Optische topografie/NIRS

Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.

Samenvatting

Optische topografie of near-infrared spectroscopy (NIRS) neemt een hoge vlucht in Japan. Ziekenhuizen maken optische brainscans van patiënten met depressie, bipolaire stoornissen of schizofrenie. Tweederde van de publicaties over NIRS-onderzoek is momenteel afkomstig uit Japan. Hitachi en Shimadzu leveren de NIRS-apparatuur. De apparatuur dient steeds vaker niet alleen voor onderzoek, maar ook voor ondersteuning van diagnose en behandeling.

Plotseling is er in Japan enorme belangstelling voor near-infrared spectroscopy (NIRS) in de medische zorg. NIRS is het nieuwe hulpmiddel voor de diagnose van psychiatrische problemen, zoals depressies, bipolaire stoornissen en schizofrenie. Masato Fukuda, een neurowetenschapper en psychiater verbonden aan het academische ziekenhuis van Gunma Universiteit in Maebashi heeft met apparatuur van Hitachi Medical Corporation al meer dan duizend mensen onderzocht. Sinds 2009 is de NIRS-technologie goedgekeurd door het Japanse ministerie van volksgezondheid en wordt het gebruikt voor het stellen van psychiatrische diagnoses. Sinds 2009 hebben ruim driehonderd patiënten elk 13.000 yen, ruim 100 euro, betaald voor een dergelijk onderzoek. Ook Tokyo Universiteit is NIRS gaan aanbieden voor diagnostische neuro-imaging. De vraag steeg zo snel dat de universiteit al twee keer afspraken heeft moeten stoppen om de wachtlijst niet te groot te laten worden (1).

De hoop op een snelle, heldere en eenduidige diagnose wekt vooral de belangstelling van patiënten. Mensen met psychiatrische problemen hebben vaak last van allerlei bijkomende problemen die een simpele diagnose bemoeilijken. Daardoor krijgen veel mensen de verkeerde diagnose. Volgens Fukuda zijn patiënten ook op zoek naar hardere indicaties over hun ziektebeeld, zodat zij op hun werk kunnen uitleggen waarom zij afwezig zijn. Een andere reden voor de toegenomen belangstelling is het groeiend aantal oudere patiënten als gevolg van de vergrijzing in Japan.

Medische beeldvorming
Medische beeldvorming heeft de afgelopen jaren tot enorme vooruitgang geleid in de medische diagnostiek. Tegenwoordig is functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) de meest gebruikte technologie voor het afbeelden van hersenfuncties. fMRI meet de bloedcirculatie, metabolische veranderingen en allerlei functies van het neurale netwerk in de hersenen. Toch heeft deze techniek ook nadelen. fMRI-machines zijn duur en patiënten moeten tijdens de meting vaak lange tijd stilliggen. Een snelle, goedkope en draagbare technologie zou de functionele beeldvorming sterk kunnen verbeteren. Japanse onderzoekers zijn dus naarstig op zoek naar nieuwe technologieën voor medische beeldvorming ter ondersteuning van diagnose en behandeling. Tweederde van alle publicaties over NIRS-onderzoek wordt momenteel geschreven door Japanners. Met NIRS lijken zij een belangrijke stap vooruit te zetten.

Om vast te stellen waarom NIRS op dit moment zo’n groei doormaakt en zoveel belangstelling wekt, ging TWA op bezoek bij de twee Japanse leveranciers van NIRS-apparatuur, Hitachi en Shimadzu. In Tokio’s neurotech cluster is professor Hideaki Koizumi de grootste kenner van deze ontwikkeling. Hij is verbonden aan het Advanced Research Laboratory van Hitachi in het westen van Tokio. Hij heeft daar aan de wieg gestaan van de NIRS-ontwikkeling. Shimadzu is de tweede grote speler in Japan. Koiji Tanimizu is daar general manager van de klinische en biotech business unit en Shigeyuki Shibata is er manager van wetenschappelijke en industriële meetapparatuur.

Optische topografie
Koizumi spreekt liever van ‘optische topografie’ dan van NIRS. Hij introduceert deze technologie door met rood licht op zijn hand te schijnen. De randen van zijn vingers en hand worden rood en half doorschijnend. Zo toont hij aan dat rood licht makkelijker het menselijk lichaam binnendringt dan licht van een andere kleur. Zichtbaar en infrarood licht vertonen een interactie met lichaamsweefsels door absorptie en reflectie. Hersenactiviteit is het gevolg van neuronen die elektrische signalen aan elkaar afgeven. Hiervoor is energie nodig, die in de vorm van glucose en zuurstof wordt aangevoerd door het bloed. Zo ontstaan er veranderingen in de oxy- en deoxy-hemoglobine concentraties op de plaats van handeling.

