Funktionelle Nahinfrarotspektroskopie

1977 zeigte Jöbsis, dass biologisches Gewebe im nahen Infrarot so durchlässig ist, dass sich die Oxygenierung des Gehirns nichtinvasiv durch den Schädel messen lässt.^[1] 1993 erschienen unabhängig voneinander die ersten fNIRS-Studien am Menschen, unter anderem von Villringer, Hoshi, Kato und Chance.^[2][3] Davon abzugrenzen ist das NIRS-Monitoring bzw. die Zerebraloxymetrie wie etwa in der Herzchirurgie. Sie überwacht die regionale Sauerstoffsättigung des Gewebes und bildet keine aufgabenbezogene Hirnaktivität ab.

Die fNIRS beruht auf der neurovaskulären Kopplung. Wird ein Hirnareal aktiv, steigt dort der Blutfluss (funktionelle Hyperämie), und zwar stärker als der lokale Sauerstoffverbrauch. Typisch sind deshalb ein Anstieg von HbO₂ und ein Abfall von HHb. Die Antwort erreicht ihr Maximum etwa 5–6 s nach Reizbeginn.^[4] Das Prinzip ähnelt damit dem BOLD-Signal der fMRT.

Licht im optischen Fenster von etwa 650–950 nm wird über Optoden auf der Kopfhaut eingestrahlt.^[5] HbO₂ und HHb absorbieren dieses Licht unterschiedlich stark: HHb vor allem unterhalb von etwa 800 nm, HbO₂ darüber. Deshalb misst man mit mindestens zwei Wellenlängen. Ein Detektor in einigen Zentimetern Abstand fängt das gestreute Licht wieder auf. Es durchläuft das Gewebe auf einem bananenförmigen Weg. Quelle und Detektor bilden zusammen einen Messkanal.

Die Eindringtiefe beträgt näherungsweise die Hälfte des Abstands zwischen Quelle und Detektor und hängt zudem von Wellenlänge und Anatomie ab.^[3] Bei Erwachsenen sind typischerweise 30–35 mm Abstand üblich, entsprechend einer Tiefe von etwa 1,5–2 cm. Aus der gemessenen Abschwächung des Lichts werden mit dem modifizierten Lambert-Beer-Gesetz die Konzentrationsänderungen berechnet.^[4]

Es gibt drei Gerätetypen:

• Continuous-Wave-Systeme (CW): am weitesten verbreitet, arbeiten mit kontinuierlicher Beleuchtung und liefern relative Konzentrationsänderungen gegenüber einem Ausgangswert
• Frequency-Domain-Systeme (FD): arbeiten mit intensitätsmoduliertem Licht und messen zusätzlich die Phasenverschiebung
• Time-Domain-Systeme (TD): arbeiten mit kurzen Lichtpulsen und messen deren Laufzeitverteilung

FD- und TD-Systeme können Absorption und Streuung getrennt bestimmen. Unter Modellannahmen lassen sich daraus absolute Konzentrationen von HbO₂ und HHb berechnen.^[3][4]

Die fNIRS bietet mehrere Vorteile:

• nichtinvasiv, ohne ionisierende Strahlung, leise und vergleichsweise kostengünstig
• tragbar und weniger bewegungsempfindlich als die fMRT, daher auch in natürlichen Alltagssituationen einsetzbar
• für alle Altersgruppen geeignet, auch für Neugeborene
• höhere Abtastrate als die fMRT, die zeitliche Auflösung ist jedoch wie dort durch die träge hämodynamische Antwort begrenzt

Die fNIRS weist zudem folgende Nachteile auf:

• erfasst nur den oberflächlichen Kortex
• liefert keine anatomischen Bilder
• räumliche Auflösung nur im Zentimeterbereich
• störanfällig durch Bewegungsartefakte und Haare, die Datenanalyse ist kaum standardisiert

Für die transparente Dokumentation von Messung, Datenverarbeitung und Ergebnissen liegen konsentierte Best-Practice-Empfehlungen der Society for Functional Near-Infrared Spectroscopy vor, die die Nachvollziehbarkeit und Reproduzierbarkeit verbessern sollen.^[6]

Eine wichtige Fehlerquelle sind Signale, die nicht aus der neurovaskulären Kopplung stammen. Dazu zählen die Durchblutung der Kopfhaut und systemische Einflüsse wie Herzfrequenz, Blutdruck, Atmung und arterieller CO₂-Partialdruck. Sie können eine Hirnaktivierung vortäuschen (falsch-positiv) oder überdecken (falsch-negativ). Empfohlene Gegenmaßnahmen:^[7]

• Kurzdistanzkanäle (bei Erwachsenen ca. 8 mm), die oberflächliche Signale aus Kopfhaut und Schädel erfassen, damit diese bei der Auswertung herausgerechnet werden können
• systemische Parameter mitmessen
• immer sowohl HbO₂ als auch HHb angeben

Bei bestimmungsgemäßer Anwendung eines normgerechten Geräts bestehen keine allgemein anerkannten absoluten Kontraindikationen. Insbesondere sind Schwangerschaft, Lebensalter und metallische Implantate keine fNIRS-spezifischen Ausschlussgründe.^[8]

Schwere Verletzungen der Kopfhaut im Bereich der Optoden stellen eine relative Kontraindikation dar.^[9] Die Untersuchung ist abzubrechen oder anzupassen, wenn Druckschmerzen, Hautreizungen oder eine deutliche Erwärmung auftreten. Lichtquellen dürfen nicht auf die Augen gerichtet und nur nach den Sicherheitsvorgaben des Herstellers betrieben werden.^[10]

Eine valide Messung kann unmöglich sein, wenn kein ausreichender Optoden-Kopfhaut-Kontakt hergestellt werden kann oder starke, nicht korrigierbare Bewegungen auftreten.^[11] Dichtes, stark gelocktes oder dunkles Haar sowie eine stärkere Hautpigmentierung können die Signalqualität vermindern, sind jedoch keine medizinischen Kontraindikationen; vor einem Ausschluss sind angepasste Optoden, sorgfältige Haarvorbereitung und eine dokumentierte Qualitätskontrolle einzusetzen.^[12]

Die fNIRS wird bislang vor allem in der Forschung eingesetzt:^[3][4]

• kognitive und soziale Neurowissenschaft, auch zur gleichzeitigen Messung mehrerer Personen (Hyperscanning)
• Entwicklungsneurowissenschaft bei Säuglingen und Kindern
• Psychiatrie und Neurologie
• Neurorehabilitation, zum Beispiel nach einem Schlaganfall
• Brain-Computer-Interfaces