Name: cerebral blood flow-based resting state functional connectivity of the human brain using optical diffuse correlation spectroscopy
Uploaded: 2020-05-27T13:30:00
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저자는 오하이오 이미징 연구 및 혁신 네트워크 (OIRAIN, 667750) 및 중국의 국립 자연 과학 재단 (No. 81771876)에 오하이오 제 3 국경에서 재정 지원을 인정하고 싶습니다.

이 프로토콜은 라이트 주립 대학의 기관 검토 위원회의 승인을 받았으며, 실험 전에 각 참가자로부터 동의를 얻었습니다.
1. 과목 준비
<ol><li>피사체의 측정을 시작하기 전에 FD-fNIRS 및 DCS 시스템의 전원을 켜서 최소 10분 동안 예열하십시오(자세한 내용은 섹션 2 및 3 참조). 컴팩트한 DCS 계측기를 사용하여 피사체 측정의 예는 그림 1에나와 있습니다.</li>...

DCS에 의해 측정된 CBF가 RSFC를 정확하게 검출했는지 여부를 확인하기 위해 알려진 RSFC 특성을 가진 뇌의 두 영역을 조사했습니다. DLFC 영역과 DLFC 및 IFC 간의 기능 연결은57,58,,59가있는 것으로 가정합니다. 지역 내 연결은 일반적으로 더 높기 때문에 왼쪽 및 오른쪽 DLFC 내의 두 사이트 간의 연결이 선택되었습니다. 또한 지역 간 ?...

뇌가 휴식 상태에있을 때, 그것은 기능적으로 관련된 지역에서 자발적인 활동의 높은 동기화를 보여줍니다, 근접 또는 거리에서 가까운 위치 할 수있는. 이러한 동기화 영역은 기능 네트워크,1,,2,3,4,,45,56,7,,8,,9로알려져 있습니다. 이 현상은 대뇌혈액의산소 화 수준을 나타내는 혈액 산소 수준 의존 (BOLD) 신호를 사용하여 기능적 자기 공명 영상 (fMRI) 연구에 의해 처음 발견되었다5,10,또한 휴식 상태 기능 적 연결로 알려진 (RSFC). RSFC에 있는 이상은 자폐증11,알츠하이머병12및 불경기13와같은 두뇌 무질서와 연관되었습니다. 따라서, RSFC는 문제 작업 기반 평가를 수행 하는 장애를 가진 환자를 공부 하기 위한 귀중 한 도구입니다. 그러나, 젊은 자폐아동과 같은 많은 환자들은 fMRI에 의한 평가를 위한 가난한 후보자이며, 이는,14,15의장기간 제한된 공간 안에 남아 있어야 하기 때문에. 광학 이미징은 빠르고 착용할 수 있습니다. 따라서 대다수의 환자, 특히 소아 인구16,,17,,18,,19,,20, 21,,,22,,2123,,24에적합합니다. 이러한 장점을 활용하여 뇌의 헤모글로빈 농도 및 산소 포화 도 매개 변수를 정량화 할 수있는 기능적 근적외선 분광법 (fNIRS)은 인간에서 RSFC를 측정하는 데 사용됩니다 (소아 인구4,,88,25 및 자폐증 환자11).
광학 확산 상관 분광법 (DCS), 상대적으로 새로운 광학 기술,대사6,,17,,26,,27,,28,29와산소 공급을 연결하는 중요한 매개 변수인 대뇌 혈류를 정량화 할 수 있습니다. DCS에 의해 정량화된 광학 유동 대조는 산소화 대비30에비해 뇌에서 더 높은 감도를 가지는 것으로 나타났다. 따라서 RSFC를 평가하기 위해 DCS 에서 파생된 CBF 파라미터를 활용하는 것이 유리합니다.
DCS는 혈액 세포를 움직이는 데 민감합니다. 확산 광자가 혈액 세포를 이동에서 산란 할 때, 이것은 시간이 지남에 따라 변동 검출 된 빛의 강도를 야기한다. DCS는 시간 기반 강도 자기 상관 기능을 측정하고 그 부패율은 광학 파라미터 및 혈류에 의존한다. 이러한 값은 궁극적으로 대뇌 혈류 지수 (CBFi)를 얻기 위해 사용됩니다. 더 빠른 이동 혈액 세포로, 강도 자기 상관 기능은 빠르게 부패. 따라서, 조직 표면 아래 깊은 운동에 대한 정보는,시간27,,,31, 32,,3233,,34,35에걸쳐 확산 광 변동의 측정으로부터 (예를 들어, 뇌에서) 파생될 수 있다. DCS는 혈액 산소화를 측정하는 널리 알려진fNIRS(17,,36)에상보적인 기술이다. fNIRS와 DCS는 밀리초 범위의 높은 시간 해상도를 가진 광학 뇌 이미징 기술이므로 광학 이미징 설정은 fMRI보다 모션 아티팩트에 훨씬 덜 민감합니다. 그(것)들은 또한 아주 유아16를포함하여 소아 인구에 있는 기능적인 두뇌 화상 진찰을 위해 성공적으로 이용되었습니다. 이전에는, 표면적인 혈류 량 측정은 마우스37에있는 전임상 연구 결과에서 RSFC를 평가하기 위하여 이용되었습니다. 여기서, 혈류 매개변수는 개념 증명 연구38,,39로9명의 건강한 성인에서 RSFC를 정량화하는 데 사용된다.
본 연구에서는 상업용 FD-fNIRS 시스템 및 맞춤형 DCS 시스템이 사용된다(재료표 참조). 사내에서 제작된 DCS는 FC 커넥터와 오토 코렐레이터에 연결된 8대의 단일 광자 계수기(SPCM)에 결합된 2개의 785nm, 100mW, 긴 일관성 길이 연속파 레이저로 구성되어 있습니다. 사용자 정의 소프트웨어 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI) 또한 표시 하 고 각 SPCM 채널의 광자 개수, 자기 상관 곡선 및 반 정량 혈류를 저장 하기 위해이 시스템을 위해 특별히 만들어졌다. 이 시스템의 부품은 일반적으로 DCS16,,17,,31,,32,,40,42, 43,,43,44에사용되며, 얻어진 결과도 사내에서 검증되어 최근 연구39에서사용되고 있다.,

