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Non-invasive accurate brain oximetry by innovative near-infrared spectroscopy (BrainOX)

English title Non-invasive accurate brain oximetry by innovative near-infrared spectroscopy (BrainOX)
Applicant Wolf Martin
Number 197079
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Klinik für Neonatologie UniversitätsSpital Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Other disciplines of Engineering Sciences
Start/End 01.11.2020 - 31.10.2024
Approved amount 534'779.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Other disciplines of Engineering Sciences
Electrical Engineering
Microelectronics. Optoelectronics
Other disciplines of Physics

Keywords (5)

brain oxygenation; tissue phantom; depth resolution; near-infrared spectroscopy; time domain

Lay Summary (German)

Lead
Mit unsichtbarem nahinfrarotem Licht kann man tief in das Gewebe hineinleuchten. Wir möchten dies ausnützen um ein Gerät zu entwickeln, das die Sauerstoffversorgung des Gehirns mit harmlosem Licht exakt messen kann. Da das Gehirn sehr empfindlich auf einen Sauerstoffmangel reagiert, gilt es eine solche Situation zu vermeiden. Dazu muss ein Sauerstoffmangel erfasst werden. Das neue Gerät, genannt BrainOX, wird dies ermöglichen. Dies ermöglicht es den Sauerstoffmangel zu behandeln und zu beheben, bevor bleibende Schäden entstehen.
Lay summary

ch und es kann darum benutzt werden um das Gehirn nicht-invasiv und auf harmlose Art zu untersuchen. Da das Gehirn sehr empfindlich auf einen Sauerstoffmangel reagiert und dabei innert kurzer Zeit bleibende Schäden entstehen können, gilt es eine solche Situation zu vermeiden. Damit ein Sauerstoffmangel behandelt und behoben werden kann, muss er zuerst erfasst werden können. Das Ziel dieses Projektes ist es, ein Gerät, genannt BrainOX zu entwickeln, das die Sauerstoffversorgung des Gehirns mit harmlosem Licht exakt messen kann.

Ein Problem dabei ist es, dass das Licht zuerst durch die Kopfhaut und den Schädel hindurchgeht, bevor es das Gehirn erreicht. Das heisst, dass die Messung auch von der Kopfhaut und dem Schädel beeinflusst wird. Darum ist es das Ziel, Verfahren zu entwickeln, die diesen Einfluss beseitigen können.

Dazu wird in einem ersten Schritt im Computer simuliert, wie ein solches Gerät aufgebaut sein muss, damit es dieses Ziel erreicht. Dann wird ein solches Gerät gebaut. Diese Gerät wird bildgebende Verfahren verwenden um die oberflächlichen Schichten des Kopfes vom Gehirn zu unterscheiden. Um das Gerät zu testen, werden wir sogenannte Phantome bauen. Dies sind Gegenstände, die die gleichen optischen Eigenschaften wie Gewebe haben und auch die Struktur des Kopfes imitieren. In diesen Phantomen kann man den Sauerstoffgehalt frei und genau einstellen. Man kann damit BrainOX realistisch testen. Wir erwarten, dass wir damit zeigen werden, dass BrainOX tatsächlich die Sauerstoffversorgung des Gehirns misst.

Dieses Projekt wird verschiedene wichtige Resultate aufweisen: BrainOX wird es ermöglichen die Sauerstoffversorgung des Gehirnes exakt zu messen und dies entspricht einem Durchbruch. In der Zukunft, wird das BrainOX technisch weiterentwickelt werden um eine hochaufgelöste Bildgebung des Gehirnes zu erreichen. Auch die Phantome sind von hohem Wert: wir erwarten, dass sie ein internationalerer Standard werden um solche Geräte zu testen. Vom klinischen Gesichtspunkt her erwarten wir, dass BrainOX es ermöglicht, viele Gehirnverletzungen und entsprechende Behinderungen zu vermeiden und so die Lebensqualität vieler Patienten zu verbessern.

Direct link to Lay Summary Last update: 14.10.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Background and rationale: Near-infrared spectroscopy (NIRS) is widely applied in research and clinical fields to measure the oxygenation (StO2) of the brain. It has, however, been shown that this measurement is contaminated by extracerebral tissue (mostly skin and skull). Although several attempts were made to reduce this influence, the absolute StO2 of the brain was still contaminated by extracerebral tissue in adults. For scientific and clinical reasons it is highly relevant to measure the StO2 of the brain and therefore it is high time to address and solve this problem. The objective of BrainOX is to develop and test instrumentation to accurately measure the StO2 of purely the brain based on near-infrared optical tomography (NIROT).Methods: The work initiates with simulations in silico by a finite element approach (NIRFAST) to determine the key metrics of time domain NIROT needed to remove the influence of extracerebral tissue. We will specify the BrainOX NIROT setup accordingly, which will be built. It will be tested in a phantom that imitates the adult head with its correct optical properties including brain and extracerebral layers of tissue with real human hemoglobin at varying StO2. This includes developing and establishing a continuous method of reference to accurately determine the StO2 in the phantom, because the current gold standard, the professional blood gas analyzer ABL90, only provides intermittent values, since for each measurement a sample of phantom liquid has to be extracted. Consequently, the BrainOX NIROT setup will be evaluated by comparing its StO2 to the reference StO2 in the phantom part mimicking the brain and by determining how insensitive the BrainOX NIROT is to variations in the extracerebral tissue. Two types of methods of image reconstruction will be developed: 1) methods based on the diffusive physical models of light transport in tissue (more conventional and safe approach) and 2) innovative novel methods based on machine learning (fast but more risky approach). Finally, once the functioning and accuracy of the BrainOX NIROT instrument are tested, a software will be developed that enables real time imaging of the brain StO2. Expected results: We expect 4 results: 1) the main result is a BrainOX NIROT instrument that is able to truly measure absolute StO2 of the brain without the influence of extracerebral tissue, 2) a phantom that imitates the adult head and is thus invaluable for testing NIRS instruments in general, 3) a novel method of reference to determine the StO2 accurately and continuously in the phantom and 4) a novel image reconstruction method based on machine learning.Impact: The main impact will be the functional BrainOX NIROT instrument, which enables clinicians and researcher to truly measure the brain StO2 in adults, which will constitute a major breakthrough. From a technological point of view, this instrument will in the future be developed further to enable high resolution imaging of the adult head. The focus of the BrainOX instrument is to measure the StO2 of the brain in real time. This will enable research in patients with this novel instrument. The phantom and novel method of reference will be invaluable for testing of NIRS instruments in general and is expected to enter the ISO norms on cerebral oximetry. From a clinical point of view, since NIRS has already been shown to be an effective tool in many clinical applications despite its limitations, the feature to truly measure the brain StO2 will strongly enhance its effectiveness in clinical application. We expect that this will lead to a vastly improved outcome and much reduced incidence of brain lesions e.g. during surgery and to a substantial reduction in associated long-term disabilities. From a research point of view, in neuroscience this BrainOX NIROT instrument will be a major new asset, because it truly measures brain StO2, which is what neuroscientists need to assess brain function. This novel, non-invasive, harmless, silent BrainOX NIROT instrument can be applied in natural settings and enables to study e.g. brain development in neonates and children. It will be an invaluable tool for the neuroscience community
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