Laser Speckle Imaging zur kontinuierlichen intraoperativen Messung des zerebralen Blutflusses

Abstract

Die Darstellung der kortikalen Perfusion ist ein wichtiges Hilfsmittel bei neurochirurgischen Prozeduren beispielsweise im Rahmen von Gefäßeingriffen. Eine intraoperative Darstellung der Perfusion kann mit Verfahren wie Laser Doppler nur mit Einschränkung von räumlicher oder zeitlicher Auflösung durchgeführt werden. Laser Speckle Imaging ist ein optisches Verfahren ohne diese Einschränkungen, welches nicht-invasiv und kontinuierlich die relative Gewebsperfusion darstellt. Ziel dieser Arbeit war die Validierung von Laser Speckle Imaging in der klinischen Anwendung zur Beurteilung der relativen kortikalen Perfusion. Bei zweiundzwanzig Patienten mit malignem Mediainfarkt wurden intraoperativ Messungen mit Laser Speckle Imaging durchgeführt und diese Aufnahmen mit postoperativen magnetresonanztomographischen Rekonstruktionen der Infarktgrenzen fusioniert. Die mit Laser Speckle Imaging gemessene relative kortikale Perfusion (angegeben in der arbiträren Einheit Flux) wurde im nach Magnetresonanztomographie infarzierten und nicht- infarzierten Areal getrennt analysiert. Die Messwerte wurden auf den mittleren Flux im nicht-infarzierten Areal normiert und die Vorhersagewahrscheinlichkeiten für die jeweilig gemessenen Fluxwerte berechnet. Auf diese Weise wurden Fluxwerte ermittelt, bei welchen mit 95%iger Wahrscheinlichkeit von einem infarzierten beziehungsweise nicht-infarzierten Zustand des betrachteten Parenchyms ausgegangen werden kann. Laser Speckle Imaging konnte bei allen untersuchten Patienten in Echtzeit mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung die relative Perfusion darstellen. Bei Fluxwerten von ≤40% konnte Laser Speckle Imaging infarziertes Gewebe identifizieren. Fluxwerte ≥110% konnten Gewebe identifizieren, welches durch die Magnetresonanztomographie als nicht-infarziert definiert worden war. Mit diesen Grenzwerten war es somit möglich, nicht-infarziertes und infarziertes Parenchym zu unterscheiden. Von der intraoperativ exponierten kortikalen Oberfläche konnten damit im Mittel 61.7±24% als infarziert (≤40% normierter Flux) und 11.2±9% als nicht-infarziert (≥110% normierter Flux) definiert werden, wobei 27.2±16% des Gewebes eine Perfusion zwischen 40 und 110% aufwiesen. Laser Speckle Imaging konnte bei den untersuchten Patienten mit malignem Mediainfarkt unter Anwendung der ermittelten Fluxwerte infarziertes und nicht-infarziertes Parenchym mit großer Genauigkeit identifizieren. Ein Einsatz als Routineverfahren beispielsweise zur bereits intraoperativen Einschätzung einer potenziell schädlichen Hyper- oder Hypoperfusion oder zur Positionierung von multimodalen Sonden im Rahmen des perioperativen Monitorings erscheint sinnvoll möglich.

Current intraoperative monitoring techniques of cortical perfusion like Laser Doppler are restricted in either spatial or temporal resolution. Laser Speckle Imaging is an optical method, which is already used in different clinical and research settings for non-invasive and direct assessment of cortical perfusion. The purpose of this study was to establish positive and negative prediction rates for specific perfusion thresholds of infarcted and non- infarcted tissue in the human brain. In 22 patients undergoing decompressive craniectomy for treatment of malignant hemispheric stroke Laser Speckle measurements were performed and merged with a magnet resonance imaging reconstruction of the cortical surface including the infarcted cortical tissue. Laser Speckle Imaging-specific relative cortical perfusion was calculated within the infarcted and non-infarcted area defined trough MRI. Laser Speckle Imaging-specific perfusion values (given in the arbitrary unit flux) were normalized to the mean flux in the non-infarcted area. Cumulative probability curves were computed and positive (at least 95% probability of infarction) and negative (at least 95% probability of non-infarction) prediction limits were determined. Laser Speckle Imaging permitted immediate real-time visualization and measurement of relative cortical perfusion in excellent image quality and high spatial-temporal resolution in all patients. Positive and negative prediction limits of infracted tissue were determined at 40% and 110% of baseline perfusion, respectively. Of the exposed cortical surface area across all patients, 61.7±24% were determined as infracted (below 40% normalized flux) compared to 11.2±9% as non-infarcted (above 110% normalized flux) and 27.2±16% as tissue with perfusion between the determined perfusion thresholds of 40 and 110% normalized flux. Laser Speckle Imaging is a valuable tool to sensitively predict infarcted and non-infarcted tissue in patients undergoing neurosurgical procedures due to malignant hemispheric stroke. Laser Speckle Imaging provides excellent spatial resolution and could routinely be used for intraoperative evaluation of hyper- or hypoperfusion during vascular procedures or while positioning multimodal probes for perioperative monitoring.