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1012px;" width="1011">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">3D Printed Probe</td>
			<td style="width:121px;">In-house</td>
			<td style="width:272px;">N/A</td>
			<td style="width:339px;">3D printed PLA probe (Craftbot, Craft unique)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">785nm, 100mW, CW, FC coupled Laser</td>
			<td style="width:121px;">CrystaLaser</td>
			<td style="width:272px;">DL785-100-S</td>
			<td>DCS component (light source)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Auto-correlator</td>
			<td style="width:121px;">Correlator.com</td>
			<td style="width:272px;">Flex05-8ch</td>
			<td>DCS component (output g2 curve to PC)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Data Acquisition GUI</td>
			<td>In-house</td>
			<td>N/A</td>
			<td>GUI coded in LabVIEW to run the DCS system</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Data analysis software</td>
			<td>In-house</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Matlab code used for obtaining RSFC results</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">EEG Electrode Cap</td>
			<td>OpenBCI</td>
			<td>N/A</td>
			<td>EEG mesh cap with standard 10/20 positions</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Multi-mode fiber</td>
			<td style="width:121px;">OZ Optics</td>
			<td style="width:272px;">QMMJ-3,2.5-IRVIS-600/630-3PCBK-3</td>
			<td>DCS component (source fiber)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Oxiplex calibration phantom</td>
			<td>ISS</td>
			<td>75019, 75020</td>
			<td>Set of 2 PDMS Calibration Phantom</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Oxiplex muscle probe</td>
			<td style="width:121px;">ISS</td>
			<td>86010</td>
			<td>4 channel muscle probe</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Oxiplex Oximeter</td>
			<td style="width:121px;">ISS</td>
			<td>95205</td>
			<td>FD-fNIRS (690nm, 830nm)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Power meter</td>
			<td style="width:121px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:272px;">PM100D</td>
			<td>Laser light power adjuster</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Sensor card</td>
			<td style="width:121px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:272px;">F-IRC1-S</td>
			<td>laser IR beam viewer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Single-mode fiber</td>
			<td style="width:121px;">OZ Optics</td>
			<td style="width:272px;">SMJ-3S2.5-780-5/125-3PCBK-3</td>
			<td>DCS component (detector fiber)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Single-Photon Counting Machine</td>
			<td>Excelitas</td>
			<td>SPMC-NIR-1x2-FC</td>
			<td>DCS component (detector)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

cerebral blood flow-based resting state functional connectivity of the human brain using optical diffuse correlation spectroscopy

