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Brigadoi, Sabrina (2014) Shedding light into the brain: Methodological innovations in optical neuroimaging. [Tesi di dottorato]

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Documento PDF (Tesi dottorato)
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Abstract (inglese)

Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) and diffuse optical tomography (DOT) are non-invasive techniques used to infer stimulus-locked variations in human cortical activity from optical variations of near-infrared light injected and subsequently detected at specified scalp locations. Relative to functional magnetic resonance imaging (fMRI) and electroencephalography (EEG), these optical techniques are more portable, less invasive and less sensitive to motion artifacts, making them ideal to explore brain activity in a variety of cognitive situations, and in a range of populations, including newborns and children.

FNIRS and DOT measure stimulus-locked hemodynamic response in the form of changes in oxy- (HbO) and deoxy- (HbR) hemoglobin concentration taking place in specific areas. This signal is however structurally intertwined with physiological noise owing to cardiac pulsations, respiratory oscillations and vasopressure wave. Furthermore, the absolute magnitude of hemodynamic responses is substantially smaller than these non-informative components of the measured optical signal, and has a frequency which largely overlaps with that of the vasopressure wave. Thus, recovering the hemodynamic response is a challenging task. Several methods have been proposed in the literature to try to reduce physiological noise oscillations and recover the hemodynamic response, but none of them has become a common standard in the optical signal processing pipeline. In this thesis, a novel algorithm, devised to overcome a large subset of drawbacks associated with the use of these literature techniques, is presented and validated.

Reduced sensitivity to motion artifacts notwithstanding, the optical signal must always be assumed as contaminated by some form of mechanical instability, most prominently during signal acquisitions from pathological (e.g., stroke patients) or difficult (e.g., newborns) populations. Several techniques have been proposed to correct for motion artifacts with the specific aim of preserving contaminated measures as opposed to rejecting them. However, none of them has become the gold standard in the optical signal processing pipeline, and there are currently no objective approaches to choose the most appropriate filtering technique based on objective parameters. In fact, due to the extreme variability in shape, frequency content and amplitude of the motion artifacts, it is likely that the best technique to apply is data-dependent and, in this vein, it is essential to provide users with objective tools able to select the best motion correction technique for the data set under examination. In this thesis, a novel objective approach to perform this selection is proposed and validated on a data-set containing a very challenging type of motion artifacts.

While fNIRS allows only spectroscopic measurements of hemoglobin concentration changes, DOT allows to obtain 3D reconstructed images of HbO and HbR concentration changes. To increase the accuracy and interpretability of DOT reconstructed images, valuable anatomical information should be provided. While several adult head models have been proposed and validated in this context, only few single-ages head models have been presented for the neonatal population. However, due to the rapid growth and maturation of the infant's brain, single-age models fail to capture precise information about the correct anatomy of every infant's head under examination. In this thesis, a novel 4D head model, ranging from the preterm to the term age, is proposed, allowing developmental neuroscientists to make finer-grained choices about the age-matched head model and perform image reconstruction with an anatomy as similar as possible to the real one.

The outline of the thesis will be as follows. In the first two chapters of this thesis, the state of the art of optical techniques will be reviewed. Particularly, in chapter 1, a brief introduction on the physical principles of optical techniques and a comparison with other more common neuroimaging techniques will be presented. In chapter 2, the components of the measured optical signal will be described and a brief review of state of the art of the algorithms that perform physiological noise removal will be presented. The theory on which optical image reconstruction is based will be reviewed afterwards. In the final part of the chapter, some of the studies and achievements of optical techniques in the adult and infants populations will be reviewed and the open issues and aims of the thesis will be presented.

In chapters 3, 4 and 5, new methodologies and tools for signal processing and image reconstruction will be presented. Particularly, in chapter 3, a novel algorithm to reduce physiological noise contamination and recover the hemodynamic response will be introduced. The proposed methodology will be validated against two literature methods and results and consequent discussion will be reported. In chapter 4, instead, a novel objective approach for the selection of the best motion correction technique will be proposed. The main literature algorithms for motion correction will be reviewed and the proposed approach will be validated using these motion correction techniques on real cognitive data. In chapter 5, instead, a novel 4D neonatal optical head model will be presented. All the steps performed for its creation will be explained and discussed and a demonstration of the head model in use will also be exhibited.

