Evaluation der Anwendung eines neuartigen Laser-Doppler-Gewebephotospektrometers bei neurovaskulären supraten-toriellen Operationen
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„Evaluation der Anwendung eines neuartigen Laser-Doppler-
Gewebephotospektrometers bei neurovaskulären supraten-
toriellen Operationen“
An der Neurochirurgischen Klinik des Universitätsklinikums
der Medizinischen Fakultät
der Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg
Zur Erlangung des Doktorgrades Dr. med.
vorgelegt von
Maximilian Kreuzer
aus Kronach
Als Dissertation genehmigt von der
Medizinischen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg
Vorsitzender des
Promotionsorgans: Prof. Dr. med. Markus F. Neurath
Gutachter: PD Dr. med. Björn Sommer
Gutachter: Prof. Dr. med. Oliver Ganslandt
Tag der mündlichen Prüfung: 10.08.2021
Inhaltsverzeichnis
1. Abstract ..................................................................................................... 1
1.1 Background and Objectives ......................................................................... 1
1.2 Methods .......................................................................................................... 1
1.3 Results ............................................................................................................ 2
1.4 Conclusion ..................................................................................................... 3
2. Zusammenfassung ................................................................................... 4
2.1 Hintergrund und Ziele .................................................................................... 4
2.2 Methoden ........................................................................................................ 4
2.3 Ergebnisse und Beobachtungen .................................................................. 5
2.4 Schlussfolgerung ........................................................................................... 6
3. Einleitung................................................................................................... 8
3.1 Einführung in das Neuromonitoring ............................................................ 8
3.2 Fragestellung ............................................................................................... 10
4. Stand der Forschung .............................................................................. 11
4.1 Zerebraler Metabolismus ............................................................................ 11
4.2 Zerebrale Autoregulation ............................................................................ 12
4.2.1 Metabolische Stellgrößen........................................................................ 13
4.2.2 Blutdruckvermittelte Autoregulation ......................................................... 13
4.2.3 Vasoreaktivität in Abhängigkeit von CO2/O2 ........................................... 14
4.2.4 Neurogene Stellgrößen ........................................................................... 15
4.3 Bedeutung des zerebralen venösen Systems ........................................... 16
4.4 Übersicht der Neuromonitoring-Verfahren ................................................ 17
4.4.1 Elektrophysiologisches Neuromonitoring ................................................ 18
4.4.2 Optisches Neuromonitoring..................................................................... 20
4.4.3 Thermodiffusionsverfahren ..................................................................... 23
5. Methoden und Material ........................................................................... 24
5.1 Einführung der Geräte ................................................................................. 24
5.1.1 Entwicklung des O2C .............................................................................. 24
5.1.2 Gerätebeschreibung des O2C ................................................................ 25
5.1.3 Physikalische Messgrundlagen ............................................................... 26
5.1.3.1 Weißlicht-Spektrometrie ............................................................................... 27
5.1.3.2 Laser-Doppler-Verfahren .............................................................................. 30
5.1.3.3 Interpretation der Parameter ........................................................................ 31
5.1.4 Ableitung somatosensorisch evozierter Potentiale ................................. 33
5.2 Studienaufbau und Ablauf .......................................................................... 35
5.2.1 Patientenkollektiv .................................................................................... 36
5.2.2 Präoperative Datenerhebung .................................................................. 36
5.2.3 Anästhesieprotokoll ................................................................................. 37
5.2.4 Intraoperative Datenerhebung ................................................................ 39
5.2.4.1 SEP-Monitoring ............................................................................................ 39
5.2.4.2 O2C-Monitoring ............................................................................................ 40
5.2.5 Postoperative Datenerhebung ................................................................ 45
5.3 Statistische Analyse .................................................................................... 45
6. Ergebnisse .............................................................................................. 47
6.1 Messdaten bei elektiven Eingriffen ............................................................ 47
......................................................................................................................... 48
6.1.1 Normwerte............................................................................................... 49
6.1.2 Anästhesiologische Parameter ............................................................... 50
6.1.3 Störvariablen ........................................................................................... 50
6.1.4 SEP-Monitoring ....................................................................................... 52
6.2 Auswirkungen chirurgischer Manipulation ............................................... 52
6.2.1 Auswirkungen des Hirnretraktors ............................................................ 54
6.2.2 Veränderung der Kopfposition ................................................................ 55
6.2.3 Platzierung von Nimodipin-Schwämmen ................................................ 55
7. Diskussion ............................................................................................... 56
7.1 Das O2C im Vergleich mit Laser-Speckle-Kontrast-Imaging und der
Thermodiffusions-Flowmetrie........................................................................... 56
7.2 Diskussion der Methodik ............................................................................ 58
7.2.1 Definition von Normwerten ...................................................................... 60
7.2.2 Einfluss der Anästhesiologischen Parameter.......................................... 60
7.2.3 Limitationen ............................................................................................. 62
7.3 Evaluation der klinischen Einsetzbarkeit .................................................. 63
7.4 Vergleich mit bisherigen Studienergebnissen .......................................... 66
7.5 Ausblick ........................................................................................................ 68
8. Literaturverzeichnis ................................................................................ 69
9. Abkürzungsverzeichnis ......................................................................... 79
10. Abbildungsverzeichnis ........................................................................ 81
11. Tabellenverzeichnis .............................................................................. 84 12. Anhang .................................................................................................. 86 13. Danksagung .......................................................................................... 89
1. Abstract
1.1 Background and Objectives
Despite continuous advances in surgical procedures, intensive care and diag-
nostic means, complications occurred in approximately 14% of neurosurgical
cases between 2006 and 2011 according to the American College of Sur-
geons. Cranial cases presented with a complication rate more than twice as
high as spine cases. Possible outcomes include permanent neurological defi-
cits like speech disorder or motor dysfunction resulting in the need of long-
term care or even death of patients. As complications can arise even during
elective procedures, it is important to develop new strategies for early detec-
tion and treatment of adverse events in the field of neurosurgery. To prevent
further harm to brain tissue, an ideal diagnostic tool enables continuous non-
invasive real-time monitoring of a wide range of parameters, while featuring a
high resolution and accuracy. It should be simple to integrate into the surgical
procedure and be easy to use. Thus, the surgeon should gain additional infor-
mation to respond to impending complications in time. In this study we report
on the feasibility of a novel non-invasive monitoring system combining
backscattering-spectroscopy and laser-Doppler flowmetry to intraoperatively
record microcirculatory parameters in healthy brain tissue during elective neu-
rosurgery on incidental supratentorial cerebral aneurysms.
1.2 Methods
In this prospective, single-institution, non-randomized trial intraoperative re-
cordings of local cerebral microcirculation were conducted in 20 consecutive
patients (15 female, 5 male; median age 60.5 ± 11.7 years) who underwent
surgery on incidental cerebral aneurysms with the non-invasive laser-Doppler
spectrophotometer „Oxygen-to-see" (O2C). In approximately 8 mm tissue
depth the following parameters were measured using a subdural fiber optic
probe:
Capillary venous oxygenation (SO2), blood cell velocity (velo), blood flow
(flow) and post-capillary venous filling pressures (rHb).
