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Medizinisch-optische Bildgebung

Arbeitsgruppe 8.31

Funktionelle Bildgebung am Kopf

Zeitaufgelöste Nahinfrarot-Spektroskopie und  Bildgebung am Kopf des Erwachsenen

Ziele


Nicht-invasive Bestimmung von Änderungen in Blutvolumen, Sauerstoffsättigung und Perfusion im Kortex von Erwachsenen. Entwicklung eines kompakten, transportablen Gerätes, das zur Überwachung am Krankenbett geeignet ist. Entwicklung von robusten Algorithmen zur Datenanalyse.

Mögliche neurologische Anwendungen


  • Erfassung der zerebralen hämodynamischen Reizantwort auf funktionelle Stimulation, insbesondere in Kombination mit DC-Magnetoenzephalographie (DC-MEG) and funktioneller Kernspintomographie (fMRI)
    Ziel: Aufklärung der neurovaskulären Kopplung unter physiologischen und pathologischen Bedingungen
  • Messung von Boli des Kontrastmittels Indocyaningrün (ICG) im Gehirn
    Ziel: Beurteilung der zerebralen Durchblutung, insbesondere bei Schlaganfallpatienten

Methode

Kurze (~ 100 ps) Laserimpulse werden über eine Lichtleitfaser zum Kopf gebracht. Photonen, die das Gewebe nach vielfacher Streuung in einem Abstand von z.B. 3 cm von der Quelle wieder verlassen ("diffuse Reflexion"), werden mit einem optischen Faserbündel gesammelt und einem schnellen Detektor zugeführt. Mittels zeitkorrelierter Einzelphotonenzählung wird die Laufzeit jedes einzelnen Photons gemessen, und die Verteilung der Laufzeiten wird akkumuliert.

Prinzip der Tiefenauflösung
Fig. 1: Prinzip der Tiefenauflösung

Die Breite der Laufzeitverteilung hängt von den optischen Eigenschaften (Streu- und Absorptionskoeffizient) des durchlaufenen Gewebes ab. Durch Analyse der Form der Laufzeitverteilung ist die tiefenaufgelöste Bestimmung der optischen Eigenschaften möglich: Photonen, die den Detektor nach kurzen Laufzeiten erreichen ("frühe Photonen"), dringen im Mittel weniger tief in das Gewebe ein als Photonen mit langen Laufzeiten ("späte Photonen"). Simultane Messungen bei mehreren Wellenlängen erlauben es, Konzentrationsänderungen von Oxy- und Deoxyhämoglobin zu untersuchen.

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Messtechnik

Die technische Realisierung dieser Methode beruht auf Pikosekunden-Diodenlasern bei mehreren Wellenlängen und vielkanaliger zeitkorrelierter Einzelphotonenzählung.

  • Time-domain NIR brain imager (Funktionsmuster) [Wabnitz et al. 2005]:
    4 simultane Detektionskanäle, 9 Quellpositionen (über optischen Faserschalter), modulares Design, weitgehend automatisiert
  • Aufrüstung für optionalen Nachweis von Fluoreszenz
  • Aufrüstung für simultane Erfassung von Indocyaningrün-Boli in diffuser Reflexion auf beiden Hemisphären: 1 Laser (785 nm) für 2 Quellpositionen und 2 Detektionskanäle, d.h. 4 Quell-Detektor-Paare per Hemisphäre
  • Technische Unbedenklichkeitserklärung (Zertifikat Z-08-111-MP) für den Einsatz in klinischen Studien
Time-domain NIR brain imager
Fig. 2: Time-domain NIR brain imager
Time-domain NIR brain imager
Fig. 2: Time-domain NIR brain imager