Figuur 1. Absorptiespectrum van oxy- en deoxy-hemoglobine tussen 650 en 850 nm. Bron: Hitachi.

Bij optische topografie is hemoglobine het fysiologisch interessant molecuul omdat het nabij-infrarood licht kan absorberen. De concentraties van oxy- en deoxy-hemoglobine beïnvloeden de mate van transmissie en absorptie van het licht. De intensiteit van het gereflecteerde licht is een maat voor de hoeveelheid oxy- en deoxy-hemoglobine. Optische topografie maakt gebruikt van nabij-infrarood licht van 695 and 830 nm (zie figuur 1). Hiermee is het mogelijk om in de cortex, dus alleen in de bovenste laag van de hersenen, concentratieveranderingen in de hemoglobine te meten. Tevens kan het volume aan bloed gemeten worden. Lichamelijke activiteiten leiden plaatselijk in de hersenen snel tot dit soort veranderingen in het bloed. Door een proefpersoon een bepaalde taak te laten uitvoeren kan gemeten worden welke delen van de bovenste laag van de hersenen worden geactiveerd.

Figuur 2. Infraroodlichtpenetratie en -detectie. Bron: Hitachi.

Meting
De meting vindt plaats door met zwak infrarood licht van ongeveer 2 mWatt, afkomstig van een laserdiode, via een optische vezel een bepaalde plek op de schedel van de patiënt te verlichten. Daar penetreert het licht tot een diepte van ongeveer 30 mm (zie figuur 2). Onderweg wordt het verstrooid door het hemoglobine in het bloed. Voor een deel wordt het licht gereflecteerd door de schedel, waar het wordt opgevangen door een sensor, die 30 mm verwijderd ligt van de plaats van het inkomend licht. Het zo opgevangen signaal bevat informatie over de hersenactiviteit. Het gereflecteerde signaal is honderd miljoen tot een miljard maal zwakker dan het oorspronkelijke signaal. Dit licht wordt via optische vezels naar een zeer gevoelige fotodetector geleid, die het signaal samen met de signalen van andere sensoren omzet in een afbeelding. De volledige meting inclusief de verwerking van het signaal en de afbeelding verloopt binnen een tiende seconde. Elke tiende van een seconde kan er dus een nieuwe meting worden verricht, zodat real-time een tweedimensionaal plaatje ontstaat van wat zich afspeelt in zijn hersenen.

Figuur 3. De positionering van verlichtings-, detectie- en meetpunten in optische topografie. Bron: Hitachi.

De ‘topografie’ in optische topografie betreft de nauwkeurige positionering van het intredende licht en de plaatsing van detectiepunten voor het uitredende gereflecteerde licht. Zij worden opgesteld in een carré, waarin de onderlinge afstand tussen de posities ongeveer 30 mm is. Het punt halverwege een verlichtings- en detectiepunt wordt beschouwd als het gemeten punt (zie figuur 3). Het gehele systeem ziet er dan uit als in figuur 4.

Figuur 4. Optisch topografisch systeem. Bron: Hitachi.

Voordelen
De voordelen van het nieuwe systeem in vergelijking met de bestaande technieken verklaren de grote belangstelling voor NIRS, aldus Koizumi. Allereerst is deze methode niet-invasief en worden er relatief weinig beperkingen opgelegd aan de patiënt tijdens de meting. Bij gebruik van andere technieken, zoals fMRI, PET, MEG of EEG mag de patiënt zich vaak nauwelijks bewegen. Vooral bij onderzoek aan kleine kinderen is optische topografie daarom handig. Verder kan NIRS ook gelijktijdig met deze andere technieken worden toegepast. In tabel 1 worden PET, fMRI, MEG en optische topografie met elkaar vergeleken.

Imaging technologie / aspecten	PET	fMRI	MEG	Optische topografie
Belemmeringen voor de patiënt	Injectie of inhalatie van radioactieve stoffen; volledige rustpositie, plat op de rug of plat op de buik in tunnel tijdens meting	volledige rustpositie, plat op de rug of plat op de buik in tunnel; lawaai en geluid tijdens meting	Volledige rust tijdens meting	Zittend of achteroverleunend; kleine bewegingen toegestaan
Ruimtelijke resolutie	15 mm	2 mm	5-15 mm	20 mm
Dieptemeting in de hersenen	goed	goed	Matig – slecht	Buiten bereik
Object van meting	Tracers en metabolieten daarvan in bloed	Paramagnetisme van deoxy-hemoglobine	Magnetische flux van neuronenstroom	Lichtabsorptie door oxy- en deoxy-hemoglobine

Tabel 1. Vergelijking van de verschillende brain imaging technologieën. Bron: Hitachi (6).

