Hybride Lichttechnik erfasst tiefe Blutströmung in lebendem Gewebe
Forschende am ICTER kombinieren Interferometrie und Hochgeschwindigkeitskameras, um oberflächliche Gefäße von der Hirndurchblutung zu unterscheiden.
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Optische Sensoren, die auf die menschliche Haut gesetzt werden, können oberflächliche Blutströmung oft nur schwer von der Durchblutung in tieferen Organen trennen. Um diese Einschränkung zu überwinden, haben Forschende am International Centre for Translational Eye Research ein hybrides optisches Nahinfrarotsystem entwickelt, das Signale aus tieferen Gewebeschichten isoliert. Die medizintechnische Innovation, getestet an menschlichen Freiwilligen, ermöglicht eine nicht-invasive Verfolgung der Blutdynamik ohne chirurgischen Eingriff.
Das Tiefenrätsel der optischen Gewebeüberwachung lösen
Wenn Kliniker Licht auf die Stirn richten, um die Hirndurchblutung zu überwachen, wird das zurückkehrende Signal durch Blut verunreinigt, das durch die Kopfhaut fließt. Herkömmliche interferometrische Nahinfrarotspektroskopie kann Signale anhand der Zeit unterscheiden, die das Licht für den Weg durch das Gewebe benötigt, sammelt aber nur sehr wenige Photonen, wie MedicalXpress berichtet. Die standardmäßige kamerabasierte Detektion fängt deutlich mehr Licht ein, verliert jedoch die Flugzeitinformation, wenn sich lebendes Gewebe schnell verändert. Um die Vorteile beider Ansätze zu vereinen, bauten Marcin Marzejon und Dawid Borycki ein hybrides optisches Instrument – eine Innovation, die Laserinterferometrie mit Kameradetektion verbindet.
„Die Flugzeit hilft uns, Licht mit einem größeren Beitrag aus tieferen Geweben auszuwählen. Wenn wir diese Information mit den durch die Bewegung der Blutzellen verursachten Veränderungen kombinieren, können wir Signale aus der oberflächlichen Durchblutung besser von der Blutströmung in tieferen Geweben unterscheiden.“
— Dawid Borycki, Leiter der PICO-Gruppe am ICTER
Specklemuster mit Laserlicht bei 780 Nanometern verfolgen
Das System nutzt einen Laser, der bei einer Wellenlänge von etwa 780 nm im Nahinfrarotbereich arbeitet und in komplementäre Messpfade aufgeteilt wird, die von einer einzigen Lichtquelle gespeist werden. Während der Strahl biologisches Gewebe durchquert, wird er vielfach gestreut und bildet auf dem Sensor eine körnige Verteilung heller und dunkler Punkte, das sogenannte Specklemuster. Sich bewegende rote Blutkörperchen verändern dieses Muster im Laufe der Zeit, wodurch die Software einen Blutströmungsindex berechnen kann, der die Kreislaufgeschwindigkeit widerspiegelt, wie MedicalXpress berichtet. Photonen, die längere Wege durch tiefere Strukturen nehmen, erreichen den Detektor später, sodass der Prototyp tiefe physiologische Reaktionen von der oberflächlichen Hautdurchblutung unterscheiden kann.
Tiefenempfindlichkeit an Unterarmen und Stirn validieren
Die Forschenden demonstrierten die Technik an zwei gesunden Männern im Alter von 33 und 43 Jahren, wobei sie optische Fasern 1 cm voneinander entfernt auf der Haut platzierten und die Tests in einsekündigen Durchläufen aufzeichneten. In einem Unterarmexperiment stoppte das Aufpumpen einer Blutdruckmanschette den Blutfluss und verlangsamte die Speckle-Veränderungen, worauf nach dem Ablassen des Drucks ein sofortiger Anstieg über den Ausgangswert folgte, wie MedicalXpress im Detail berichtet. In dieser Phase der reaktiven Hyperämie zeigten später ankommende Photonen einen deutlich stärkeren Signalanstieg als früh ankommende Photonen. Ein separater Test mit einem elastischen Stirnband auf der Stirn bestätigte, dass spät ankommendes Licht eine schwächere Reaktion auf die Kompression der Kopfhautoberfläche zeigte, was seine Empfindlichkeit für tiefere Schichten belegt und das klinische Potenzial der Erfindung unterstreicht.
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