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Nicht-invasive Überwachung der Hirnfunktion mittels Nah-Infrarotlicht

Das Gehirn als eines der komplexesten Organe des menschlichen Körpers muss jeden Tag Tausende von Entscheidungen treffen. Allerdings sind viele Abläufe im Gehirn noch zu wenig erforscht, was die Behandlungsoptionen für neurologische Erkrankungen oder Hirnschäden einschränkt.

Gesundheit

Der Behandlungserfolg bei schweren Schädel-Hirn-Traumata (SHT), etwa durch Verkehrsunfall oder Sturz, hängt davon ab, inwieweit es zu hypoxisch (Sauerstoffmangel) oder metabolisch (Stoffwechsel) bedingten Schäden kam. Genauere Kenntnisse pathophysiologischer Prozesse bei Hirnschäden und damit assoziierter biochemischer, zellulärer und molekularer Veränderungen können dazu beitragen, die Behandlung bereits in der Frühphase zu verbessern.

Gehirnüberwachung mittels Nah-Infrarottechnologie

Unterstützt durch das Marie-Skłodowska-Curie-Programm entwickelte das Projekt BitMap photonische Systeme, um die Hirnfunktion bei der neurologischen Akutversorgung von SHT und bei Neugeborenenhypoxie zu überwachen. „Grundlage unseres Konzepts ist die Messung klinisch relevanter hämodynamischer Parameter mittels Nah-Infrarotlicht, das in biologischem Gewebe keine Schäden hinterlässt“, erläutert Projektkoordinator Hamid Dehghani. Die Forscher entwickelten Techniken und Analysemethoden, um spezifische Biomarker für Gewebehypoxie, Ischämie und Sauerstoffmetabolismus zu bestimmen. Diese standardisierten klinischen Parameter wurden mit nicht-invasiven optischen Verfahren gemessen, sodass die Gesundheit des Patienten direkt und kontinuierlich überwacht werden kann. Das Prinzip der BitMap-Technologie ist einfach: der Lichtstrahl wandert über ein Faserkabel auf der Schädeloberfläche durch die Oberfläche des Gehirns und wird auf seinem Weg zurück von einem anderen Faserkabel detektiert. Die reflektierte Lichtmenge und zeitliche Distanz liefern Informationen über den Zustand des Gewebes, insbesondere die Sauerstoffversorgung, wie auch zu Blutfluss und Stoffwechselaktivität.

Klinische Leistung von BitMap

Die Wissenschaftler von BitMap testeten die Technologie, insbesondere der Bildgebung und Korrelationsspektroskopie, bei Patienten und gesunden Probanden. So lieferte der Einsatz der Plattformen des Projekts auf Intensivstationen im Universitätsklinikum Vall d’Hebron und dem Institut für Photonik in Spanien bereits vielversprechende Ergebnisse. Zudem sind sie dank einer Reihe neu identifizierter Biomarker direkt für bettseitige Patientenmonitore geeignet. Ebenso ermutigende Ergebnisse erzielten die Universitätskliniken Birmingham und die Universität Birmingham bei der Versorgung leichter, mittelschwerer und schwerer SHT, was zeigt, dass biphotonische Technologien hinreichende Informationen zu Schäden durch Hirntraumata liefern und die Versorgung verbessern. Am University College London Hospital (UCLH) konnten mittels BitMap-Technologie der Schweregrad von Hirnschäden bei neonataler Asphyxie – hervorgerufen durch Sauerstoffmangel unter der Geburt – bestimmt und eventuelle neurologische Schäden prognostiziert werden.

BitMap – Bedeutung und Zukunftsaussichten

Das Konzept, morphologische und physiologische Informationen über den menschlichen Körper mittels physikalischer Systeme zu gewinnen, ist durchaus nicht neu und findet bereits vielfach medizinische Anwendung. Voraussetzung beim Überwachen der Hirnfunktion sind nicht-invasive Methoden, die Ergebnisse unmittelbar und in Echtzeit liefern. Mit den BitMap-Geräten können SHT, Gehirnerschütterungen durch Sportunfälle sowie Bewusstseinszustände bei Wachkomapatienten erkannt und charakterisiert werden. Auf diese Weise kann medizinisches Personal individuelles Ansprechen des Patienten auf eine Therapie beurteilen und die Versorgung entsprechend anpassen. Für die Zukunft geht Dehghani davon aus, dass „die künftige und weitere Finanzierung zur Optimierung dieser Technologien beitragen wird, um die Hirnfunktion bei Operationen zu überwachen und das klinische Ergebnis zu verbessern.“ Einhergehend mit der Ausbildung von Nachwuchsforschern im BitMap-Projekt werden die Fördermittel weitere Durchbrüche in der technologischen Entwicklung für die neurologische Akutversorgung bringen, was langfristig die Genesungszeit verkürzen und Behandlungskosten senken dürfte.

Schlüsselbegriffe

BitMap, Schädel-Hirn-Traumata (SHT), Nah-Infrarotlicht, Sauerstoffmangel, Gehirnerschütterung, neonatale Asphyxie

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