1
Monitoring of somatosensory evoked potentials (SEP) was additionally per- formed when feasible. In order to rule out a relevant effect that the parameters of the cardiovascular system could have on the O2C recordings, a correlation analysis was performed to test the relationship between the anesthesiologic data and O2C-Parameters. 1.3 Results We analyzed representative parameters of cerebral circulation that were rec- orded directly after dural opening over a median time span of 88 ± 21.8 (60- 128) seconds before further surgical manipulation. Following normative val- ues, stated as median with two standard deviations, for each O2C parameter were measured: SO2 39 ± 16.6 %, rHb 53 ± 18.6 AU (arbitrary units), velo 60 ± 20.4 AU, and flow 311 ± 72.8 AU. Routine surgical maneuvers resulted in the following changes of O2C-Param- eters: The placement of the self-retaining retractor led to a decrease in SO2 of 17 % ± 29 % (p
During the entire period of recording SEP monitoring was uneventful. Neither
surgical complications nor neurological deficits occurred.
The correlation analyses showed a significant moderate negative linear corre-
lation between flow and pCO2 (rs= -0,49, p=0.03) and a distinct positive linear
correlation between rHb and HCO3 rs= 0,55 (p=0.01). There was no other sig-
nificant linear relationship between anesthesiologic data and O2C-Parame-
ters.
1.4 Conclusion
This study investigates the feasibility of a novel non-invasive system intraoper-
atively measuring local cerebral microcirculation. Using the “Oxygen-to-see”
cerebral blood flow parameters during elective neurosurgery were successfully
determined. For this specific type of subdural probe values of physiological
cerebral circulation were obtained to then further assess the ability of the O2C
to detect changes from those reference values during routine neurosurgical
maneuvers. The data indicates that the O2C can detect changes in cerebral
microcirculation caused by the placement of brain retractors, the change
in body posture and the administration of vasodilatative agents. The results of
the correlation analyses between the O2C findings and anesthesiologic data
need further investigation. A direct cause and effect relationship and thus a
relevant interference with the recorded O2C parameters seems unlikely. The
device was viable for day-to-day application without causing extensive delay
of surgical procedures. Keeping in mind the limitations of noninvasive neu-
romonitoring in general and the limitations of the O2C in particular, it could be
a useful addition for intraoperative neuromonitoring systems. Parts of this work
have been published in: B. Sommer, M. Kreuzer, B. Bischoff, D. Wolf, H.
Schmitt, I.Y. Eyupoglu, K. Rossler, M. Buchfelder, O. Ganslandt, and K.
Wiendieck. Combined Laser-Doppler Flowmetry and Spectrophotometry: Fea-
sibility Study of a Novel Device for Monitoring Local Cortical Microcirculation
during Aneurysm Surgery. J Neurol Surg A Cent Eur Neurosurg, 2017. 78(1):
p. 1-11.
3
2. Zusammenfassung
2.1 Hintergrund und Ziele
Trotz sich stetig verbessernder Operationstechniken sowie intensivmedizini-
scher und diagnostischer Möglichkeiten betrug die durchschnittliche Kompli-
kationsrate neurochirurgischer Eingriffe laut einer Auswertung von Daten des
American College of Surgeons im Zeitraum zwischen 2006 und 2011 ca. 14
%. Intrakranielle Eingriffe zeigten eine mehr als zweifach erhöhte Komplikati-
onsrate verglichen mit Operationen an der Wirbelsäule. Mögliche Folgen sind
bleibende neurologische Defizite wie Sprachstörungen und motorische Aus-
fälle mit daraus resultierender Pflegebedürftigkeit bis hin zum Tod des Patien-
ten. Da selbst bei planmäßig verlaufenden Hirnoperationen Komplikationen
mit zum Teil verheerenden Folgen für den Patienten auftreten können, ist die
Entwicklung neuer Methoden zur frühzeitigen Erkennung und Vermeidung von
unerwünschten Ereignissen ein wichtiger Bestandteil der Neurochirurgie. Um
das Gehirngewebe nicht zusätzlich zu schädigen wird ein diagnostisches
Werkzeug benötigt, dass nicht-invasiv in Echtzeit ein breites Spektrum der kli-
nisch relevanten Parameter erfasst, eine hohe Messauflösung und -genauig-
keit besitzt, einfach in der Handhabung ist und problemlos in den Operations-
ablauf integriert werden kann. Dadurch soll der Operateur zusätzliche Infor-
mationen erhalten, um auf drohende Komplikationen rechtzeitig reagieren zu
können. Zu diesem Zweck wurde in dieser Studie ein neuartiges nicht-invasi-
ves Messverfahren, welches die Prinzipien der Laser-Doppler-Flowmetrie und
Gewebephotospektrometrie vereint, während elektiver supratentorieller Aneu-
rysma-Operationen auf seine klinische Einsatzfähigkeit überprüft.
2.2 Methoden
In dieser prospektiven, monozentrischen, nicht randomisierten Studie wurde
mithilfe des nicht-invasiven Laser-Doppler-Gewebephotospektrometers
„Oxygen-to-see“ (O2C) in einem standardisierten Verfahren die lokale zereb-
rale Mikrozirkulation von 20 Patienten (15 Frauen, 5 Männer) mit einem medi-
anen Alter von 60 ± 11,7 Jahren während elektiver Eingriffe an supratentoriel-
len Aneurysmen untersucht. Hierbei wurden mittels einer fiberoptischen
Sonde in circa 8 mm Gewebetiefe folgende Parameter bestimmt:
4
Kapillarvenöse Sauerstoffsättigung (SO2); Blutflussgeschwindigkeit (velo) Blutfluss (flow); kapillarvenöser Füllungsdruck (rHb). Es erfolgte soweit möglich die simultane Ableitung somatosensorischer Poten- tiale. Um eine relevante Einflussnahme der Herzkreislaufparameter auf die er- hobenen Werte auszuschließen erfolgte eine Korrelationsanalyse zwischen anästhesiologischen Daten und O2C-Werten. 2.3 Ergebnisse und Beobachtungen Repräsentative Messungen wurden sofort nach Duraeröffnung und damit vor jeglicher weiterer chirurgischer Manipulation über einen medianen Zeitraum von 88 ± 21,8 Sekunden (Zeitspanne: 60 bis 120 Sekunden) ausgewertet. Fol- gende Normwerte für den ausgewählten Sondentyp, angegeben als Median- Werte mit zweifacher Standardabweichung, ergaben sich für die physiologi- sche zerebrale Blutversorgung: SO2: 39 % ± 16,6 %; rHb: 53 ± 18,6 AU; velo: 60 ± 20,4 AU; flow: 311 ± 72,8 AU. Im Weiteren stellte sich der Einfluss chirurgischer Manöver auf die vom O2C- Gerät gemessen Parameter wie folgt dar: Die Platzierung des selbsthaltenden Retraktors führte zu einer Abnahme des SO2-Werts um 17 % ± 29 % (p
Die Platzierung von Nimodipin getränkten Watten hatte, abgesehen von einer
geringfügigen Erhöhung des Blutflusses um 3 % ± 4 % (p=0.04), keine ander-
weitigen statistisch signifikanten Effekte.
Während des gesamten Messzeitraumes zeigte das SEP-Monitoring keine
Auffälligkeiten. Es kam weder zu operationstechnischen Komplikationen noch
zu neurologischen Defiziten im weiteren Verlauf.