인간의 뇌에 대한 포괄적인 이해를 얻기 위해, 대뇌 산소 공급과 관련된 핵심 혈역학적 파라미터이기 때문에 대조의 근원으로서 대뇌 혈류(CBF)를 활용하는 것이 요구된다. 산소 화 대비에 기초한 휴식 상태 의 저주파 변동은 기능적으로 연결된 영역 간의 상관관계를 제공하는 것으로 나타났다. 제시된 프로토콜은 광학 확산 상관 분광법(DCS)을 사용하여 인간의 뇌에서 혈류 기반 휴식 상태 기능 연결성(RSFC)을 평가합니다. 인간 전두엽 피질에 있는 CBF 기지를 둔 RSFC의 결과는 두 코르티브에 있는 지역 간 RSFC에 비교된 좌우 지역 RSFC에서 지역 내 RSFC가 상당히 높다는 것을 표시합니다. 이 프로토콜은 인간의 뇌 기능을 연구하기 위해 멀티 모달 이미징 기술을 사용하는 연구자, 특히 소아 인구에 관심이 있어야합니다.

DCS를 사용하여 기능 적 연결을 측정할 수 있는 가능성은39로성공적으로 평가되었습니다. 9명의 피험자의 전두엽 코르티코에서의 휴식 상태 기능적 연결을 측정하였다. 결과(평균 ±SD)는 좌측(0.64±0.25) 및 오른쪽(0.62±0.23)의 지역 내 영역에서 더 높은 상관관계를 나타내었으며, 왼쪽 (0.32 ± 0.32), (0.34 ± 0.27) 및 오른쪽 (0.34 ± 0.29), (0.34 ± 0.26) 코르티스의 지역 간 영역과 비교. (그림<st...

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Cerebral Blood Flow-Based Resting State Functional Connectivity of the Human Brain using Optical Diffuse Correlation Spectroscopy

이 프로토콜은 맞춤형 확산 상관 분광법 계측기를 사용하여 인간 전두엽 피질에서 휴식 상태 기능 연결을 측정하는 방법을 보여줍니다. 이 보고서는 또한 실험의 실질적인 측면과 데이터 분석을 위한 자세한 단계에 대해서도 논의합니다.

광학 확산 상관 분광법을 사용하여 인간의 뇌의 대뇌 혈류 기반 휴식 상태 기능 적 연결

To obtain a comprehensive understanding of the human brain, utilization of cerebral blood flow (CBF) as a source of contrast is desired because it is a ...