The last part of the thesis (chapters 6, 7 and 8) will be dedicated to illustrate three distinct examples of application of the proposed methodologies and tools on neural empirical data. In chapter 6, the physiological noise removal algorithm proposed in chapter 3 will be applied to recover subtle temporal differences between hemodynamic responses measured in two different areas of the motor cortex in short- vs. long- duration tapping. In chapter 7, the same algorithm will be applied to reduce physiological noise and recover hemodynamic responses measured during a visual short-term memory paradigm. In both chapters, cognitive results and a brief discussion will be reported. In chapter 8, instead, the neonatal optical head model proposed in chapter 5 will be applied to perform image reconstruction with data acquired on a healthy full term baby. In the same chapter, the importance of motion artifact correction will be highlighted, reconstructing HbO concentration changes images before and after the correction took place.

Abstract (italiano)

La spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS) e la tomografia ottica diffusa (DOT) sono tecniche non invasive che, sfruttando le proprietà della luce nel vicino infrarosso, permettono di misurare l'attività cerebrale. Sorgente e detettore sono posti a contatto con il cuoio capelluto ad una distanza prestabilita. Dall'attenuazione subita dalla luce nel passaggio attraverso i tessuti cerebrali, è possibile ricavare le variazioni nell'attività corticale, che avvengono in seguito alla presentazione di uno stimolo. Rispetto alla risonanza magnetica funzionale (fMRI) ed all'elettroencefalografia (EEG), le tecniche ottiche sono più portatili, meno invasive e meno sensibili agli artefatti da movimento; sono pertanto tecniche ideali per esplorare l'attività cerebrale in numerosi ambiti cognitivi e in un gran numero di popolazioni, come neonati e bambini.
FNIRS e DOT misurano la risposta emodinamica in seguito alla presentazione di uno stimolo nella forma di variazioni nella concentrazione di emoglobina ossigenata (HbO) e deossigenata (HbR) che avvengono in specifiche aree della corteccia. Tuttavia, il segnale misurato non contiene solo la risposta emodinamica d'interesse, ma anche rumore fisiologico, dovuto per esempio alla pulsazione cardiaca, alle oscillazioni dovute alla respirazione e all'onda vasomotrice. Inoltre, la risposta emodinamica d'interesse si presenta di solito con un'ampiezza ridotta rispetto alle componenti non informative del rumore fisiologico e con una frequenza molto simile a quella dell'onda vasomotrice. Da ciò si deduce come stimare la risposta emodinamica sia un compito molto difficile. Molti metodi sono stati proposti in letteratura per cercare di ridurre il rumore fisiologico e stimare la risposta emodinamica. Tuttavia, ad oggi, non esiste un metodo standard per l'analisi del segnale ottico. In questa tesi, quindi, è stato proposto e validato un nuovo algoritmo, messo a punto per far fronte agli svantaggi associati ai metodi presenti in letteratura.
Nonostante la ridotta sensibilità agli artefatti da movimento, il segnale ottico ne risulta comunque contaminato, soprattutto durante acquisizioni di popolazioni patologiche (per esempio pazienti diagnosticati con ictus) o difficili (come per esempio i neonati). Sono state proposte numerose tecniche per correggere gli artefatti da movimento, invece di eliminare la parte di segnale da essi contaminata. Tuttavia, nessuna di queste tecniche, per il momento, è riuscita a emergere come la più adatta per l'analisi del segnale ottico. In aggiunta a questo, non esistono criteri oggettivi con cui sia possibile selezionare la tecnica migliore da applicare, dato un segnale misurato. Si suppone, infatti, che, data l'estrema variabilità presente negli artefatti da movimento in termini di forma, contenuto in frequenza e ampiezza, la tecnica da applicare sia dipendente dal segnale misurato nello specifico caso. Da ciò emerge la necessità di fornire agli sperimentatori dei criteri oggettivi, che permettano loro di selezionare la tecnica di correzione più adatta ad ogni segnale misurato. In questa tesi, quindi, è stato proposto un innovativo ed oggettivo approccio per la selezione della tecnica di correzione da utilizzare. La validazione è stata eseguita su dei segnali contenenti una tipologia di artefatto da movimento molto difficile da identificare e correggere.