In der Korrelationsanalyse der Anästhesiedaten zeigten sich signifikante line-
are Zusammenhänge zwischen Flow-Wert und pCO2 mit rs= -0,49 (p=0.03)
gemäß einer mäßigen negativen Korrelation, sowie zwischen rHB-Wert und
HCO3 mit rs= 0,55 (p=0.01) entsprechend einer deutlichen positiven Korrela-
tion. Es zeigte sich kein linearer Zusammenhang zwischen den restlichen er-
hobenen anästhesiologischen Parameter und den O2C-Werten.
2.4 Schlussfolgerung
Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit berichtet über ein neuartiges nicht-
invasives Echtzeitverfahren zur intraoperativen Messung der zerebralen Mik-
rozirkulation. Mit dem „Oxygen-to-see“-System gelang es, lokale Blutflusspa-
rameter während elektiver neurochirurgischer Eingriffe zu bestimmen. Für den
verwendeten Sondentyp wurden Werte der lokalen physiologischen Mikrozir-
kulation ermittelt, um daraus eine Aussage über die Detektionsfähigkeit von
Parameterschwankungen während chirurgischer Manipulation abzuleiten. Die
Ergebnisse legen nahe, dass Veränderungen in der lokalen zerebralen Mikro-
zirkulation, welche durch den Einsatz von Retraktoren, die Veränderung der
Patientenposition auf dem Operationstisch sowie die Verwendung von vasodi-
latativen Medikamenten verursacht werden, mit dem O2C erkannt werden
können. Die Ergebnisse der Korrelationsanalyse der O2C-Werte und Anästhe-
siedaten bedürfen einer weiteren Untersuchung. Ein direkter kausaler Zusam-
menhang und damit eine Beeinflussung der erhobenen Messdaten ist jedoch
unwahrscheinlich. Das Gerät konnte im Rahmen dieser Arbeit standardmäßig
in den klinikinternen Ablauf integriert werden, ohne die Operationsdauer we-
sentlich zu verlängern. Unter Berücksichtigung der Beschränkungen, welche
der Einsatz nicht-invasiver Monitoringverfahren im Allgemeinen und das O2C-
6System im Speziellen mit sich bringt, könnte dieses Gerät in Zukunft bisherige
intraoperative Neuromonitoringsysteme sinnvoll ergänzen. Teilergebnisse der
vorliegenden Arbeit wurden veröffentlicht in: B. Sommer, M. Kreuzer, B. Bi-
schoff, D. Wolf, H. Schmitt, I.Y. Eyupoglu, K. Rossler, M. Buchfelder, O. Gans-
landt, and K. Wiendieck. Combined Laser-Doppler Flowmetry and Spectro-
photometry: Feasibility Study of a Novel Device for Monitoring Local Cortical
Microcirculation during Aneurysm Surgery. J Neurol Surg A Cent Eur Neuro-
surg, 2017. 78(1): p. 1-11.
73. Einleitung
3.1 Einführung in das Neuromonitoring
Ziel eines neurochirurgischen Eingriffes ist die Erhaltung oder Wiederherstel-
lung von Hirnfunktionen. Um den Patienten vor unmittelbaren und im Verlauf
möglicherweise auftretenden weiteren Schäden zu bewahren, ist die Identifi-
zierung der anatomisch-funktionellen Hirnareale während der Operation
ebenso wichtig wie die Berücksichtigung der Physiologie der Hirndurchblu-
tung. Hierzu bedient man sich Verfahren, die dem Operateur eine Hilfestellung
während der Durchführung der chirurgischen Prozedur geben und idealer-
weise in Echtzeit eine direkte Rückmeldung für die geplante oder bereits in
Ausführung befindliche Handlung ermöglichen. Dieses sogenannte „Neuromo-
nitoring“ ermöglicht neben der Vermeidung und frühzeitigen Detektion von
Schädigungen an Nervenstrukturen die Lokalisierung funktionell wichtiger
Hirnregionen.
Bereits im Jahr 1875 konnte Richard Caton in einem Tierexperiment elektri-
sche Aktivität an der Gehirnrinde registrieren und beschreiben. Mehr als 50
Jahre später, im Jahr 1929, beschrieb Hans Berger [1] unter Verwendung von
auf menschlicher Kopfhaut platzierter Elektroden erstmalig elektrische Ströme
der Hirnaktivität und legte den Grundstein für die heutige Elektroenzephalo-
graphie (EEG). Der erste intraoperative Einsatz dieser Technologie gelang Fo-
erster und Altenburger im Jahr 1935 und wurde durch Herbert Jasper und Wil-
der Penfield in den Folgejahren weiterentwickelt. 1947 gelang George Dawson
die Beschreibung somatosensibel evozierter kortikaler Potentiale [2]. Diese
Technologie ermöglichte 1978 die erste intraoperative Hirnstammaudiometrie.
Seit diesen frühen Schritten des Neuromonitorings wurden große Fortschritte
bei der Überwachung und Erhaltung der neuronalen Integrität erzielt. In einem
im September 2014 veröffentlichten „Consensus Statement“ haben die „Neu-
rocritical Care Society“ (NCS), die „European Society of Intensive Care Medi-
cine“ (ESICM), die „Society for Critical Care Medicine“ (SCCM) sowie das „La-
tin America Brain Injury Consortium“ (LABIC) evidenzbasierte Empfehlungen
für das Neuromonitoring von Patienten in der neurochirurgischen Intensivme-
dizin herausgearbeitet [3, 4]. Verschiedenste Parameter können aktuell mit
modernster invasiver und nicht-invasiver Technologie registriert werden. Zu
8einer der ältesten und wichtigsten invasiven Überwachungsmethoden zählt die
Messung des intrakraniellen Drucks (ICP) und des daraus ableitbaren zereb-
ralen Perfusionsdrucks (CPP).
Weitere invasive Methoden stellen das Thermodiffusionsverfahren sowie die
Verwendung von im Hirngewebe platzierter Mikrosonden zur Prüfung des ze-
rebralen Sauerstoffpartialdrucks dar. Auch zählt hierzu die jahrzehntealte ju-
gularvenöse Oxymetrie mithilfe eines Messkatheters, der im Bulbus venae ju-
gularis platziert wird. Andere Verfahren erlauben einen Rückschluss auf die
zerebrale Stoffwechselsituation nach dem Prinzip der zerebralen Mikrodialyse
[5]. Diese invasiven Methoden des Neuromonitorings ermöglichen meist nur
eine diskontinuierliche Erfassung von Parametern, sind mit einem erhöhten
Arbeitsaufwand verbunden und können bei ihrer Anwendung direkt und indi-
rekt Gehirnstrukturen beschädigen.
Weiterhin gibt es eine Reihe von nicht-invasiven Methoden, welche sich be-
sonders für den kontinuierlichen intraoperativen Einsatz eignen, die Integrität
des Gehirns nicht beeinträchtigen und mit einem wesentlich geringeren Kom-
plikationsrisiko verbunden sind. Zu den Möglichkeiten der elektrophysiologi-
schen Überwachung von Hirnfunktionen zählen beispielsweise die Ableitung
somatosensibel evozierter Potentiale (SEP), motorisch evozierter Potentiale
(MEP), die Elektromyographie (EMG) sowie die Elektroenzephalographie.
