Methoden zur Messung der Hirndurchblutung

Die Messung der Hirndurchblutung ist entscheidend für das Verständnis der Gehirnfunktion und die Diagnose verschiedener neurologischer Erkrankungen. Dank moderner bildgebender Verfahren ist es Hirnforschern heute möglich, den Turbulenzen im Kopf auf die Spur zu kommen. Es gibt verschiedene Methoden, mit denen die Hirndurchblutung gemessen werden kann, jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen. Dieser Artikel bietet einen Überblick über einige der gängigsten Methoden zur Messung der Hirndurchblutung.

Nuklearmedizinische Techniken

Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT)

Die Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) ist eine nuklearmedizinische Technik, die verwendet wird, um die Durchblutung des Gehirns zu messen. Bei diesem Verfahren wird dem Patienten eine radioaktive Substanz als Kontrastmittel injiziert. Diese Substanz reichert sich in den Blutgefäßen des Gehirns an und sendet radioaktive Strahlung aus, die von einer speziellen Kamera erfasst wird. Die Kamera erstellt dann ein Bild der Durchblutung des Gehirns. Wissenschaftler waren bei ihrer Suche nach Aktivitätsmustern im Gehirn bislang auf nuklearmedizinische Techniken angewiesen.

Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine weitere nuklearmedizinische Technik, die zur Messung der Hirndurchblutung verwendet wird. Bei diesem Verfahren wird dem Patienten eine radioaktive Substanz injiziert, die Positronen aussendet. Diese Positronen kollidieren mit Elektronen im Körper und erzeugen Gammastrahlen, die von einer speziellen Kamera erfasst werden. Die Kamera erstellt dann ein Bild der Durchblutung und des Stoffwechselaktivität des Gehirns.

Nachteile nuklearmedizinischer Techniken: Beide Verfahren arbeiten mit radioaktiven Substanzen, die dem Patienten als Kontrastmittel vor der Aufnahme mit einer speziellen Kamera injiziert werden und von denen radioaktive Strahlung ausgeht.

Magnetresonanztomographie (MRT)

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein bildgebendes Verfahren, das starke Magnetfelder und Radiowellen verwendet, um detaillierte Bilder des Gehirns zu erstellen. Im Unterschied zur CT wird in der MRT zur Gewinnung der Bilddaten ein starkes Magnetfeld eingesetzt. Dieses wird von einer permanent eingeschalteten Magnetspule erzeugt, in dessen Mitte sich der Patient während der Untersuchung befindet. Vorteile der MRT-Bildgebung gegenüber der CT-Bildgebung ist, dass insgesamt das Gehirn wesentlich genauer dargestellt werden kann und das Verfahren vollkommen unschädlich ist (es wird keine Röntgenstrahlung angewendet!). Es gibt verschiedene MRT-Techniken, die zur Messung der Hirndurchblutung verwendet werden können, darunter:

Lesen Sie auch: Symptome bei HWS-bedingten Hirndurchblutungsstörungen

Continuous Arterial Spin Labeling (CASL)

Die Bonner Forscher haben in ihrer Studie nun erstmals eine schonendere Technik angewendet, um Blutfluss im Gehirn schizophrener Patienten zu messen. Die Methode nennt sich Continuous Arterial Spin Labeling (CASL) und ist eine spezielle Form der Magnetresonanz-Tomografie. Das Prinzip: Das arterielle Blut wird im Halsbereich des Patienten durch ein Hochfrequenzsignal magnetisch markiert, bevor es einen bestimmten Abschnitt des Gehirns erreicht. Nach einer gewissen Zeit, in der sich das markierte Blut im Gehirn verteilt hat, wird ein Bild aufgenommen.Die Bonner Forscher verglichen auf diese Weise den Blutfluss im Gehirn von 11 Schizophrenie-Patienten mit dem bei 25 gesunden Kontrollpersonen. Ergebnis: Schizophrene Patienten zeigten im Vergleich zu Gesunden eine stärkere Durchblutung im Kleinhirn, Hirnstamm und Thalamus und einen geringeren Blutfluss in Teilen des Frontalhirns. Diese Regionen übernehmen eine Vielzahl kognitiver Funktionen, wie Entscheidungsfindung, Planung, Urteilsvermögen und Impulskontrolle. Die Blutflussmuster, welche die Bonner Forscher aufspürten, decken sich weitestgehend mit den Ergebnissen aus PET- und SPECT-Untersuchungen. „Wir wollten testen, ob die CASL-Technik empfindlich genug ist, um Unterschiede im Blutfluss nachzuweisen, und das ist uns erfolgreich gelungen", freut sich Dr.

Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist eine interessante, nicht-invasive Untersuchungsmethode, dank der wir "die Arbeit" des Gehirnes bei unterschiedlichen Aufgaben dokumentieren können. Stark arbeitende Nervenzellen im aktivierten Hirnareal brauchen Nährstoffe - Sauerstoff und Glukose. Zur Versorgung dieser Nachfrage führt eine komplexe Reaktion zwischen den Gefäßen und den Nervenzellen zu einer Steigerung der Durchblutung des aktivierten Hirnareals. Das sauerstoffreiche Blut kann ruft Veränderungen im lokalen Magnetfeld hervor, die in speziellen, besonders schnellen MRT-Sequenzen nachgewiesen werden können. Durch eine komplexe Nachverarbeitung der gewonnenen Bilddaten können diese Veränderungen dargestellt und mit Hilfe statistischer Tests als Aktivität des betreffenden Hirnareals identifizert werden.

Die vorrangige Indikation einer fMRT-Untersuchung ist die Diagnostik vor Hirnoperationen und die Fragestellung der räumlichen Lage der Sprachareale. Dies gilt besonders wenn das Zielareal der Operation nahe an die für Sprache zuständigen Hirnarealen liegt. Bei Planung eines neurochirurgischen Eingriffes ist es wichtig zu wissen, welche Folgen die OP für die zu versorgende Person haben könnte, und die fMRT hilft eventuelle Komplikationen abzuschätzen.

Insgesamt ist der Ablauf der Untersuchung ähnlich zur „normalen“ MRT. Sie werden jedoch im Gerät gebeten unterschiedliche Aufgaben zu lösen. Diese Aufgaben werden Ihnen über einen Bildschirm präsentiert. Es gibt sowohl Aufgaben bei denen Sie mit Hilfe von Druckknöpfen aktiv eine Antwort geben sollen, als auch Aufgaben bei denen Sie nur darum gebeten werden sich zu einem angezeigten Wort etwas vorzustellen. Vor jeder Aufgabe erhalten Sie eine Einweisung durch die Medizinisch-Technischen Radiologieassistenten (MTRA) was Sie im nächsten Schritt erwartet. Der Aufgabenteil dauert etwa 20 min. Anschließend werden die Bilder in einem aufwendigen Verfahren ausgewertet und aufbereitet, so dass Ihre behandelnden Ärzt*innen die Komplikationen des geplanten Eingriffs besser einschätzen können.

Mehr noch als bei normalen MRT-Untersuchungen ist Ihre Mitarbeit bei fMRT-Untersuchungen gefragt. Wichtig: Es gibt keine Bewertung, ob die Aufgaben richtig oder falsch gelöst wurde - einzig entscheidend ist ihr Einsatz.

Lesen Sie auch: Was hilft bei schlechter Durchblutung im Gehirn?

Magnetresonanzangiographie (MRA)

Mit der Angiographie ist eine Darstellung des Gefäßsystems möglich. Im Gegensatz zu anderen MR-angiographischen Methoden lässt sich der Blutfluss in den Gefäßen des Gehirns mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung (bis zu 40 Bilder/Sekunde) erfassen. Diese Methode ist u.a. geeignet, Phänomene der Blutumverteilung (Kollateralisierung) z.B. bei einer Ischämie zu erfassen.

Perfusions-MRT

Sowohl mittels CT als auch MRT lässt sich die Durchblutung des Gehirns in einer bestimmten Region nach Gabe eines Kontrastmittelbolus messen. Verschiedene Parameter der Durchblutung können bestimmt und in Parametermaps dargestellt werden. Die Quantifizierung der Perfusion des Gehirns spielt eine große Rolle im Rahmen von primären Hirndurchblutungsstörungen (Schlaganfall), aber auch bei vielen Hirntumoren, wobei die Malignität des Tumors mit dem Grad der Durchblutung korreliert.

Diffusions-MRT (DWI)

Mit Hilfe von Diffusionsmessungen ist es möglich, die Brownsche Molekularbewegung als Grundlage von Diffusionsbewegungen zu erfassen. Diese kann im Rahmen von pathologischen Prozessen verändert sein und dadurch Hinweise sowohl auf die Lokalisation als auch die Ätiologie der Störung geben. DTI ist eine Methode, mit der Faserverläufe und Bahnsysteme im Gehirn sichtbar gemacht werden können. Bei vielen Erkrankungen des Gehirns sind die Bahnsysteme beeinträchtigt.