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Datenanalyse

  • Methode zur tiefenaufgelösten Bestimmung von Absorptionsänderungen auf der Basis eines Vielschicht-Modells und zeitabhängiger partieller Pfadlängen [Steinbrink 2000, Steinbrink et al. 2001]
    • Simulation der Lichtausbreitung in einem Vielschichtmodell mittels der Monte-Carlo-Methode
    • Test der Methode an Vielschicht-Phantomen und Anwendung in verschiedenen in-vivo-Experimenten an gesunden Probanden
  • Methode zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung des Blutes in tiefen Gewebeschichten auf der Basis eines homogenen Diffusionsmodells unter besonderer Berücksichtigung später Photonen; Test an simulierten Daten und in vivo
  • Analyse basierend auf Momenten der gemessenen Laufzeitverteilungen [Liebert et al. 2004, Liebert et al. 2005Liebert et al 2012]
    • Bestimmung tiefenaufgelöster Absorptionsänderungen aus Messungen bei mehrene Abständen
    • Tiefendiskriminierung: Varianz ist selektiv empfindlich gegenüber tiefen Absorptionsänderungen (Kortex) (s. Fig. 3)
  • Entwicklung eines effizienten Monte-Carlo-Codes für die Simulation der Erzeugung und Ausbreitung von Fluoreszenz in einem geschichteten Gewebemodell [Liebert et al. 2008]
Empfindlichkeit der Momente gegenüber kleinen Absorptionsänderungen
Fig. 3: Empfindlichkeit der Momente gegenüber kleinen Absorptionsänderungen

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Ergebnisse

Beurteilung der zerebralen Perfusion bei Schlaganfallpatienten [Liebert et al. 2005] (s. Fig. 4)

  • Erfolgreiche klinische Studie in einer Deutsch-Polnischen Kooperation in den Neurowissenschaften zur optischen Darstellung der Perfusionsdynamik bei Schlaganfallpatienten [Steinkellner et al. 2010, 2012]

Fluoreszenzdetektion von ICG-Boli

Zeitaufgelöste funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) des Gehirns [Wabnitz et al. 2010]

EU-Projekt "nEUROPt"

  • Berührungslose Bildgebung des Gehirns bei kleinem Abstand von Quelle und Detektor [Mazurenka et al. 2012]
  • Entwicklung und Anwendung von gemeinsamen Protokollen zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Geräten zur zeitaufgelösten optischen Bildgebung des Gehirns [Wabnitz et al. 2011]
ICG-Boli gemessen bei einem Schlaganfallpatienten
Fig. 4: ICG-Boli gemessen bei einem Schlaganfallpatienten
Reizantwort auf motorische Stimulation gemessen mit dem "Time-domain NIR brain imager"
Fig. 5: Reizantwort auf motorische Stimulation gemessen mit dem "Time-domain NIR brain imager"

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Aktuelle Arbeiten

  • Beteiligung am Europäischen Projekt nEUROPt (“Non-invasive imaging of brain function and disease by pulsed near infrared light”)
    • Instrumentelle und methodische Entwicklungen für die zeitaufgelöste optische Bildgebung des Gehirns
    • Leistungsvergleich von Geräten
    • Klinische Anwendungen
  • Klinische Studie zur Beurteilung der Perfusion bei Schlaganfallpatienten mittels ICG-Bolustracking
  • Kombinierte Messungen mit DC-MEG von Reizantworten auf motorische Stimulation bei Schlaganfallpatienten (neurovaskuläre Kopplung)

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Publikationen

Steinbrink J,
Nahinfrarotspektroskopie am Kopf des Erwachsenen mit Pikosekunden-Zeitauflösung,
Dissertation, Freie Universität Berlin 2000.

Steinbrink J, Wabnitz H, Obrig H, Villringer A, Rinneberg H (2001),
Determining changes in NIR absorption using a layered model of the human head,
Phys. Med. Biol. 46: 879-896,
doi:10.1088/0031-9155/46/3/320.

Liebert A, Wabnitz H, Grosenick D, Macdonald R (2003a),
Fiber dispersion in time domain measurements compromising the accuracy of determination of optical properties of strongly scattering media,
J. Biomed. Opt. 8: 512-6,
doi:10.1117/1.1578088.