Weiterhin ermöglichen ultraschallbasierte Anwendungen wie die transkranielle
Doppler-Sonographie eine zeitlich hochauflösende Darstellung von extra- und
intrakraniellen hirnversorgenden Gefäßen und des intrazerebralen Blutflusses.
Zu den nicht-invasiven Verfahren des Neuromonitorings gehört ebenfalls die
Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) mit portablen Systemen und einer hohen
zeitlichen Auflösung.
Durch technologischen Fortschritt konnten verschiedene Messtechniken in ei-
nem Gerät kombiniert werden. Die Verknüpfung von Gewebephotospektro-
metrie und Laser-Doppler-Methode zur Durchblutungsmessung wurde in ei-
nem neuartigen Gerät, dem ,,Oxygen-to-see“ realisiert. Während neurochirur-
gischer Eingriffe können hiermit in Echtzeit Informationen über die lokale Mik-
rozirkulation erfasst werden, ohne dabei Hirngewebe zu verletzen. Die intrao-
perativen Einsatzmöglichkeiten des Geräts am Menschen werden durch Stu-
dien aus dem Bereich der Plastischen Chirurgie bei Lappentransplantationen
9[6], der Transplantationschirurgie [7], der Thorax- und Abdominalchirurgie [8]
und der Herzchirurgie [9] belegt.
3.2 Fragestellung
Augenblicklich existieren nur wenige Studien, welche nicht-invasive Neuromo-
nitoringverfahren zur kontinuierlichen Echtzeitmessung der Hirndurchblutung
während neurochirurgischer Operationen untersuchen. Die Wertigkeit der im
Folgenden erhobenen Parameter und deren Zusammenhang mit den komple-
xen pathophysiologischen Vorgängen, welche entweder durch die jeweilige
Grunderkrankung oder die neurochirurgische Manipulation ausgelöst werden,
wird viel diskutiert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein neuartiges nicht-
invasives optisches Neuromonitoringverfahren hinsichtlich seiner Anwendbar-
keit während neurochirurgischer Operationen am Gehirn zu überprüfen. Die
erhobenen Parameter sollen Informationen über die Integrität der lokalen ze-
rebralen Mikrozirkulation liefern. Zunächst erfolgt die Erhebung von Aus-
gangswerten unter möglichst physiologischen Ruhebedingungen bei einem
vorselektierten Patientenkollektiv. Hierbei werden während der Operation von
inzidentellen Hirnaneurysmen vor dem Beginn chirurgischer Manipulation
Messwerte erhoben, welche für den speziellen Sondentyp als Normwerte de-
finiert werden. Der zweite Teil dieser Arbeit überprüft die Eignung des O2C in
der Detektion von Änderungen der lokalen Mikrozirkulation bei definierten chi-
rurgischen Manövern. Als bewährtes Neuromonitoringverfahren wird zusätz-
lich die intraoperative Ableitung somatosensorisch evozierter Potentiale [10,
11] angewandt.
104. Stand der Forschung
4.1 Zerebraler Metabolismus
Als Organ mit einer der höchsten Stoffwechselraten des menschlichen Kör-
pers nimmt das Gehirn eine Sonderstellung innerhalb des Blutkreislaufs ein.
Um eine effiziente Sauerstoffversorgung sicherzustellen, wird ein konstanter
Blutfluss mit 15 bis 20 % des Herzzeitvolumens benötigt, welcher sich ständig
wechselnden metabolischen Anforderungen anpassen muss [12]. Vorausset-
zung für eine adäquate Sauerstoffversorgung des Hirngewebes ist eine aus-
reichende Sauerstoffaufnahme in den Lungen mit anschließender Verteilung
des oxygenierten Blutes über das zerebrale Gefäßsystem zum Hirnpa-
renchym. Obwohl der Aufbau der an der Gehirnversorgung beteiligten Gefäße
durchaus variiert, ist ihnen eine hochspezialisierte Schrankenfunktion gemein.
Diese sogenannte Blut-Hirn-Schranke, welche aus Arteriolen, Kapillaren und
Venolen gebildet wird, steuert den Austausch von gelösten Substanzen, Nähr-
stoffen und Wasser zwischen Gehirn und Körperkreislauf in der Endstrombahn
der Gefäßstrecke.
Mit einer Gesamtlänge von über 400 Kilometern besteht das zerebrale Kapil-
larbett aus einem dicht verzweigten Gefäßnetzwerk, das über keine glatte
Muskulatur verfügt [13]. Ein weiterer Faktor für die Effektivität des Sauer-
stofftransports in das Hirngewebe ist neben der Kapillarlänge insbesondere
der Blutfluss in der Mikrozirkulation. Dieser wird vor allem durch den Druck-
gradienten von präkapillaren Arteriolen zu postkapillaren Venolen bestimmt.
Der eigentliche Transport von Sauerstoff in die Gehirnzellen erfolgt erst im Ka-
pillarbett per Diffusion.
Obwohl das Gehirn im Durchschnitt nur 3 % des Körpergewichts aufweist, fin-
det dort circa 20 % unseres Energieverbrauchs statt. Besonders die synapti-
sche Übertragung zwischen neuronalen Zellen erfordert einen hohen Bedarf
des Energieträgers Adenosintriphosphat (ATP), der durch oxidative Glykolyse
erzeugt wird [14]. Im Ruhezustand benötigt das Gehirn zur Umwandlung eines
Moleküls Glukose circa sechs Moleküle Sauerstoff, was somit einem Sauer-
stoff-Glukose-Index von sechs entspricht [15]. Aus der Unfähigkeit von Ner-
11venzellen und Nervengewebe, die relevanten Mengen an Glukose und Sauer-
stoff (O2) zu speichern, leitet sich die Notwendigkeit einer konstanten Zufuhr
eben jener Substrate ab. Aufgrund des hohen Verbrauchs an O2 und dessen
niedriger Löslichkeit im Blut wird Sauerstoff an das Transportprotein Hämo-
globin gebunden. Auf diese Weise kann der Sauerstoffanteil des arteriellen
Bluts von ungefähr 150 nmol/ml auf 9000 nmol/ml O2 und damit auf das phy-
siologische Niveau gesteigert werden [15].
Da trotz hohem Sauerstoff-Glukose-Index die Menge an Sauerstoff den Anteil
der gelösten Glukose im Blut nur um den Faktor 1,5 übersteigt, bedarf es einer
hohen Sauerstoffextraktionsfraktion [15]. Die zerebrale Durchblutung und der
Gehirnstoffwechsel sind somit eng miteinander verknüpft. Lokale oder globale
Steigerungen der metabolischen Aktivität bedingen eine reaktive Erhöhung
des zerebralen Blutflusses (CBF) und umgekehrt. Dabei ist die zerebrale Sau-
erstoffmetabolisierungsrate (CMRO2) ein wichtiger Indikator für die Integrität
und Gesundheit neuronalen Gewebes. Basierend auf dem Fickschen Prinzip
kann die globale zerebrale CMRO2 mithilfe der arteriovenösen Sauerstoffsät-
tigung (AvDO2) und des Blutflusses gemäß folgender Gleichung berechnet
werden [16]:
CMRO2 = CBF • AvDO2
Zur Bestimmung der AvDO2 wird neben der Hüfner-Zahl, der Hämoglobinkon-
zentration und der venösen Sauerstoffsättigung auch die arterielle Sauerstoff-
konzentration benötigt. Die Hüfner-Zahl beschreibt die Sauerstoffbindungska-
pazität von einem Gramm Hämoglobin und wurde von Hüfner 1894 beschrie-
ben [17]. Mithilfe der arteriellen Sauerstoffkonzentration und der durch das
O2C-Gerät ermittelten Kenngrößen kann der zerebrale Sauerstoffmetabolis-
mus qualitativ beurteilt werden. Normwerte der zerebralen Sauerstoffmetabo-
lisierungsrate werden zwischen 3,3 ± 0,4 ml/100 g/min angegeben und können
sich in verschiedenen Gehirnabschnitten regional unterscheiden [18].