Computertomographie (CT)

Bei der Computertomographie werden unter Verwendung eines um den Körper rotierenden Röntgenstrahls und digitaler Weiterverarbeitung der gewonnenen Daten Schnittbilder von Organen gewonnen. Diese bestehen aus Graustufen, die aufgrund der unterschiedlichen Röntgendichte Gewebe unterschiedlich in Schichtdicken von wenigen Millimetern darstellen. Verschiedene Krankheitsprozesse des Gehirns, der Wirbelsäule, aber auch der Nachbarstrukturen, können so schnell und unkompliziert untersucht werden. Ein Spezialverfahren der Computertomographie ist die CT-Angiographie (CTA): Nach Gabe eines Kontrastmittelbolus werden Messungen bei arterieller bzw. venöser Durchströmung des Gefäßsystems durchgeführt.

Nahinfrarotspektroskopie (NIRS)

Welche Bereiche des Gehirns in bestimmten Situationen besonders gefordert sind, können wir mithilfe der funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) untersuchen. Bei der fNIRS wird die Kopfhaut mit Nahinfrarotlicht beleuchtet. Da unser Gewebe und unsere Knochen bis zu einem bestimmten Grad „durchsichtig“ für diese Art von Licht sind, dringt das Licht etwa 2 cm in das Gehirn ein, bevor es aufgenommen und reflektiert wird. Das reflektierte Licht wird anschließend wieder von Messpunkten auf der Kopfhaut erfasst. Mithilfe der fNIRS kann man Änderungen in der Sauerstoffversorgung im Hirnmantel messen. Grundüberlegung dabei ist, dass Gehirnbereiche, die gerade aktiv sind, mehr Sauerstoff benötigen und daher stärker durchblutet werden. Dabei macht sich die fNIRS zunutze, dass sauerstoffreiches Blut eine andere Farbe hat als sauerstoffarmes Blut. An der Stelle, wo der Hirnmantel gerade aktiviert ist, „errötet“ das Gehirn. Die fNIRS-Methode wird bereits seit Jahren in der Forschung mit Erwachsenen und Kindern angewendet und ist ungefährlich und schmerzfrei. Die Lichtquellen und Messpunkte sind in einer elastischen Haube angebracht, die bequem von den Kindern getragen werden kann. Mit einem in der PTB entwickelten Messverfahren der Nahinfrarotreflektometrie und -spektroskopie lässt sich unterscheiden, ob Durchblutungsveränderungen in der Großhirnrinde oder in darüber liegenden Gewebeschichten (Haut, Knochen) ablaufen. So kann die Hirndurchblutung von Schlaganfallpatienten optisch und somit nicht-invasiv überwacht werden. Bei der Nahinfrarotreflektometrie macht man es sich zunutze, dass Licht im Spektralbereich von 650 nm bis 900 nm mehrere Zentimeter tief in biologisches Gewebe eindringt. So lässt es sich als spektroskopische „Sonde“ für medizinisch-diagnostische Zwecke einsetzen. Es erreicht beispielsweise durch Haut und Knochen hindurch die Großhirnrinde und man kann Veränderungen der Durchblutung sowie der Sauerstoffsättigung des Blutes messen. Mit kurzen Laserpulsen lässt sich aus der Verweildauer (Flugzeit) der Photonen im Gewebe auf die Tiefe schließen, in der Photonen absorbiert worden sind. Die Zeitauflösung des Verfahrens liegt dabei im Subnanosekunden-Bereich. Eine aussichtsreiche Anwendung dieser Methode ist die Überwachung der Hirndurchblutung von Schlaganfallpatienten. Ist infolge eines Schlaganfalls die Durchblutung bestimmter Areale der Großhirnrinde verringert, so lässt sich dies erfassen und verfolgen, weil ein intravenös verabreichtes optisches Kontrastmittel verzögert dort eintrifft. Das Ziel ist es, die Änderungen der Hirndurchblutung in einem größeren Bereich der Kopfoberfläche räumlich lokalisieren zu können.

Lesen Sie auch: Umfassender Überblick: Hirndurchblutung

Elektroenzephalographie (EEG)

Die Elektroenzephalografie (EEG) ist eine Methode zur Messung der summierten elektrischen Aktivität des Gehirns, der sogenannten Gehirnströme, durch die Aufzeichnung der Spannungsschwankungen des Gehirns an der Kopfoberfläche. Sie ist völlig unbedenklich und wird seit langer Zeit in der Forschung mit Erwachsenen und Kindern angewendet. Für die EEG-Ableitung wird Ihrem Kind eine elastische Haube mit Messpunkten (Elektroden) aufgesetzt. Durch die Löcher in den Elektrodenringen wird vorsichtig ein leitfähiges, hautverträgliches Gel auf die Kopfhaut des Kindes aufgetragen. Analyzing EEG allows us to investigate brain processes with a high temporal resolution. A high temporal resolution is necessary to look at evoked and induced oscillatory activity during different sensory-motor tasks employed in our lab.