FNIRS permette di ottenere solo misure spettroscopiche delle variazioni di concentrazione di emoglobina; DOT invece è in grado di ricostruire immagini tridimensionali delle variazioni di concentrazione di HbO e HbR. Per aumentare l'accuratezza e l'interpretabilità delle immagini ricostruite con DOT, è necessario fornire accurate informazioni anatomiche di supporto. Numerosi modelli di teste per tecniche ottiche sono stati proposti e validati nella popolazione adulta. Al contrario, in quella neonatale, i modelli analoghi creati finora sono molto pochi e tutti riferiti ad una sola età neonatale. Tuttavia, nei neonati, il cervello è soggetto ad una crescita ed una maturazione molto rapida. Per questo motivo, modelli riferiti ad una singola età neonatale falliscono nel fornire informazioni anatomiche corrette per ogni neonato sotto esame. In questa tesi si è proposto un innovativo modello 4D di teste per tecniche ottiche, contenente informazioni anatomiche per neonati pretermine e a termine. Questo modello può fornire ai neuroscienziati che lavorano in ambito evolutivo la possibilità di selezionare il modello corrispondente all'età del neonato in esame e ricostruire quindi le immagini di variazione di concentrazione di emoglobina usando un'anatomia il più possibile vicina a quella reale.
L'organizzazione della tesi è la seguente. Nei primi capitoli verrà analizzato lo stato dell'arte delle tecniche ottiche. In particolare nel capitolo 1 verrà presentata una breve introduzione dei principi fisici alla base di queste tecniche alla quale seguirà un confronto con le tecniche di neuroimmagini più diffuse. Il capitolo 2 descriverà le componenti del segnale ottico misurato e verrà illustrato lo stato dell'arte relativo ad algoritmi di rimozione del rumore fisiologico. Successivamente sarà esposta la teoria che sta alla base del processo di ricostruzione delle immagini. Nella parte finale del capitolo, invece, verranno presentati alcuni studi che hanno utilizzato tecniche ottiche sia nella popolazione adulta che in età evolutiva. Infine saranno presentati gli scopi di questa tesi.
I capitoli 3, 4 e 5 saranno dedicati alla presentazione di nuovi strumenti e metodologie per l'analisi del segnale ottico e per la ricostruzione di immagini ottiche. In particolare nel capitolo 3 verrà introdotto un nuovo algoritmo per la rimozione del rumore fisiologico e la stima della risposta emodinamica. La metodologia proposta verrà validata tramite il confronto con due algoritmi preesistenti. Il capitolo 4 tratterà il problema degli artefatti da movimento e proporrà un innovativo e oggettivo approccio per la selezione della tecnica di correzione da utilizzare. Le principali tecniche di correzione verranno illustrate e il nuovo approccio verrà validato utilizzando dati cognitivi reali. Nel capitolo 5 verrà presentato un nuovo atlante 4D neonatale di modelli di teste per tecniche ottiche. Verranno descritti tutti i passaggi che hanno portato allo sviluppo di questo atlante e ne sarà riportato un esempio applicativo.
La parte finale di questa tesi (capitoli 6, 7 e 8) presenterà tre distinti esempi applicativi, su dati neurali empirici, delle metodologie e strumenti proposti. L'algoritmo per la rimozione del rumore fisiologico proposto nel capitolo 3 sarà utilizzato nel capitolo 6 per stimare differenze temporali poco evidenti tra risposte emodinamiche, misurate in due diverse aree della corteccia durante compiti di movimento manuale di diversa durata. Nel capitolo 7 lo stesso algoritmo verrà applicato a dati acquisiti durante un paradigma di memoria visiva a breve termine. Infine nel capitolo 8 verranno ricostruite immagini di variazioni di concentrazione di emoglobina, utilizzando il modello di teste per tecniche ottiche presentato nel capitolo 5. I dati sono stati acquisiti da un neonato a termine e il modello di testa utilizzato nella ricostruzione è quello relativo all'età corrispondente. Nello stesso capitolo verranno ricostruite immagini di concentrazione sia in presenza che in assenza di tecniche di correzione di artefatti da movimento, evidenziandone così l'importanza.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Dell'Acqua, Roberto
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 26 > Scuole 26 > SCIENZE PSICOLOGICHE
Data di deposito della tesi:30 Gennaio 2014
Anno di Pubblicazione:30 Gennaio 2014
Parole chiave (italiano / inglese):Spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso, fNIRS, tomografia ottica diffusa, DOT, rumore fisiologico, artefatti da movimento, modelli neonatali di teste per tecniche ottiche/ functional near-infrared spectroscopy, fNIRS, diffuse optical tomography, DOT, physiological noise, motion artifacts, neonatal optical head models
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 11 - Scienze storiche, filosofiche, pedagogiche e psicologiche > M-PSI/01 Psicologia generale
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Psicologia dello Sviluppo e della Socializzazione
Codice ID:6698
Depositato il:03 Nov 2014 13:55
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