Biomedizinische Anwendungen der Dynamischen Vielfachstreuung von Licht (DWS)

Abstract

In dieser Arbeit wurde die Thematik der biomedizinischen Anwendung der dynamischen Vielfachstreuung von Licht in drei Teilen bearbeitet:(1) Anhand von in-vivo-Messungen am visuellen Kortex des Menschen wurde nachs schnellen neuronalen Signalen gesucht. Die Stimulation erfolgte mittels eines blinkenden Schachbrettmusters und nutzt das Steady-State-Paradigma. Synchronisierte EEGMessungen konnten die Aktivierung des visuellen Kortex bestätigen. Im Frequenzraum des DWS-Signals konnte kein schnelles neuronal gekoppeltes Signal gefunden werden. Während der Stimulation war die Abfallzeit der Korrelationsfunktion signifikant gestiegen. Erste Vermutungen, dass dieser den Erwartungen entgegenlaufende Effekt mit falscher Positionierung der DWS-Messung zusammenhängt, konnte mittels eines Mapping-Experiments widerlegt werden. Dieses zeigte unabhängig von der Messposition einen Trend zur Steigerung der Abfallzeit. Die physiologische Ursache dieses Effektes ist nach wie vor ungeklärt. Denkbar wäre es, dass es sich um einen Effekt handelt, der lediglich kurzfristig nach Stimulationsbeginn auftritt (die Stimulationsperiode dauerte jeweils lediglich 8.2s). Um dies zu untersuchen, müsste in einer Wiederholung der Messungen längere Stimulations-Intervalle gewählt werden. Für die weitere Suche nach einem schnellen neuronal gekoppelten Signal würde sich ein ex-vivo-Experiment anbieten, bei dem über eine künstliche Spannungsversorgung eines Hirnschnittes Nervenaktivität gezielt gesteuert werden könnte. Zudem könnte von einer solchen Messung ein sehr viel besseres Signal-Rauschverhältnis erwartet werden, weil das Streulicht direkt an den Nervenzellen gemessen werden könnte und nicht noch zusätzlich durch den Schädel und die Kopfhaut propagieren müsste. Blutfluss-Effekte (welche viele Grössenordnungen stärker sind als das erwartete schnelle neuronal gekoppelte Signal) könnten auf diese Weise ebenfalls umgangen werden.(2) Mittels künstlich perfundierter Schweinenieren wurde der Einfluss von Scherbewegungen des Gewebes auf das DWS-Signal untersucht. Die Scherbewegungen konnten mittels sinusförmiger Perfusion mit Wasser direkt gemessen werden. Ein direkter Vergleich mit dem Blutfluss-gekoppelten Signal (welches mit verdünntem Schweineblut gemessen wurde) hat gezeigt, dass die Scherbewegungen in realem Gewebe vernachlässigt werden können. Damit ist es grundsätzlich denkbar, DWS für die Messung von absolutem Blutfluss einzusetzen. Allerdings müsste dabei nebst der Kenntnis der optischen Parameter des Gewebes auch die Fluss-Abhängigkeit des relativen Blutvolumens berücksichtigt werden, welches via Intensitätsmessungen als nicht konstant festgestellt wurde. Mittels Messungen mit konstantem Blutfluss konnte zudem gezeigt werden, dass die mittlere quadratische Phasenfluktuatione der Streuer sehr gut mit der Diffusionstheorie in Einklang gebracht werden kann, obwohl sich die Bedingungen die in den Arteriolen und Kapillaren herrschen fundamental von den Bedingungen der Brownschen Bewegung unterscheiden. Der dahinter liegende Mechanismus ist nach wie vor nicht vollständig verstanden. Als Ursache wären Verformungen der Erythrozyten und deren transversale Bewegung in den Arteriolen und Venolen denkbar. Zur weiteren experimentellen Erforschung dieses Phänomens würde es sich anbieten, Experimente in einem dicken Glasrohr mit variierenden Rohrdurchmessern, Blutkonzentrationen und Flussgeschwindigkeiten durchzuführen. Dies würde es erlauben, den Einfluss von transversalen Geschwindigkeitsgradienten (der nur bei sehr dünnen Rohrdurchmessern relevant sein kann) zu quantifizieren.(3)Mittels Flugzeitmessung konnte ein Aufbau zur pfadlängenselektiven DWS-Messung aufgebaut und analysiert werden. Dazu wurden die Probe mit einem ps-Laser beleuchtet und das Streulicht mittels eines High-Rate-Imagers gegated und mit zwei APD detektiert und kreuzkorreliert. Es gelang mit diesem Aufbau, die Pfadlänge via des Delays der gegateted Detektion zu selektieren. Die damit erreichten Korrelationsfunktionen stimmten sehr gut mit den theoretisch erwarteten Resultaten überein. Anhand einer in einer streuenden Probe befindlichen dynamischen Heterogenität wurde der DWS-Kontrast mit demjenigen des klassischen DWS-Aufbaus verglichen. Dabei konnte eine wesentliche Verbesserung des dynamischen Kontrasts erzielt werden. Dank der guten Quanteneffizienz von insgesamt über 6% (beide Kreuzkorrelationskanäle zusammen) könnte dieser Aufbaudirekt in biomedizinischen Experimenten eingesetzt werden, was zu einer Verbesserung der örtlichen Auflösung führen würde. Allerdings müsste dazu eine gepulste Beleuchtung im nahen Infrarot verwendet werden, um Absorptionseffekte zu minimieren.