Infrarotspektroskopie in der medizinischen Diagnostik

Abstract

Die Hemoenzephalografie basiert auf der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) und ist eine Art des Neurofeedbacks, durch das der Patient zur willentlichen Änderung seiner Gehirnströme befähigt wird. Die Feedbacktechnik erlaubt es gezielt schwach durchblutete Hirnregionen zu (re-)aktivieren und zu trainieren, was bei der Rehabilitation nach Schlaganfällen oder bei Depressionen eingesetzt wird. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Realisierung eines Nahinfrarotspektroskops für die Hemoenzephalografie zur nicht-invasiven Messung der Durchblutungsänderung von zerebralen Schichten. Ausgehend von einer continuous-wave Messung mit Eigenschaften der time-domain Methode wurden mit Hinblick auf ein möglichst großes Signal-zu-Rausch Verhältnis (SNR) die Wellenlängen 904nm oder 850nm oberhalb, und 685nm unterhalb des isobestischen Punktes ausgewählt. Das iC-WK/L Demo Board diente als Treiberschaltung für die Lichtquelle und konnte die Voraussetzung einer stabilen Abstrahlintensität, auch bei sich ändernder Raumtemperatur, erfüllen. Die Licht Ein- und Auskopplung erfolgte über Lichtwellenleiter um die Möglichkeit einer Messung am behaarten Skalp zu gewährleisten. Als Detektor kam eine Hamamatsu S2384 Avalanchephotodiode oder eine OPT101 Photodiode zum Einsatz. Um die Sensibilität der Messschaltung zu erhöhen wurde ein Lock-in Verstärker zuerst in LTSpice simuliert und anschließend in den Hardwareaufbau erfolgreich integriert, wodurch keinerlei zusätzliche Filterschaltungen benötigt wurden. Mit Hilfe zweier Probanden konnten im weiteren Verlauf Messungen einer Hypooxigenierung, eines Valsalva Manövers, einer Abstandsänderung und einer Stimulation des Motorcortex bei 904nm durchgeführt werden, die anschließend aufbereitet, analysiert und im Vergleich mit anderen Arbeiten diskutiert wurden. Anhand der ermittelten Daten konnte gezeigt werden, dass die Konstruktion eines Nahinfrarotspektroskops zur Messung am behaarten Skalp durch einen verhältnismäßig geringen Schaltungsaufwand über integrierte Lösungen möglich ist. Im Vergleich mit anderen Nahinfrarotspektroskopen konnten die Gesamtkosten und die Größe der kompletten Realisierung bei ausreichender Empfindlichkeit verringert und so die Mobilität erhöht werden, wodurch Einsätze im täglichen Leben abseits des Krankenbettes Grundlage neuer Forschungsarbeiten werden kann.

Hemoencephalography is based on near-infrared spectroscopy and is a kind of neurofeedback through which a patient can control the signals of his central nervous system by his own will. The feedback technique allows to reactivate areas of low perfusion and so supports rehabilitation after apoplexia and depression. The present thesis deals with the realization of a near-infrared spectroscope for hemoencephalography to achieve a non-invasive measuring concerning the change of blood perfusion of cerebral layers. Based on a countinuous-wave measurement with some characteristics of a time-domain method wavelenghts with 904nm or 850nm above and 685nm below the isobestic point were chosen in terms of getting a higher signal-to-noise ratio and less cross-talk. The iC-WK/L demo board served as a driver circuit for the light source to keep it at a constant intensity even in case of changes in room temperature. In addition, fiber optics were applied to guide the light to and from the hairy scalp. For photon detection an avalanchephotodiode or a normal photodiode has been used. To enhance the sensibility a lock-in amplifier was simulated first in LTSpice and then added to the circuit which made any additional filtering circuits superfluous. The following measurements of a hypooxygenation, a valsalva maneuver, a measurement at different distances and a stimulation of the motor cortex through finger movement were executed on two test persons at a wavelenght of 904nm. The recorded data were analyzed and the results were compared to those in other theses. The results revealed the fact that it is possible to develop a near-infrared spectroscope for measurements on the hairy scalp by using integrated circuits. In comparison to other near-infrared spectroscopes this prototype managed to be low-cost as well as smaller than comparable spectroscopes whereas it is still highly sensitive. Based on these characteristics new applications apart from the bedside-use can be the basic concept for further research.