Optische Abbildung von Gehirnfunktionen mit vielfach gestreutem Licht

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden menschliche Hirnfunktionen nicht-invasiv mittels dynamischer Vielfachstreuung von nahem infrarotem Licht [Diffusing Wave Spectroscopy (DWS)] nachgewiesen.<br />Es wurde ein Experiment entwickelt, das die kontinuierliche Messung von DWS-Signalen mit variablen Integrationszeiten zwischen 13 und 105 ms erlaubt. Der Multi-Speckle-Aufbau besteht aus einem Array von Avalanche-Photodioden zur Messung der Photonenzählrate und einem neu entwickelten 32-Kanal-Multi-Tau-Korrelator zur parallelen Autokorrelation der gemessenen Intensitätsfluktuationen. Als Empfänger dienen Bündel aus optischen Monomode-Fasern. Durch die simultane Messung mehrerer statistisch unabhängiger, aber äquivalenter Speckles lässt sich das DWS-Signal mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis selbst bei niedrigen Zählraten und sehr kurzen Integrationszeiten messen.<br />Durch die externe PC-Steuerung des Korrelators konnte der Aufbau für zeitaufgelöste Messungen der Streuerdynamik in spezifischen Arealen der Hirnrinde verwendet werden. In Abhängigkeit von Stimulationen mit visuellen und motorischen Reizen, sowie durch Hyperventilation und Gedächtnisübungen wurde die Reaktion der Hirnrinde untersucht. Dabei ist es das erste Mal gelungen die funktionellen Veränderungen des Blutflusses im menschlichen Gehirn vollständig nicht-invasiv mit einer optischen Methode nachzuweisen.<br />Eine Analyse der Daten von Motorstimulations-Experimenten mit einem Mehrschicht-Modell des menschlichen Kopfes zeigte einen signifikanten kontralateralen Anstieg des Diffusionskoeffizienten der Streuer im Areal C3 der motorischen Hirnrinde um ca. 40%. Demgegenüber steht ein geringerer Anstieg des Diffusionskoeffizienten im gleichen Areal von ungefähr 20% für ipsilaterale Stimulation. Diese hemisphärische Asymmetrie zeigt, dass das DWS-Signal für hinreichend lange Quelle-Empfänger-Abstände einen signifikanten Beitrag der Streuerdynamik der Hirnrinde enthält.<br />Im visuellen Kortex liegt der aktivierte Bereich tiefer unter der Schädeldecke als im motorischen Kortex. Mit unserem Multi-Speckle-Aufbau konnten hier funktionelle Änderungen in der Zerfallszeit der Autokorrelationsfunktionen von ca. 4% für die Dauer der Stimulation nachgewiesen werden. Dieser Effekt war um ca. 42% größer als die Verringerung des NIRS-Signals und belegt die hohe Empfindlichkeit von DWS gegenüber Änderungen in der Durchblutung tiefer Bereiche in der Hirnrinde.<br />Eine Veränderung des DWS-Signals kann auch bei Gedächtnisübungen über dem linken präfrontalen Kortex gemessen werden.<br />Anhand von Messungen an einem Phantom-Modell erfolgte eine quantitative Überprüfung der theoretischen Voraussagen für das DWS-Signal von Mehrschicht-Geometrien auf der Basis der Korrelations-Diffusions-Gleichung. Es zeigte sich, dass sich Änderungen der Parameter einzelner Schichten, wie z.B. die Diffusionskonstante im Kortex, bei Kenntnis der übrigen konstanten Parameter mit hoher Genauigkeit bestimmen lassen.<br />Messungen mit dem Multi-Speckle-Aufbau an arteriellem und venösem Blutfluss zeigten einen deutlich schnelleren Zerfall der Autokorrelationsfunktionen in der systolischen gegenüber der diastolischen Phase. Dieser Anstieg der Zerfallsrate von ungefähr 200% für arterielle und venöse Signale liegt deutlich oberhalb der Schwankungen der transmittierten Intensität von unter 4%.