4.2 Zerebrale Autoregulation
Der Änderung des neuronalen Aktivitätsniveaus folgt eine Veränderung des
jeweiligen Substratbedarfs. Da Gehirngewebe nur bedingt zur Speicherung
der benötigten Substrate fähig ist, müssen Veränderungen des Energiebe-
darfs durch Regulation der zerebralen Durchblutung beantwortet werden. Die
12verschiedensten Steuerungsmechanismen, welche den CBF bei systemi-
schen Blutdruckschwankungen konstant halten und die Durchblutungssitua-
tion an die jeweiligen Erfordernisse anpassen, werden unter dem Begriff der
„zerebralen Autoregulation“ zusammengefasst. Sie umfasst im Wesentlichen
metabolische, blutdruckabhängige und CO2/O2 vermittelte Aspekte sowie eine
neurogene Komponente.
4.2.1 Metabolische Stellgrößen
Metabolische Mechanismen können sich in unterschiedlicher Art auf die ze-
rebrale Durchblutung auswirken. Eine Vielzahl endothelialer Substanzen kann
direkt eine vasomotorische Antwort vermitteln. Ein Beispiel hierfür bietet die
Wirkung von Acetylcholin auf die Gefäßwand in Abhängigkeit der endothelia-
len Integrität [19]. Weiterhin kommt es je nach vorherrschendem Sauerstoff-
partialdruck zur Freisetzung von vasoaktiven Metaboliten. Die Hypoxie-be-
dingte verringerte Verfügbarkeit von ATP an der glatten Gefäßmuskulatur be-
wirkt eine Öffnung kaliumgesteuerter Ionenkanäle mit der Folge einer Hyper-
polarisation und Vasodilatation [20]. Während eine akute Hypoxie, neben die-
sem direkten Effekt, auch über die Freisetzung von Stickstoffmonoxiden (NO)
und Adenosin-Metaboliten zu einer zusätzlichen Vasodilatation führen kann,
bewirkt eine chronische Sauerstoffunterversorgung eine Veränderung der Ka-
pillardichte in der Endstrombahn [21].
4.2.2 Blutdruckvermittelte Autoregulation
Die Fähigkeit zur blutdruckvermittelten Autoregulation ist nicht auf das zereb-
rale Gefäßsystem beschränkt, hier jedoch von herausragender Bedeutung.
Eine konstante Durchblutung des Gehirngewebes ist für eine adäquate Sauer-
stoffversorgung und die Aufrechterhaltung eines balancierten Flüssigkeits-
haushaltes notwendig. Der zerebrale Perfusionsdruck stellt hier eine Kenn-
größe dar und entspricht der Differenz des mittleren arteriellen Drucks (MAP)
und des intrakraniellen Drucks:
CPP = MAP – ICP
Obwohl die formelle Bedingung einer Newton’schen Flüssigkeit, welche durch
eine starre Röhre fließt, nicht gegeben ist, stellt das Ohm’sche Gesetz den
13Zusammenhang zwischen Blutfluss, zerebralen Perfusionsdrucks und zere-
brovaskulären Widerstand (CVR) näherungsweise dar [22]:
CBF = CPP / CVR
Im Unterschied zum übrigen Gefäßkreislauf des Menschen sind die großen
zerebralen Arterien für die Regulierung des Gesamtgefäßwiderstandes und
die Vermeidung von Blutdruckschwankungen in der Mikrozirkulation von we-
sentlicher Bedeutung. Ein wichtiger Mechanismus der glatten Gefäßmuskula-
tur in arteriellen Widerstandsgefäßen zur Erhaltung eines konstanten Blutflus-
ses wurde bereits vor über 100 Jahren von William Bayliss entdeckt [23]. Die-
ser sogenannte „Bayliss-Effekt“ beschreibt die Fähigkeit großer Arterien und
kleiner Arteriolen zur reaktiven myogenen Kontraktion und Dilatation bei wech-
selnden intravasalen Druckverhältnissen und ist gerade im Gehirnkreislauf
stark ausgeprägt. Um einen relativ konstanten Perfusionsdruck in der End-
strombahn zu erhalten, kommt es bei erhöhtem arteriellem Druck zu einer Va-
sokonstriktion zuführender Arterien. Ein reduzierter arterieller Druck bewirkt
eine Vasodilatation um einen Abfall des CBF entgegenzusteuern [12, 24].
Liegt ein ICP in einem Bereich zwischen 60 bis 160 mmHg vor, ermöglicht
dieser Autoregulationsmechanismus einen konstanten Blutfluss von ungefähr
50 ml pro 100 Gramm Gehirngewebe [25]. Bei ICP-Werten, die außerhalb die-
ses Bereiches liegen, folgt der zerebrale Blutfluss annährend linear Verände-
rungen des mittleren arteriellen Drucks [26]. Bei dauerhaft erniedrigten Blut-
flusswerten und einer insuffizienten Kompensation durch erhöhte Sauerstoff-
ausschöpfung droht eine Minderperfusion mit zerebraler Ischämie. Im Falle
einer akuten Blutdrucksteigerung mit erhöhten intravasalen Druckverhältnis-
sen außerhalb des Autoregulationsbereich kommt es zu einem Verlust des
glatten Gefäßmuskeltonus mit passiver Aufdehnung zerebraler Gefäße [27].
Der resultierende Verlust des Gefäßwiderstandes kann zu einem Anstieg des
CBF um das Vierfache und einer ausgeprägten Ödembildung führen [28].
4.2.3 Vasoreaktivität in Abhängigkeit von CO2/O2
In zahlreichen Studien wurde der Einfluss des arteriellen Kohlenstoffdioxidpar-
tialdrucks (paCO2) auf den Tonus der glatten Gefäßmuskulatur untersucht
[29]. Generell ist hierbei der Grundtonus der arteriellen Gefäße eine wichtige
14Stellgröße für die Kohlendioxid-Reaktivität. Hauptmechanismus der paCO2
vermittelten CBF-Regulation scheint die direkte Wirkung der extrazellulären
Protonen-Konzentration auf die glatte Gefäßmuskulatur zu sein [30]. Während
Hyperkapnie eine Vasodilatation der zerebralen Arterien und Arteriolen und
einen Anstieg des CBF bewirkt, sorgt eine Hypokapnie zu Vasokonstriktion
und einer Abnahme der Gehirndurchblutung [31]. Bereits eine Erhöhung des
CO2-Partialdrucks auf 7 % in der Einatemluft kann den CBF um das Doppelte
steigern [31]. Aufgrund der langsamen Anpassung der Puffersysteme im Li-
quor bleibt der Effekt der hypokapnischen Vasokonstriktion im Mittel 6-10
Stunden erhalten [32]. Bei bereits bestehender starker Gefäßverengung hat
ein Abfall der CO2-Konzentration keinen weiteren myotonen Einfluss. Hypo-
tone Blutdrucksituationen verringern ebenfalls das Ausmaß der CO2-
Reaktivität bis hin zur vollständigen Entkopplung [33].
