printed circuit boards.
After implementation, the circuits were tested separately and in combination with other parts of the system, achieving good results in both cases. The most significant result was the detection of blood flow pulsations from the finger and forehead of a subject using the designed light detectors in combination with the designed filters and a lock-in amplifier. This result shows that the circuits are fully functional and can be used to expand the capabilities of the fNIRS device.
Useanlaisia kapeakaistaisia suodatinkonfiguraatioita analysoitiin parhaan suodatintyypin valitsemiseksi. Eri vaihtoehdoista valittiin ns. multifeedback- ja resonaattorisuodattimet, joita simuloitiin ja verrattiin keskenään. Lopuksi suunniteltiin kaksi resonaattorisuodatinsarjaa toteuttaen PCB-piirilevyllä. Diplomityön toisena osana suunniteltiin kuusi pienikohinaista ja herkkää lähi-infrapunavalovastaanotinta käytettäväksi olemassa olevassa laitteistossa. Kaikki vastaanottimet rakennettiin PCB-piirilevylle.
Suunnitellut piirilevyt testattiin erikseen ja yhdistettynä laitekokonaisuuteen, saaden siinä hyviä tuloksia sekä suodattimilla että vastaanottimilla. Testeissä veren virtauksen pulsaatioita pystyttiin mittaamaan sormesta ja aivoista otsalohkon alueelta hyödyntäen olemassa olevaa ns. lock-in tekniikkaa. Testitulokset osoittivat, että suunnitellut piirilevyt toimivat hyvin ja paransivat mittalaitteen vastaanottimen suoritustasoa.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [31657]