Entwicklung eines bildgebenden optischen Spektroskopie-Systems zur Darstellung funktioneller kortikaler Aktivierung

Abstract

Es ist erwiesen, dass die Nahinfrarotspektroskopie Änderungen der cerebralen Oxygenierung reliabel darstellen kann. In dieser Arbeit wird ein Multikanalsystem vorgestellt, das diese Änderungen über einem Areal von 10x5 cm am Kopf des Erwachsenen misst. Neben der Arbeit zur Entwicklung des technischen Aufbaus und der Anwendersoftware wurden Versuchsserien zur Validierung und erste Messungen an Schlaganfallpatienten durchgeführt. Es handelt sich um ein portables cw-System, das 16 Lichtquellen als Laserdioden (8x760 nm und 8x850 nm) und 7 APD-Detektoren enthält. Die lichtaussendenden und detektierenden Fasern (Abstand 2,5 cm) sind in einem Gitter angeordnet, das über einem Areal von 10x5 cm 22 unabhängige Messpositionen zulässt. Um diese zu differenzieren, wird das Meßvolumen mit 8 sequentiell geschalteten Laserzyklen abgetastet (sampling rate 3 Hz). Die Systemsteuerung und die Datenerfassung erfolgen mit LabView (National Instruments). Zur Auswertung der Daten wurde ein Softwarepaket in Matlab (Mathworks GmbH) zusammengestellt, das sich an den etablierten statistischen Methoden des „statistical parametric mapping“ orientiert. Die Basis der Auswertung stellt die Berechnung der Konzentrationsänderungen der beiden Oxygenierungsformen unter Anwendung des modifizierten Lambert-Beer`schen Gesetzes aus den Änderungen der Lichtabschwächung dar. Zur Validierung des Systems wurden motorische und visuelle Paradigmen untersucht. Das motorische Paradigma bestand aus einer Fingeroppositionsaufgabe im Blockdesign. Erwartungsgemäß zeigte sich über dem aktivierten Areal das typische Antwortmuster bestehend aus einem Abfall des [deoxy-Hb] und einem Anstieg des [oxy-Hb]. Die Fokalität der Signalamplitudenmaxima war robust gegen die statistische Auswertung. Als visuelle Stimuli wurden zwei Paradigmen verwendet, die verschiedene Areale des visuellen Kortex aktivieren. Den Probanden wurde sequentiell der MT/V5 spezifische Stimulus, bestehend aus kontrastarmen, langsam expandierenden und kontrahierenden konzentrischen Ringen und ein anuläres alternierendes Schachbrettmuster präsentiert. Die Ergebnisse des Experimentes zeigen, dass eine klare Zuordnung unterschiedlicher funktioneller Areale bei differentieller Stimulation möglich ist. In einer ersten klinischen Anwendung erfolgten Bolusinjektionen des optischen Kontrastmittels ICG bei Patienten mit einer cerebralen Ischämie. Eine grobe topographische Differenzierung der cerebralen Perfusion ergibt sich durch die Unterschiede in der Boluslatenz und –form über ischämischem und nicht-ischämischem Gebiet.

Near-infrared spectroscopy (NIRS) has been shown to reliably detect changes in cerebral haemoglobin oxygenation in response to functional activation. Here a multi-channel-system is presented imaging these changes in an 10 x 5 cm area of the adult’s head. After having developed the set-up and the software test series for validation and first measurements with stroke patients were carried out. We developed a portable continuous wave system with 16 laser diode sources (8 at 760 nm and 850 nm each) and 7 APD detectors. The array of light delivering and detecting fibres (separation 2.5 cm) covers an area of 10 x 5 cm with 22 independent measurement positions. To differentiate the positions 8 cycles (4 per wavelength) are acquired resulting in a sampling rate of 3Hz. The system is controlled by software written in LabView (National Instruments). Data post-processing is done in Matlab (Matworks Inc) in analogy to the well established statistical methods of “statistical parametric mapping”. For validation motor and visual paradigms were analysed. The motor task consisted of a unilateral finger opposition task. As expected the results showed the typical response pattern consisting of an increase of [oxy-Hb] and a decrease of [deoxy-Hb] over the functionally activated area. The focality of the changes were robust to the statistical analysis. As visual stimulation paradigm two stimuli were used to activate different areas of the visual cortex. The subjects underwent sequentially stimulation consisting of an a) concentric alternating checkerboard pattern and b) low contrast expanding and contracting concentric rings (specific for MT/V5). The results show that stimulation of different functional areas yielded clear spatially distinct foci of the oxygenation changes. In a first clinical approach patients with acute ischaemic stroke were examined by intravenous application of the optical contrast agent indocyanine green (ICG). By analysing differences in bolusform and -latency over ischaemic and non-ischaemic area a rough topographical differentiation of cerebral perfusion is possible.