Weiterhin ist der arterielle Sauerstoffpartialdruck (paO2) eine wichtige Stell-
größe der Gehirndurchblutung. Eine akute Sauerstoffminderversorgung mit
paO2-Werten unterhalb von circa 50 mmHg führt durch eine direkte Interaktion
mit arteriellen und arteriolischen Gefäßzellen zu einer teils massiven Steige-
rung des CBF [34, 35]. Auch bei einer Überschreitung des Normbereichs des
arteriellen Sauerstoffpartialdrucks Richtung Hyperoxie konnte in Studien eine
myogene Reaktion festgestellt werden. Unter Gabe von 100-prozentigem Sau-
erstoff konnten Rostrup und Kollegen einen Abfall des CBF beobachten [36].
Im physiologischen Normbereich hat der paO2 dagegen keine Auswirkung auf
die zerebrale Autoregulation.
4.2.4 Neurogene Stellgrößen
Das Ausmaß der Auswirkung neurogener Mechanismen auf die zerebrale Au-
toregulation ist bislang im Detail noch nicht geklärt [37]. Obwohl eine neuro-
gene Komponente der Blutdruckregulation plausibel erscheint, konnte in älte-
ren tierexperimentellen Studien nach Ausschaltung sympathischer und para-
sympathischer Fasern keine Auswirkung auf die Durchblutungsregulation des
Gehirns festgestellt werden. Eine maßgebliche Beteiligung des autonomen
Nervensystems wurde damals als unwahrscheinlich erachtet [35]. Hamner
und Kollegen konnten jedoch in einer im Jahr 2010 veröffentlichten Doppler-
Sonographie-Studie einen Effekt der sympathischen und parasympathischen
15Innervation auf die Gehirndurchblutung feststellen [38]. Im Gegensatz zu di-
rekten neurogenen Regulationsmechanismen sind die Auswirkungen indirek-
ter Effekte besser erforscht. Aktivierte parasympathische Neuronen können
die Renin-Produktion anheben und so zu einer Konzentrationserhöhung von
Angiotensin II führen [39]. Als vasokonstriktorisches Peptid-Hormon kann An-
giotensin II den unteren Schwellenwert der Autoregulation erhöhen. Ferner
steigert eine Sympathikus-Aktivierung die Konzentration der vasokonstriktori-
schen Hormone Adrenalin und Noradrenalin. Eine Studie zu akuten Angstzu-
ständen mit ausgeprägter Sympathikusaktivierung zeigte, dass ein gesteiger-
ter Sympathikustonus den vasodilatatorischen Einfluss einer Hyperkapnie
deutlich vermindern kann [40].
Das Wissen um die zerebrale Autoregulation und ihr Einfluss auf die Blutfluss-
parameter in der Mikrozirkulation werden in der Evaluation des O2C-Gerätes
im klinischen Alltag in dieser Studie genutzt. Einerseits werden bereits be-
kannte Stellgrößen der Autoregulation im Rahmen der anästhesiologischen
Überwachung konstant gehalten. Andererseits können die erhobenen O2C-
Daten während chirurgischer Manipulation nur sinnvoll unter Berücksichtigung
autoregulationsvermittelter Parameterveränderungen interpretiert werden.
4.3 Bedeutung des zerebralen venösen Systems
Die Funktionalität der zerebralen Durchblutung ist maßgeblich von der Integri-
tät des venösen Gefäßsystems abhängig. Hierbei sind insbesondere der ve-
nöse Füllungszustand sowie der venöse Rücktransport zum Herzen wichtige
Stellgrößen. Das zerebrale Venensystem besteht aus einem oberflächlichem
sowie tiefem System, wobei die oberflächlichen Venen die kortikalen Anteile
beider Hemisphären drainieren.
Es gibt einige maßgebliche strukturelle Unterschiede zwischen venösem und
arteriellem Anteil des zerebralen Gefäßsystems. Kleinste Venen und Venolen
werden von keiner glatten Muskulatur umgeben und verändern ihren Diameter
unter physiologischen ICP-Werten kaum [41]. Es besteht jedoch ein enger Zu-
sammenhang zwischen ICP und dem kortikalen kapillarvenösen Füllungs-
druck. Letzterer übersteigt den ICP lediglich um ca. 2-5 mmHg [42]. Bei patho-
logisch erhöhtem intrakraniellem Druck können venöse Gefäße somit leicht
komprimiert werden und in Folge eine venöse Stauung mit reduziertem zereb-
ralem Blutfluss bedingen. Das venöse System enthält zwischen 70 und 80 %
16des zerebralen Blutvolumens [41]. Obwohl für eine exakte Ermittlung der regi-
onalen zerebralen Sauerstoffsättigung auch arterielle und kapillare Kompo-
nenten erfasst werden müssten, kann die kapillarvenöse Sauerstoffsättigung
als geeigneter Ersatzparameter zur Beurteilung einer möglichen Gewebehy-
poxie betrachtet werden.
4.4 Übersicht der Neuromonitoring-Verfahren
Intraoperatives Kontinuierliche
Methode Messgröße
Anwendungsgebiet
Räumliche Auflösung
Messung
Vorteile Nachteile
Starke Beeinflussung
CEA, Herzchirurgie, Hohe zeitliche durch Änasthesie,
Aneurysmen- Auflösung, elektromagnetische
EEG Elektrische Aktivität Niedrig Ja
Ausschaltung, AVM, umfangreiche Studien Störfelder,
Epilepsiechirurgie vorhanden mangelnde
Alarmkriterien
Umfangreiche
Studien vorhanden,
Hirnnerven-
übeprüft zuverslässig
EMG Elektrische Aktivität Monitoring, Niedrig Ja Nadel-Platzierung
kortikale
Wirbelsäulenchirurgie
Funktion/somato-
sensorische Bahnen
Tumore des
Rückenmarks, Umfangreiche Hitzeentwicklung,
MEP Elektrische Aktivität Mittel Ja
thorakoabdominelle Studien vorhanden Lärm, Krampfanfälle
Aneurysmen
Wirbelsäulenchirugie, Hohe zeitliche
Kleinhirnchirurgie, Auflösung, Starke Beeinflussung
SEP Elektrische Aktivität Niedrig Ja
Aneurysmen- umfangreiche Studien durch Anästhesie
auschaltung, CEA vorhanden
Hohes Signal-Rausch-
Verhältnis,
Hohe zeitliche
Herzchirurgie, CEA, Beeinflussung durch
Auflösung, portable
NIRS Sauerstoffsättigung Vasospasmus- Mittel Ja extrazerebrales
Geräte, Anästhesie
Detektion Gewebe, ø Standard-
unabhängig
Anwendungsalgorith
mus
Aneurysmen-
IOMD Blutfluss ausschaltung, AVM- Hoch Nein Zuverlässig, preiswert Untersucherabhängig
Therapie
Anfällig für
In klinischer Bewegungsartefakte,
LSCI Blutfluss Hoch Ja Einfach, preiswert
Erprobung geringe Eindringtiefe
(100 mm)
In klinischer Direkte CBF-Messung
TDF Blutfluss Hoch Ja Invasiv
Erprobung möglich
Tabelle 1: Übersicht der am häufigsten angewendeten intraoperativen
Neuromonitoringverfahren. EEG: Elektroenzephalographie; EMG: Elektromyographie; MEP:
17Motorisch evozierte Potentiale; SEP: Somatisch evozierte Potentiale; NIRS: Nah-Infrarot-
Spektroskopie; IOMD: Intraoperative Mikrodoppler-Sonographie; LSCI: Laser-Speckle-Contrast-
Imaging; CEA: Karotisendarterektomie; AVM: Arteriovenöse Malformation; TDF:
Thermodiffusionsflowmetrie.