Figuur 5. ETG-7100 meet hersenactiviteit van een patiënt. Bron: Hitachi (3).

Hitachi en Shimadzu
Hitachi heeft twee varianten van optische topografie-machines op de markt: de ETG-4000 en ETG 7100 (zie figuur 5). De ‘cap’ die op het hoofd geplaatst wordt heeft een groot aantal meetpunten. Inmiddels heeft het bedrijf een moderne cap gemaakt die meer op een motorhelm lijkt. Uit het TWA-bezoek aan Shimadzu blijkt dat het fNIRS-systeem, de FOIRE-3000, in nauwe samenwerking is ontstaan met Yoko Hoshi, directeur van het Integrated Neuroscience Research Team van het Tokyo Institute of Psychiatry, ook een vooraanstaande Japanse NIRS-onderzoeker. In Japan zijn momenteel ruim negentig van deze apparaten in gebruik voor onderzoek. Hoshi gebruikt de Foire-3000 nu voor emotie-analyses en de cognitieve aspecten van oogbewegingen (zie figuur 6).

Figuur 6. Foire-3000 van Shimadzu. Bron: Shimadzu (4).

Kritiek en voortgang
In Japan heeft NIRS een snelle ontwikkeling doorgemaakt; zeker in vergelijking met fMRI en andere technieken. NIRS mist de precisie en diepte van fMRI, maar zet daar lagere kosten en mobiliteit tegenover. Toch zijn veel wetenschappers ook in Japan nog niet echt overtuigd dat NIRS al geschikt is voor klinische toepassing. Daarvoor zijn er nog te weinig studies gedaan, aldus Masahiko Haruno, als neurowetenschapper werkzaam bij Tamagawa Universiteit in Tokio.

Ondertussen is onder leiding van professor Kiyoto Kasai (klinische neurowetenschap) van de Universiteit van Tokyo een onderzoek gaande naar de reactie van schizofreniepatiënten op hun medicatie. Via optische topografie heeft zijn groep vastgesteld dat wanneer patiënten tijdens een onderzoeksessie puzzels oplossen, de veranderingen in hun bloed kunnen worden gecorreleerd aan een bepaalde variant van catechol-O-methyltransferase (COMT). Elke patiënt heeft eigen variant van dit enzym. Het is betrokken bij het metabolisme van de neurotransmitter dopamine. Gebleken is dat schizofreniepatiënten met een relatief inactieve COMT op kleinere doses van hun medicijn reageren. Normaal gesproken wordt de diagnose schizofrenie gesteld tijdens een bezoek aan de specialist. Het bepalen van de ernst en de omvang van het medisch probleem is op deze manier niet erg eenvoudig. Met optische topografie hoopt Kasai het aantal verkeerde diagnoses te verminderen (5).

Elders in Tokio wordt gewerkt aan het testen van optische topografie als meetmethode voor het bepalen of patiënten na een hersenbeschadiging weer in staat zijn auto te rijden. Bij Showa universiteit is een testopstelling gemaakt waar patiënten plaatsnemen voor een monitor die allerlei verkeerssituaties toont. Vervolgens wordt de hersenactiviteit van de patiënt vastgesteld bij bepaalde verkeerssituaties, zoals plotseling overstekende voetgangers. Volgens professor Masaru Mimura is de test een maat voor de geschiktheid om weer auto te rijden.

Ondanks de kritiek gaat het optisch topografisch onderzoek verder op de ingeslagen weg, op zoek naar serieuze ondersteuning van medische diagnoses en geavanceerde medisch behandelingen van patiënten.

Bronnen
1. David Cyranoski, Neuroscience: Thought experiment. Japanese hospitals are using near-infrared imaging to help diagnose psychiatric disorders. But critics are not sure the technique is ready for the clinic, Nature, volume 469, 13 January 2011 (http://www.themistsofavalon.net/t1699-neuroscience-thought-experiment-japanese-hospitals-are-using-near-infrared-imaging).
2. First do no harm, Editorial, Nature, volume 469, 13 January 2011 (http://www.nature.com/nature/journal/v469/n7329/full/469132a.html).
3. Metingen met Hitachi’s ETG-7100 (http://www.hitachi-medical.co.jp/product/opt/index.html).
4. Metingen met behulp van Shimadzu’s Foire-3000 (http://www.an.shimadzu.co.jp/prt/nirs/nirs_top.htm).
5. Katsue Nagakura, Nikkei Weekly, February 15, 2010, Non-invasive measurement of blood flow sheds light on brain activity (http://e.nikkei.com/e/ac/20100215/TNW/Nni20100215TC6BRAIN.htm?NS-query=noninvasive measurement) .
6. Principle of Optical Topography: http://www.hitachi-medical.co.jp/info/opt-e/.