이 프로토콜은 변액 광학 프로브를 사용하여 휴식 상태 동안 뇌혈량을 평가합니다. 이 기술의 중요한 장점은 휴대성입니다. 침대 옆 모니터링에 적합 합니다.웨어러블 프로브를 사용하면 진단 및 치료 응용 분야 모두에 대한 피험자의 자연 환경에서 휴식 상태 기능 적 연결 측정을 얻을 수 있습니다. 이 프로토콜은 웨어러블 광학 프로브를 사용하여 휴식 상태 기능 연결 측정 중에 뇌혈흐름을 평가합니다. 치엔 푼과 함께 절차를 시연벤 리네하트, 내 실험실에서 대학원 학생될 것입니다.분석을 시작하기 최소 10분 전에 광 변조 및 검출기 전압으로 FD-fNIRS 및 DCS에 전원을 공급합니다. 테이프 측정값을 사용하여 피사체의 머리의 내침과 이온 사이의 거리를 측정합니다. nasion을 시작점으로 사용하여 잉크 마커를 사용하여 이온까지의 거리의 10%인 위치를 지정합니다.표시된 점이 Fp1과 Fp2 사이에 있도록 EEG 10/20 캡을 피사체의 머리에 놓습니다. 왼쪽 피질에 Fp1과 F7 사이의 지점과 오른쪽 피질의 Fp2와 F8 사이의 지점을 표시하여 우수한 전두엽 피질과 등쪽 전두엽 피질 과 좌우 반구의 열등한 전두엽 피질 사이의 경계를 만듭니다. 3D 프팅 프로브를 사용하여 멀티 모드 섬유를 785 나노미터 레이저 광원에 연결합니다.그런 다음 피질의 양쪽에 있는 Ds 위치에 다중 모드 섬유 1센티미터 아래에 또 다른 단일 모드 섬유를 놓고 각 단일 모드 섬유를 개별 단일 광자 카운팅 기계에 연결합니다. 단일 모드 섬유를 다중 모드 섬유에서 2.75센티미터 떨어진 곳에 놓고 왼쪽 및 오른쪽 뒤측 측두엽 전두엽 코르티체에 1개의 섬유와 열등한 전두엽 피질에 섬유 1개를 놓습니다. 그리고 새로 표시된 점에 멀티 모드 섬유를 배치합니다.FD-fNIRS 시스템을 준비하여 교정을 위해 조명을 끄고 그래픽 사용자 인터페이스 데이터 수집 소프트웨어를 엽니다. 자동 바이어스 버튼을 클릭하여 검출기 게인을 조정하여 센서를 부착하여 교정 팬텀에 고정하여 최적의 신호를 얻습니다. 과전압 경고가 깜박이면 게인을 낮춥춥니까.최대 신호를 얻은 후, 배경 광 누설이 검출기에 의해 측정될 수 있도록 소스 섬유 중 하나를 분리합니다. 그리고 해당 소스 섬유에 대한 측정 기간당 직전류가 20개 미만인지 확인합니다. 다음으로 모든 소스 및 검출기에 적절한 신호 수준 판독을 확인하고 보정을 클릭합니다.시스템은 측정을 하고 교정 계수를 적용하여 알려진 팬텀의 광학 적 특성을 올바르게 측정합니다. 그런 다음 표준 팬텀에서 시스템 성능기록을 제공하는 교정 데이터를 기록합니다. DCS를 설정하려면 시스템 레이저 광원과 단일 광자 카운팅 머신을 최소 10분 동안 예열합니다.그래픽 사용자 인터페이스 시스템 수집 소프트웨어에서 그래픽 사용자 인터페이스를 확인하여 초당 최소 5, 000카운트, 초당 1, 000, 000카운트 를 획득하도록 하여 각 섬유의 접촉을 확인합니다. 각 검출기에서 충분한 광자 수 레벨이 얻어지는지 확인하려면 광자 수 레벨과 거의 실시간 자기 상관 곡선을 확인합니다. 주변 광 누설 없이 충분한 섬유 접점이 있는지 확인하려면 자기 상관 곡선의 y-intercept를 확인합니다.최적의 값은 편광제를 사용하지 않고 약 1.5입니다. 프로브와 측정이 모션 아티팩트가 탄력성 대역을 조여 서 모션에 저항할 수 있을 만큼 단단하지만 피사체에 대한 불편함을 방지할 수 있을 만큼 느슨하다는 것을 확인합니다. 그런 다음 자기 상관 곡선이 더 긴 상관 관계 시간에 대해 서로 감소하도록 하는 자동 상관 곡선을 확인합니다.그런 다음 피사체가 눈을 감고 편안한 자세로 앉아 있는지 확인합니다. DCS 프로브에 인접한 이마에 FD-fNIRS 시스템 광학 프로브를 배치하고 FD-fNIRS 획득 소프트웨어에서 획득을 클릭합니다. 이 데이터는 동적 광학 파라미터의 정량화에 사용될 정적 광학 특성, 흡수 매개 변수 및 산란 매개변수를 제공합니다.모든 장비가 준비되면 피사체에 측정 중에 움직임을 최소화하고 조명을 끄도록 지시합니다. FD-fNIRS 측정이 완료된 후 DCS 데이터 수집 인터페이스에서 실행을 클릭하고 최대 2초 의 통합 시간으로 총 8분 동안 데이터를 수집합니다. 본 대표적인 분석에서, 전두엽 코르티체내의 휴식 상태 기능적 연결은 9개의 피험자에서 측정되었다.왼쪽 및 오른쪽 코르티체의 지역 간 영역을 측정한 것보다 왼쪽 및 오른쪽 코르티테스의 지역 내 영역에서 더 높은 상관관계가 관찰되었다. 또한, 두 코르티제의 지역 간 휴식 상태 기능 연결을 비교하는 T-테스트 분석은 이러한 값 간의 상당한 차이를 드러냈다. DCS 매개 변수가 허용 가능한 범위 내에 있는지 확인하는 것이 중요합니다.확산 상관 분광법은 혈류의 비침습적 측정을 제공할 수 있다. 다양한 자극에 휴식 또는 활성 뇌의 기능 적 연결을 연구하기위한 유용한 도구 만들기. 혈류의 비침습적 측정은 신경 질환에 대한 치료 및 치료의 평가에 유용합니다.이 절차를 수행할 때는 항상 적절한 레이저 안전 지침을 따라야 합니다.

Research

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Bioengineering

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연구

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