Bereits seit den 1920iger Jahren werden nicht-invasive und invasive Mess-
techniken zur Erfassung des zerebralen Blutflusses angewendet und weiter-
entwickelt. Zu diesen zählen neben der Doppler-Sonographie, die Laser-
Doppler-Flowmetrie, das Laser-Speckle-Contrast-Imaging und auch Thermo-
diffusions-Verfahren. Für eine detailreiche Bestimmung der Sauerstoffsätti-
gung sowie metabolischer Stellgrößen bedarf es jedoch des Spektrometrie-
Verfahrens oder einer direkten quantitativen invasiven Messung wie der ze-
rebralen Mikrodialyse. Es existieren einige nicht-invasive Neuromonitoring-
Systeme, die seit Jahren im klinischen Alltag Verwendung finden. Im Vergleich
zu invasiven Methoden werden sie von einem geringeren Infektions- und Blu-
tungsrisiko begleitet und sind in ihrer Handhabung zum Teil deutlich weniger
aufwendig. Trotz dieser Risiken ist der Einsatz invasiver Verfahren in vielen
Anwendungsgebieten noch alternativlos. So haben bisherige nicht-invasive
Messmethoden relevante Beschränkungen bezüglich ihrer Eindringtiefe, wel-
che oft auf wenige Millimeter begrenzt ist. Ihre klinische Einsatzfähigkeit wird
jedoch am stärksten dadurch limitiert, dass die meisten derzeit im Einsatz be-
findlichen Messsysteme entweder nur für die Erfassung des Blutflusses oder
der Sauerstoffsättigung ausgelegt sind. Damit können diese beiden Messgrö-
ßen bis heute noch nicht kombiniert in Echtzeit und nicht-invasiv im Operati-
onssaal durch ein einzelnes System erfasst werden.
4.4.1 Elektrophysiologisches Neuromonitoring
Unter dem Begriff „intraoperatives neurophysiologisches Monitoring“ (IONM)
werden verschiedene Messmethoden zusammengefasst, welche die Integrität
von neuronalen Bahnen und funktionellen Hirnareale überwachen können.
Diese Monitorsysteme kommen unter anderem im Bereich neurochirurgischer,
orthopädischer, gefäß- und herzchirurgischer Eingriffe zum Einsatz. Mithilfe
der Elektromyographie, dem Ableiten evozierter Potenziale und der Elektroen-
zephalographie können nach elektrischer oder sensibler Stimulation Antwor-
ten des Nervensystems in Form von elektrischen Signalen registriert werden.
Im Folgenden werden die unterschiedlichen elektrophysiologischen Methoden
kurz beschrieben.
18Die Erfassung somatosensibel evozierter Potenziale stellt hierbei sowohl int-
raoperativ als auch im stationären Alltag ein bewährtes Neuromonitoring-Ver-
fahren dar. Somatosensibel evozierte Potenziale (SEP) beschreiben Erre-
gungswellen, die bei der fortlaufenden Aktivierung von Nervenzellverbänden
entlang peripherer somatosensorischer Bahnen entstehen. Die registrierten
Wellen werden nach ihrer Morphologie, Verteilung und Amplitude beurteilt. Ka-
pitel 5.1.4 widmet sich im Detail der SEP-Technologie.
Nach einfacher oder repetitiver Reizung des Gehirns lassen sich mit der Ab-
leitung motorisch evozierter Potentiale (MEP) neuroelektrische Signale am
Rückenmark und an peripheren Nerven aufzeichnen. Transkranielle elektri-
sche MEPs werden vor allem in der Wirbelsäulenchirurgie [43], aber auch in
der Hirntumorchirurgie [44, 45] verwendet und verbessern besonders in Kom-
bination mit SEPs die Genauigkeit des Neuromonitorings. Klinischen Einsatz
findet die MEP-Technologie neben dem intraoperativen Bereich vor allem zur
Diagnosestellung und Verlaufskontrolle der Multiplen Sklerose und der Evalu-
ation der motorischen Rehabilitation nach Schlaganfall.
Das am weitesten verbreitete intraoperative Einsatzgebiet des EEG-
Monitorings ist die Karotisendarteriektomie (CEA) [46]. EEG-Veränderungen
können verlässlich Schwankungen der zerebralen Durchblutung aufzeigen.
EEG-Ableitungen an der Kopfhaut werden standardisiert nach dem 10-20-
System mit Elektroden und einem digitalen EEG-Gerät durchgeführt. Die wich-
tigste Voraussetzung für eine sinnvolle Interpretation der registrierten Daten
ist die Kenntnis über den Einfluss des Sedierungsgrades des jeweiligen Pati-
enten auf elektrophysiologische Vorgänge. Jegliche nicht durch die Anästhe-
sie hervorgerufene Variationen können durch diese Echtzeitmessung, ähnlich
der O2C-Methode, Hinweise auf eine Veränderung des zerebralen Blutflusses
liefern und ermöglichen dem Operateur sofort auf mögliche Komplikationen zu
reagieren.
Als weitere Messmethode ist die Elektromyographie zur Aufzeichnung der
elektrischen Muskelaktivität zu nennen. Hierzu werden mehrere EMG-Nadeln
in die zu untersuchenden Muskeln eingebracht. Neben der Überwachung der
spontanen Muskelaktivität kann zusätzlich durch eine direkte elektrische Sti-
19mulation der Verlauf eines peripheren Nervs dargestellt werden. Elektrophysi-
ologische Ableitungen, die während einer Operation durchgeführt werden,
können jedoch durch eine Vielzahl von Störfaktoren in ihrer Wertigkeit einbü-
ßen. Hohe elektrische Widerstände, inkorrekt platzierte Ableitepunkte, elekt-
romagnetische Störfelder, zum Beispiel bei Verwendung einer bipolaren
Strompinzette, oder die Beeinflussung durch Medikamente, welche die Anäs-
thesietiefe verändern, sind nur einige Beispiele.