Farb-Duplex-Ultraschall

Durch den Farb-Duplex-Ultraschall lässt sich die Durchblutung der Halsschlagader darstellen. Die Besonderheit an dieser Untersuchung ist, dass die Richtung des Blutflusses entweder in Rot oder Blau dargestellt wird. Die großen Blutgefäße, die das Gehirn von außen (Halsgefäße/Schlagadern) und innen (in der Schädelkapsel) versorgen, werden mit einer speziellen Ultraschallsonde untersucht.

Weitere bildgebende Verfahren und Techniken

• Digitale Subtraktionsangiographie (DSA): Bei der Digitalen Subtraktions-Angiographie (DSA) wird unter örtlicher Betäubung oder in Intubationsnarkose ein dünner Angiographiekatheter von der Leistenarterie oder seltener vom Arm aus, unter Durchleuchtungskontrolle bis in das gewünschte Gefäßgebiet des Gehirns vorgeführt und Kontrastmittel wird in das Gefäßgebiet injiziert. Auf diese Weise gelingt es, die Beschaffenheit der nachgeschalteten Gefäße und den Durchfluss des Blutes mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu beurteilen.
• Voxel-basierte Morphometrie (VBM): Bei der Voxel-basierten Morphometrie (VBM) handelt es sich um ein Verfahren, mit dem auf der Grundlage der herkömmlichen qualitativen Bildgebung Hirnstrukturen auf Grund ihrer Größe, Form und anderer Gewebeparameter quantitativ beschrieben werden können. Mit dieser Methode lassen sich sowohl die Gehirne von unterschiedlichen Personen miteinander vergleichen als auch das Gehirn eines einzelnen Patienten z.B.
• Magnetresonanzspektroskopie (MRS): Mit der Magnetresonanzspektroskopie (MRS) können Aussagen über die Konzentration spezifischer Stoffwechselprodukte in einer bestimmten Region gemacht werden, ohne dass Gewebe über eine Biopsie entnommen werden muss. Dies kann zusätzliche Informationen zum Beispiel über Stoffwechselerkrankungen des Gehirns, aber auch über andere Erkrankungen wie Tumore liefern.
• Transkranielle Magnetstimulation (TMS): Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive method to stimulate or inhibit neuronal activity. Short magnetic pulses travel through the scalp and act upon the electrical properties of the targeted tissue.
• Kinarm Endpoint Lab: Our latest lab addition is the Kinarm Endpoint Lab, a two-arm robot that allows displacing the hands of a participant, and to restrict active movements of the participant while measuring the forces the participant applies to overcome those movement restrictions.
• Messung von Körperbewegungen: In the empirical measurement of motion, small infra-red (IR) light emitting diodes (LED) are attached to the body and illuminated. The light impulses are recorded by means of a camera system, allowing us to characterize body movements in 3D space.

Anwendung der Methoden zur Messung der Hirndurchblutung

Die Methoden zur Messung der Hirndurchblutung werden in einer Vielzahl von klinischen und Forschungsanwendungen eingesetzt. Dazu gehören:

• Diagnose und Überwachung von Schlaganfällen: Die Messung der Hirndurchblutung kann helfen, Schlaganfälle frühzeitig zu erkennen und das Ausmaß der Schädigung des Hirngewebes zu beurteilen.
• Diagnose und Überwachung von Hirntumoren: Die Messung der Hirndurchblutung kann helfen, Hirntumore zu identifizieren und ihre Malignität zu beurteilen.
• Untersuchung von Demenzerkrankungen: Die Messung der Hirndurchblutung kann helfen, Veränderungen der Hirnfunktion bei Demenzerkrankungen wie Alzheimer zu erkennen.
• Erforschung von psychischen Erkrankungen: Menschen, die an Schizophrenie leiden, zeigen im Vergleich zu Gesunden in bestimmten Hirnregionen eine verminderte, in anderen eine verstärkte Durchblutung. Die Messung der Hirndurchblutung kann helfen, die neuronalen Grundlagen psychischer Erkrankungen zu verstehen.
• Planung neurochirurgischer Eingriffe: Die Messung der Hirndurchblutung kann helfen, wichtige Hirnregionen vor einem operativen Eingriff zu lokalisieren und das Risiko von Komplikationen zu minimieren.

tags: #Durchblutung #Gehirn #messen #Methoden