Liebert A, Wabnitz H, Grosenick D, Möller M, Macdonald R (2003b),
Evaluation of optical properties of highly scattering media by moments of distributions of times of flight of photons,
Appl. Opt. 42: 5785-92,
doi:10.1364/AO.42.005785.

Liebert A, Wabnitz H, Steinbrink J, Obrig H, Möller M, Macdonald R, Villringer A, Rinneberg H (2004),
Time-resolved multidistance near-infrared spectroscopy of the adult head: intracerebral and extracerebral absorption changes from moments of distribution of times of flight of photons,
Appl. Opt. 43: 3037-47,
doi:10.1364/AO.43.003037.

Liebert A, Wabnitz H, Möller M, Macdonald R, Rinneberg H, Steinbrink J, Villringer A, Obrig H (2005),
Bed-side assessment of cerebral perfusion in stroke patients based on optical monitoring of a dye bolus by time-resolved diffuse reflectance,
Neuroimage 24: 425-435,
doi:10.1016/j.neuroimage.2004.08.046.

Wabnitz H, Moeller M, Liebert A, Walter A, Erdmann R, Raitza O, Drenckhahn C, Dreier JP, Obrig H, Steinbrink J, Macdonald R (2005),
A time-domain NIR brain imager applied in functional stimulation experiments,
in “Photon Migration and Diffuse-Light Imaging II”,
Proc. SPIE 5859, 58590H,
doi:10.1117/12.632837.

Liebert A, Wabnitz H, Obrig H, Erdmann R, Möller M, Macdonald R, Rinneberg H, Villringer A, Steinbrink J (2006),
Non-invasive detection of fluorescence from exogenous chromophores in the adult human brain,
Neuroimage 31: 600-608,
doi:10.1016/j.neuroimage.2005.12.046.

Sander TH, Liebert A, Mackert BM, Wabnitz H, Leistner S, Curio G, Burghoff M, Macdonald R, Trahms L (2007),
DC-magnetoencephalography and time-resolved near-infrared spectroscopy combined to study neuronal and vascular brain responses,
Physiol Meas. 28: 651-64,
doi:10.1088/0967-3334/28/6/004.

Sander TH, Liebert A, Burghoff M, Wabnitz H, Macdonald R, Trahms L (2007),
Cross-correlation analysis of the correspondence between magnetoencephalographic and near-infrared cortical signals,
Meth. Information in Medicine 46: 164-8.

Mackert BM, Leistner S, Sander T, Liebert A, Wabnitz H, Burghoff M, Trahms L, Macdonald R, Curio G (2008),
Dynamics of cortical neurovascular coupling analyzed by simultaneous DC magnetoencephalography and time-resolved near-infrared spectroscopy,
Neuroimage 39: 979-86,
doi:10.1016/j.neuroimage.2007.09.037.

Steinbrink J, Liebert A, Wabnitz H, Macdonald R, Obrig H, Wunder A, Bourayou R, Betz T, Klohs J, Lindauer U, Dirnagl U, Villringer A (2008),
Towards Noninvasive Molecular Fluorescence Imaging of the Human Brain,
Neurodegenerative Dis. 5: 296–303,
doi:10.1159/000135614.

Liebert A, Wabnitz H, Zolek N, Macdonald R (2008),
Monte Carlo algorithm for efficient simulation of time-resolved fluorescence in layered turbid media,
Opt. Express 16:13188-202,
doi:10.1364/OE.16.013188.

Sander TH, Leistner S, Wabnitz H, Mackert B-M, Macdonald R, Trahms L (2010),
Cross-correlation of motor activity signals from dc- magnetoencephalography, near-infrared spectroscopy, and electromyography,
Comput Intell Neurosci 2010 (2010), Article ID 785279, 8 Seiten,
doi:10.1155/2010/785279.

Wabnitz H, Moeller M, Liebert A, Obrig H, Steinbrink J, Macdonald R (2010),
Time-resolved near-infrared spectroscopy and imaging of the adult human brain,
Adv. Exp. Med. Biol. 662: 143-8,
doi:10.1007/978-1-4419-1241-1_20.

