forschungsprogramm optische technologien - Baden-Württemberg ...

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Wissenschaft & Forschung
[2003/2004]
Projekt:
Ausschreibung 2003/2004: Optische Zellsensorik und Zellaktorik
Nicht-invasive Darstellung menschlicher
Hirnfunktionen mittels Diffusing-Wave-
Spectroscopy (DWS)
Universität Konstanz, Fachbereich Physik
Optische Methoden auf der Basis von nah-infrarotem (NIR)
Licht bieten große Vorteile als diagnostische Instrumente für
die Medizin gegenüber etablierten Methoden wie Magnetresonanz-
und Positronen-Emissions-Tomographie sowie Magnetound
Elektroenzephalographie, da sie vergleichsweise geringe
Investitions- und Betriebskosten mit schwacher Wechselwirkung
der verwendeten Strahlung mit dem Gewebe und gute
Portabilität vereinen.
Obwohl biologisches Gewebe NIR-Licht bei Wellenlängen zwischen
ca. 750 nm und 950 nm deutlich schwächer absorbiert
als sichtbares und infrarotes Licht, ist seine Trübung aufgrund
der Lichtstreuung an mikroskopischen Heterogenitäten auf der
Skala der Lichtwellenlänge hinreichend groß, so dass die direkte
Bildgebung von Strukturen, die sich mehr als einige mm unter
der Oberfläche befinden, erheblich erschwert ist. Dies ist gerade
für die funktionale Bildgebung im Gehirn, wo invasive Diagnostik
mit großem Aufwand und erheblichem Risiko verbunden
ist, von größter Tragweite.
Herkömmliche nicht-invasive NIR-optische Methoden zur funktionalen
Bildgebung im menschlichen Gehirn basieren auf
Absorptions- und Streukontrasten aufgrund lokaler Variationen
der Durchblutung und Sauerstoffsättigung des Blutes. Aus gemessenen
Lichtintensitätsverteilungen an der Kopfhaut kann
unter Berücksichtigung der diffusiven Ausbreitung von Licht im
Gewebe auf lokale Veränderungen der Durchblutung im Hirngewebe
aufgrund von funktionaler Aktivation geschlossen werden.
Anderseits geben Bewegungen von Streuern im Gewebe
(wie Vesikel, Mitochondrien, Membranen oder Blutkörperchen)
Anlass zu zeitlichen Fluktuationen im Speckle-Muster von vielfach
gestreutem Laser-Licht, wenn dieses eine hinreichend
große Kohärenzlänge besitzt. Diese "Diffusing-Wave Spectroscopy"
(DWS) genannte Verallgemeinerung der quasi-elastischen
Lichtstreuung auf vielfach gestreutes Licht ist deshalb
v.a. auf dynamische Heterogenitäten im Gewebe empfindlich
(Abb. 1). Im Gegensatz zur klassischen quasi-elastischen Lichtstreuung,
bei der die zeitliche Autokorrelationsfunktion der
Streuintensität, g(2)(t), erst für Streuer-Verschiebungen von
einer Lichtwellenlänge zerfällt, führt in der DWS die Akkumulation
des Phasenhubs durch viele Streuereignisse zu einem
Zerfall des DWS-Signals schon für Streuer-Verschiebungen, die
viel kleiner als eine Wellenlänge sind, dies umso mehr, je länger
der Photonenpfad zwischen Quelle und Empfänger ist. Deshalb
verleiht die Vielfachstreuung dem DWS-Signal eine stark erhöhte
Empfindlichkeit auf mikroskopische Verschiebungen innerhalb
des trüben Mediums. Der Umstand, dass lange Photonenpfade
dem Kurzzeitverhalten von g(2)(t) und umgekehrt kurze
Pfade dem Langzeitverhalten von g(2)(t) entsprechen, verleiht
DWS darüber hinaus eine Art grober räumlicher Auflösung.
Abb. 1: Nah-infrarotes Licht (grün
dargestellt) kann durch Kopfhaut und
Schädeldecke in das Gehirn eindringen
und wird dort an mikroskopischen
Strukturen, z.B. Zellmembranen und
roten Blutkörperchen gestreut.
Das gestreute Licht, das vom Empfänger
auf der Kopfhaut gesammelt wird,
stammt aus dem gelb dargestellten
Volumen zwischen Sender und Empfänger
und trägt Information über
mikroskopische Bewegungen in aktivierten
Bereichen der Hirnrinde.