Accuracy improvements of NIRS and investigation of muscle oxidative metabolism

Abstract

Tezin ilk kısmında, yağ katmanının sürekli dalga yakın kızıl altı spektroskopinin (sd-YKAS) ölçümlerine olan etkisi detaylı olarak azımsama hatası (türdeş ortam varsa-yımından kaynaklanan) ve türdeş ortam varsayımı ile kas katmanındaki ortalama kısmi yolun dalga boyu bağımlılığından kaynaklanan çapraz girişim terimleriyle incelenmiştir. Bu hatalar, iki dalga boylu sistem için, deri-yağ-kas katmanlı doku modeliyle yapılan Monte Carlo benzetimleriyle incelenmiştir. Hatalar kalın yağ kalınlıkları için daha yüksek bulunmuştur. Monte Carlo benzetimleriyle çıkarılan dalga boyu bağımlı kısmi yol uzunluklarını kullanan bir düzeltme algoritması önerilmiştir. İki alıcılı sd-YKAS sistemi de analiz edilmiş ve 1-alıcılı sistem ile karşılaştırılmıştır. Performans umut verici olmasına rağmen, katmanların ilk optik katsayılarının doğru varsayımı bu performans için çözülmesi gereken bir sorundur.Kas metabolizması, yorgunluk ve dayanıklılık, eş zamanlı sd-YKAS, yüzey elektromiyografi (yEMG) ve kuvvet-zaman ölçüm teknikleri kullanılarak yapılan ölçümlerle, izometrik el sıkma egzersizi için incelenmiştir. çalışma yorgunlukla alakalı fizyolojik süreçleri açığa çıkarmıştır.YEMG ve sd-YKAS parametreleri arasında özellikle %50 maksimal istemli kasılmada önemli değerlerde ilintilerle beraber dayanıklılık tahmini için biyometrik parametreler bulunmuştur. Bu bilgiler spor uygulamaları, ergonomi, fizik tedavi ve rehabilitasyonda toparlanmanın nesnel parametrelerle takibinde de önemli olabilir.

In the first part of the thesis, the effect of fat layer on continuous wave near infrared spectroscopy (cw-NIRS) measurements were investigated in detail, both in terms of underestimation error (caused by homogeneous medium assumption) and crosstalk between chromophores because of homogeneous medium assumption and wavelength dependence of mean partial path length in the muscle layer. These errors have been investigated by Monte Carlo simulations with a skin-fat-muscle layered tissue model for a two wavelength system. The errors have been found to be higher for thicker fat thicknesses. A correction algorithm was proposed with the use of wavelength dependent partial path length in the muscle layer derived with Monte-Carlo simulations. Two detector cw-NIRS system was also analyzed and compared with 1-detector cw-NIRS system. The performance was promising but true assumption of initial optical coefficients of the layers poses a challenge for the performance.Muscle metabolism, fatigue and endurance was examined with usage of three simultaneous measurement modalities: cw-NIRS, SEMG and force-time for isometric hand grip exercise. The study revealed some physiological processes related to fatigue. A highly valued and statistically significant correlations were found between sEMG and cw-NIRS derived parameters especially at 50% maximal voluntary contraction along with biometrics for endurance prediction. These information could be important in sports applications, ergonomics, physical medicine and rehabilitation to monitor the recovery with objective parameters.