Obrig, Hellmuth : Nahinfrarotspektroskopie des Gehirns

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Methodik: Zusammenfassung und Ausblick

Seit 1949 (Hill and Keynes, 1949) ist bekannt, daß Änderungen der optischen Eigenschaften im cerebralen Gewebe physiologische Prozesse der cerebralen Funktion reflektieren. 50 Jahre später erlauben optische Methoden mit exzellenter räumlicher und zeitlicher Auflösung die Darstellung und Differenzierung elektrophysiologischer, metabolischer und vaskulärer Prozesse am freigelegten cerebralen Cortex. Die nicht-invasive Anwendung ist im nahinfraroten spektralen Fenster möglich und wurde Ende der 70er Jahre erstmalig von Jöbsis beschrieben (Jobsis, 1977). Ende der 80er Jahre wurden die ersten kommerziellen Monitore entwickelt (Cope and Delpy, 1988), während in den letzten Jahren nicht-invasive optische Bildgebung und die Entwicklung zeitaufgelöster Systeme, die zusätzliche Information zur Tiefenauflösung und Quantifizierung der gemessenen Änderungen erlauben, den Fokus der technologischen Entwicklung darstellen. Die Frage, inwiefern die Methodik in den nächsten Jahren den Platz in neurophysiologischer Forschung und in der Anwendung in der Neurologie behaupten wird, hängt nach unserer Einschätzung auf methodischer Ebene von 3 Faktoren ab.

Lassen sich zusätzlich zu vaskulären auch metabolische und gegebenenfalls sogar elektrophysiologische Prozesse nicht-invasiv darstellen? Unsere bisherige Arbeit hat hier einen Beitrag zur kritischen Validierung des Meßparameters [Cyt-ox] als Maß für den zellulären Energiemetabolismus geleistet. Für den nicht-invasiven Nachweis schneller potential-korrelierter Signale folgt aus unserer Arbeit eine deutliche Skepsis bezüglich der bisher beschriebenen Ansätze. Hier erscheint uns ein fundamental technologischer Schritt zur deutlichen Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis notwendig, um diesen Parameter zuverlässig als Meßparameter der neuronalen Antwort auch den nicht-invasiven optischen Verfahren zugänglich zu machen. Nicht bezweifeln wir die eminente Signifikanz oder auch die grundsätzliche Möglichkeit der Darstellbarkeit. Mit der ICG-Bolus Technik konnten wir zeigen, daß ein Parameter der cerebralen Perfusion mit geringem technischen Aufwand mit der NIRS am Krankenbett darstellbar ist.

Läßt die Bildgebung eine topographische, lassen zeitaufgelöste oder Multidistanz-Ansätze eine Tiefenauflösung zu; erlangen also zukünftige Ansätze eine deutliche Verbesserung der Definition des Volumens auf das die gemessenen Änderungen zu beziehen sind? Hiermit eng verknüpft ist die Frage nach der Quantifizierung der Änderungen und eventuell der absoluten Quantifizierung der Parameter. Der Beitrag unserer Gruppe lag in der Entwicklung und Prüfung von Lösungsansätzen zu jeweils unterschiedlichen Problemstellungen der räumlichen Auflösung. Aufgabe ist es nun, die Ergebnisse in einem theoretischen und technischen Modell zu kombinieren, um etwa spektroskopisch mit einer groben Tiefenauflösung zu messen (Kombination der zeitaufgelösten mit den bildgebenden Ansätzen).


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Bleibt bei der Weiterentwicklung der portable und in der Bedienung einfache Charakter der Methode erhalten? Dieser Faktor wird insbesondere bestimmen, ob sich die NIRS zum diagnostischen Instrument in der Neurologie und der Intensivmedizin entwickeln wird. Die bisher vorgestellten kommerziellen Monitore und auch bildgebenden Systeme haben diese Perspektive der Methodik verfolgt. Die Entwicklung eines bildgebenden Systems in unserer und auch in anderen Gruppen zeigt andererseits, daß portable ‚state-of-the-art’ Geräte auch ohne den finanziellen und personellen Reichtum großer medizintechnischer Unternehmen verfügbar sind. Kritisch für die Methode erscheint uns jedoch der drohende Trend, daß kommerziell angebotene Monitore zum Teil eine Validität von Oxygenierungs-Parametern vortäuschen, ohne die spezifischen Begrenzungen der Methodik bezüglich der spatialen Auflösung und der Quantifizierung ausreichend zu berücksichtigen. Andererseits besteht die Gefahr, daß grundlagenorientierte Gruppen sich in Modellierungen verschlungener Photonenpfade im Phantom verlieren.

Die Literatur der letzten Jahre zeigt, daß es eine Reihe von klinischen Ansätzen gibt, die valide Aussagen zur cerebralen Hämoglobinoxygenierung bei den untersuchten Krankheitsbildern machen (Nollert et al. 2000; Nollert et al. 1999; Smielewski et al. 1998; Adelson et al. 1999; Kirkpatrick et al. 1998a). Eine klinische Validierung, die der NIRS einen Platz in der Diagnostik neurologischer Erkrankungen und anästhesiologischen Monitorings sichert, steht bisher jedoch aus. Die engere Kooperation zwischen den grundlagenorientierten Gruppen und den klinisch orientierten Anwendern scheint für dieses Ziel in Zukunft wünschenswert.

Neben diesen Fragen nach den methodischen Perspektiven der Nahinfrarotspektroskopie belegen die im ersten Abschnitt zusammengefaßten Studien, daß die NIRS cortikale Oxygenierungsänderungen nachweisen kann. Im folgenden Abschnitt wird nun dargestellt, wie der metodische Zugriff genutzt werden kann, um physiologische Fragen und die Grundlagen der vaskulär-basierten Bildgebung zu untersuchen. In diesem Teil soll gezeigt werden, daß die NIRS nicht allein eine weitere Methode darstellt, die ein weiteres ‚Bild’ cerebraler Aktivierungsmuster hervorbringt. Ziel ist es vielmehr, die Ergebnissse in ein Modell der neurovaskulären Kopplung einzuordnen. Die Relevanz für die anderen bildgebenden Verfahren besteht darin, daß die neurovaskuläre Kopplung die gemeinsame Basis der vaskulär bildgebenden Techniken darstellt. Neben den Fragen zur Signalphysiologie ist die Erforschung der neuro-vaskulären Kopplung aber auch grundlegend für das Verständnis der Hirnphysiologie und schließlich für das Verständnis pathophysiologischer Alterationen insbesondere im Rahmen cerebrovaskulärer Erkrankungen (Teil C).


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Fri Jan 10 11:15:00 2003