4.4.2 Optisches Neuromonitoring
Es existieren weiterhin nicht-invasive optische Verfahren, welche mithilfe der
Messung der metabolischen Aktivität oder durch direkte Beobachtung von ze-
rebralem Blutfluss die Funktionalität von Gehirnstrukturen beurteilen. Die Na-
hinfrarotspektroskopie bietet eine Möglichkeit der Messung der zerebralen
Oxygenierung. Auf Basis von Transmissions- und Absorptions-Spektren von
Licht im kurzwelligen Infrarotbereich zwischen circa 600 nm und 900 nm kann
mit der NIRS-Methode die relative Konzentration von oxygeniertem und des-
oxygeniertem Hämoglobin in den oberen Schichten des zerebralen Kortex be-
stimmt werden [47]. Mit einer hohen räumlichen Auflösung und portablen Ge-
räten bietet die NIRS gegenüber anderen Monitoring-Verfahren potenzielle
Vorteile. Andererseits bestehen einige Einschränkungen im Hinblick auf die
klinische Einsatzfähigkeit. Ein Beispiel hierfür ist unter anderem die Beeinflus-
sung der Messung durch die Ablenkung und Streuung von Licht auf dem Weg
zwischen Lichtquelle und zerebralen Kortex durch extrazerebrales Gewebe
[48, 49]. Ein subdurales oder extrazerebrales Hämatom kann zu einer indivi-
duell unterschiedlich ausfallenden Änderung der Messung der zerebralen
Sauerstoffsättigung führen. Trotz einiger potentieller Störvariablen konnten kli-
nische Studien die Fähigkeit der NIRS zur Erkennung von zerebralen Ischä-
mien in verschiedensten klinischen Anwendungsfeldern belegen. Ergebnisse
einer Studie von Maslehati und Kollegen [50] zeigen die Möglichkeit zum Ein-
satz bei Patienten mit Subarachnoidalblutung (SAB). Weiterhin bilden Ein-
griffe, bei denen iatrogen oder erkrankungsbedingt zerebrale Ischämien dro-
hen, ein mögliches Einsatzfeld der NIRS. Hierzu zählen zum Beispiel die Ka-
rotisendarteriektomie, das Ausschalten intrakranieller Aneurysmen mittels
Clips, der induzierte hypothermische Kreislaufstillstand bei Eingriffen am Aor-
20tenbogen und die Behandlung von Gehirntumoren sowie Schlaganfallpatien-
ten. Trotz zahlreicher Studien und der Anwendung der NIRS-Methode in der
klinischen Forschung gibt es aktuell noch keinen standardmäßigen klinischen
Einsatz in der Neurochirurgie [51, 52].
Die Indocyaningrün-Fluoreszenzangiographie hat seit ihrer Erstbeschreibung
1957 weiten Einzug in die vaskuläre Neurochirurgie gefunden. Das Operati-
onsgebiet wird hierbei mit Licht im Nahinfrarotbereich bestrahlt, welches das
Absorptionsspektrum von Indocyaningrün (ICG) abdeckt. Umgebungslicht
wird mithilfe eines optischen Filters ausgeschaltet und die ICG-induzierte Flu-
oreszenz isoliert aufgezeichnet. Auf diese Weise können nach intravenöser
ICG-Gabe angiographische Bilder der arteriellen, kapillaren und venösen Ver-
sorgung in Echtzeit auf einem Videomonitor dargestellt werden [53]. In meh-
reren Studien konnte der Einsatz der ICG-Angiographie in den Bereichen der
Aneurysmen-Ausschaltung [54], der chirurgischen Behandlung von arteriove-
nösen Malformationen (AVM) [55] und in der extra-intrakraniellen Bypass-Chi-
rurgie [56] positiv evaluiert werden. Schwächen dieser Messmethode beste-
hen bei der Detektion von Residuen im Aneurysma-Halsbereich, der Be-
schränkung des untersuchten Gewebes auf das Sichtfeld des Operationsmik-
roskops und falsch positiven Untersuchungsergebnissen bei mehrfacher ICG-
Gabe. Durch die einfache, sichere und schnelle Anwendung mit hoher räumli-
cher und temporaler Auflösung findet die ICG-Angiographie trotz einiger Limi-
tationen in vielen Zentren weiten Einsatz [57].
Die Laser-Doppler-Flowmetrie wurde ursprünglich zur Beurteilung der zereb-
ralen Hämodynamik in extrakraniellen Gefäßen benutzt. Aaslid und Kollegen
modifizierten diese Technologie und ermöglichten eine transkranielle Untersu-
chung von Hirngefäßen [58]. Diese im heutigen klinischen Alltag weit verbrei-
tete und standardisierte Art der Blutflussmessung eignet sich insbesondere
zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit intrakranieller Arterien und zur
Detektion von Vasospasmen. Technischer Fortschritt und weitere Studien
führten zu der Entwicklung von Mikrosonden für die direkte Untersuchung von
kleinen zerebralen Gefäßen [59]. Hieraus leitete sich die intraoperative Mikro-
doppler-Sonographie (IOMD) ab, eine weitere nicht-invasive Monitoring-Me-
thode zur Überprüfung der Durchgängigkeit von hirnversorgenden Gefäßen.
21Die IOMD gilt als sichere, effektive, zuverlässige und günstige Monitoring-Me-
thode während der chirurgischen Behandlung von AVMs sowie während der
Ausschaltung von Aneurysmen [60]. Sowohl die IOMD, wie auch die ICG-
Fluoreszenzangiographie, können jedoch nur nach chirurgischer Freilegung
der zu beobachtenden Gefäßstrukturen eingesetzt werden und sind nicht für
eine kontinuierliche Messung geeignet.
In den letzten Jahren wurde das sogenannte Laser-Speckle-Contrast-Imaging
(LSCI) zunehmend Gegenstand der medizinischen Forschung. Diese neuar-
tige Methode ermöglicht die Erfassung der zerebralen Blutflussdynamik in der
Mikrozirkulation durch die Analyse der Interaktion zwischen Laserlicht und sich
bewegenden Teilchen. Durch das Auftreffen von kohärent aufgeweitetem La-
serlicht auf einer Oberfläche entstehen Lichtgranulationen, welche in ihrem
Muster durch Interferenz, zum Beispiel durch Bewegung, verändert werden.
In Tierversuchen und in der klinischen Erprobung an Patienten konnte der Nut-
zen dieser Technik bei der Beurteilung der zerebralen Blutflussdynamik belegt
werden [61, 62]. Das Laser-Speckle-Contrast-Imaging erlaubt eine pseudo-
quantitative Darstellung des relativen Blutflusses mit jeweils hoher zeitlicher
und räumlicher Auflösung in einem 5 x 7 mm bis hin zu 8 x 12 cm großen
Kortexareal [63]. Hierbei wird eine zweidimensionale, farbkodierte Karte des
zerebralen Blutflusses in Echtzeit erstellt. Die einfache Handhabung und die
zudem relativ niedrigen Anschaffungskosten machen diese Technologie für
die Blutfluss-Erfassung interessant. Mit zunehmendem technologischem Fort-
schritt konnte diese Methode in den letzten Jahren in ihrer Auflösung, ihrer
Aufzeichnungsgeschwindigkeit und Effektivität bezüglich der Erfassung von
biologischen Parametern verbessert werden. In Pilotstudien konnte die LSCI-
Technologie in ein Operationsmikroskop integriert werden und intraoperativ
Blutflussveränderungen detektieren, ohne wesentlich den Operationsablauf zu
beeinträchtigen [64]. Bei verhältnismäßig geringem apparativem Aufwand
könnte diese Technik in Zukunft eine sinnvolle Ergänzung der Operationssäle
darstellen. Besonders zur Evaluierung der Perfusion oberflächlichen Gewebes
bei Patienten mit Mediainfarkt wird ein Einsatz des LSCI aktuell überprüft[66].
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