Steinkellner O, Gruber C, Wabnitz H, Jelzow A, Steinbrink J, Fiebach JB, Macdonald R, Obrig H (2010),
Optical bedside monitoring of cerebral perfusion: technological and methodological advances applied in a study on acute ischemic stroke,
J. Biomed. Opt. 15: 061708,
doi:10.1117/1.3505009.

Wabnitz H, Pifferi A, Torricelli A, Taubert D R, Mazurenka M, Jelzow A, Farina A, Bargigia I, Contini D, Caffini M, Zucchelli L, Spinelli L, Sawosz P, Liebert A, Macdonald R, Cubeddu R (2011),
Assessment of basic instrumental performance of time-domain optical brain imagers,
Proc. SPIE 7896, 789602,
doi:10.1117/12.874654.

Steinkellner O, Wabnitz H, Schmid S, Steingräber R, Schmidt H, Krüger J, Macdonald R (2011),
Robot-assisted motor activation monitored by time-domain optical brain imaging,
Proc. SPIE 8088, 808807,
doi:10.1117/12.889505.

Jelzow A, Tachtsidis I, Kirilina E, Niessing M, Brühl R, Wabnitz H, Heine A, Ittermann B, Macdonald R (2011),
Simultaneous measurement of time-domain fNIRS and physiological signals during a cognitive task ,
Proc. SPIE 8088, 808803,
doi:10.1117/12.889484.

Leistner S, Sander-Thoemmes T, Wabnitz H, Moeller M, Wachs M, Curio G, Macdonald R, Trahms L, Mackert BM (2011),
Non-invasive simultaneous recording of neuronal and vascular signals in subacute ischemic stroke,
Biomed. Tech. (Berl). 56: 85-90,
doi:10.1515/BMT.2011.002.

Kirilina E, Jelzow A, Heine A, Niessing M, Wabnitz H, Brühl R, Ittermann B, Jacobs AM, Tachtsidis I. (2012),
The physiological origin of task-evoked systemic artefacts in functional near infrared spectroscopy,
Neuroimage 61: 70–81,
doi:10.1016/j.neuroimage.2012.02.074.

Mazurenka M, Jelzow A, Wabnitz H, Contini D, Spinelli L, Pifferi A, Cubeddu R, Mora AD, Tosi A, Zappa F, Macdonald R. (2012),
Non-contact time-resolved diffuse reflectance imaging at null source-detector separation,
Opt. Express. 20: 283-90,
doi:10.1364/OE.20.000283.

Jelzow A, Wabnitz H, Obrig H, Macdonald R, Steinbrink J (2012),
Separation of indocyanine green boluses in the human brain and scalp based on time-resolved in-vivo fluorescence measurements,
J. Biomed. Opt. 17: 057003,
doi:10.1117/1.JBO.17.5.057003.

Liebert A, Wabnitz H, Elster C (2012),
Determination of absorption changes from moments of distributions of times of flight of photons: optimization of measurement conditions for a two-layered tissue model,
J. Biomed. Opt. 17: 057005,
doi:10.1117/1.JBO.17.5.057005.

Steinkellner O, Wabnitz H, Jelzow A, Macdonald R, Gruber C, Steinbrink J, Obrig H (2012),
Cerebral perfusion in acute stroke monitored by time-domain near-infrared reflectometry,
Biocybernetics and Biomedical Engineering 32: 3-16.

Grosenick D, Wabnitz H, Ebert B (2012),
Review: Recent advances in contrast-enhanced near infrared diffuse optical imaging of diseases using indocyanine green,
J. Near Infrared Spectrosc. 20: 203–221,
doi:10.1255/jnirs.964.

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Patentanmeldung

Liebert A, Wabnitz H, Steinbrink J, Obrig H, Macdonald R. (26.03.2004)
Verfahren und Gerät zur Detektion eines in den Körper eines Lebewesens injizierten Farbstoff-Bolus.
DE 10 2004 015 682 B4, WO 2005/094670 A1