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20. Wissenschaftliche Jahrestagung der DGPP Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie e. V.

12. bis 14.09.2003, Rostock

Funktionelle transkranielle Dopplersonografie zur Ermittlung der Sprachlateralitität bei Kindern: Untersuchungsmethode und Evaluation von zwei Aktivierungsparadigmen

Vortrag

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  • corresponding author Georg Kutschke - Kinderklinik, Klinikum der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Langenbeckstr. 1, 55131 Mainz, Telefon: 06131-172442, Fax: 06131-176646
  • Bernd Reitter - Kinderklinik, Klinikum der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Langenbeckstr. 1, 55131 Mainz, Telefon: 06131-172442, Fax: 06131-176646
  • Annerose Keilmann - Klinik für Kommunikationsstörungen, Klinikum der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Langenbeckstr. 1, 55131 Mainz, Telefon: 06131-172473?, Fax: 06131-176623

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie. 20. Wissenschaftliche Jahrestagung der DGPP. Rostock, 12.-14.09.2003. Düsseldorf, Köln: German Medical Science; 2003. DocV52

Die elektronische Version dieses Artikels ist vollständig und ist verfügbar unter: http://www.egms.de/de/meetings/dgpp2003/03dgpp100.shtml

Veröffentlicht: 12. September 2003

© 2003 Kutschke et al.
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Zusammenfassung

Eine Individualdiagnostik der sprachlichen Hemisphärendominanz ist mit derzeit verfügbaren, nicht-invasiven Untersuchungsmethoden (fMRI, MEG) in der Regel erst ab dem 10. Lebensjahr möglich. Demgegenüber bietet die funktionelle transcranielle Dopplersonographie (fTCD) gute Voraussetzungen für die Weiterentwicklung zu einer Untersuchungsmethode für Kinder. Es wurden dazu zwei Paradigmen zur Induktion sprachlicher Hirntätigkeit verwendet: stille Wortgenerierung auf gesprochene Fragen versus Bilder wurden hinsichtlich ihrer hämodynamisch fassbaren Lateralisierung verglichen. Bei n=18 normal entwickelten rechtshändigen Kindern (Alter 6,2±0,5 Jahre, 10m, 8w) konnte mit beiden Paradigmen sprachliche Aktivität evoziert werden. Es wurde die Links-Rechts-Differenz der Blutflussgeschwindigkeit in den mittleren Hirnbasisarterien während der Ruhe- und Aktivierungsphasen (5s bzw. 15s) verglichen.Bei allen Probanden führten die Paradigmen zu einem leichten Anstieg der Blutflussgeschwindigkeit, der linksseitig stärker ausgeprägt war (p<0,01). Bei der Wortgenerierung auf Fragen fiel dieser Seitenunterschied höher aus (p<0,05). fTCD scheint geeignet, schon im Vorschulalter eine vorwiegend linkshemisphärische Entwicklung von Spracharealen nachweisen. Abhängig vom verwendeten Paradigma ist die Lateralisierung unterschiedlich stark. Ihr Grad dürfte Reifungsunterschiede zugrundliegender Hirnleistungen wiederspiegeln.


Text

Einleitung

Bisher verfügbare nicht-invasive Untersuchungsverfahren der individuellen sprachlichen Hemisphärendominanz (SHD) sind wegen ihrer Anfälligkeit gegenüber Bewegungsartefakten und einer begrenzten Möglichkeit zu direktem Kontakt mit dem Probanden meist erst ab dem Schulalter einsetzbar [1], [2]. Die Entwicklung eines auch für Kleinkinder geeigneten Untersuchungsverfahrens wäre jedoch für die Erforschung der noch weitgehend ungeklärten frühen sprachlichen Hirnorganisation von großem Interesse. Dafür gute Voraussetzungen bietet die funktionelle transkranielle Dopplersonografie (fTCD), mit der beim Erwachsenen eine quantitative Untersuchung der SHD mit einem vergleichsweise geringen apparativen und zeitlichen Aufwand, aber einer hohen Sensitivität, Reliablität und Validität möglich ist [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]. Für rezeptive wie expressive sprachliche Leistungen zuständige Cortexareale sind überwiegend im Stirn- sowie Schläfenlappen nur einer Hemisphäre lokalisiert und werden entweder von der rechten oder der linken A. cerebri media versorgt. Die dopplersonografische Seitenzuordnung dieser Leistungen, damit auch die Identifizierung der sprachlich dominanten Hemisphäre, basiert auf einer engen Korrelation von physiologischer Mehrdurchblutung sprachlich aktiver Hirnareale und Anstieg der cerebralen Blutflussgeschwindigkeit (CBFV) in der zuführenden Hirnbasisarterie [8]. Da der für die Berechnung der absoluten CBFV notwendige Winkel zwischen Schallrichtung und Gefäßachse unbekannt ist, lassen sich aktive Sprachareale nicht anhand von Absolutwerten, sondern durch die Berechnung der Seitendifferenz des relativen CBFV-Anstiegs lateralisieren. Voraussetzung hierfür ist eine kontinuierliche Messung der CBFV in beiden Gefäßen während wiederholter, identisch langer Intervalle sprachfreier und sprachlich gebundener Hirnaktivität. Vergleichbar der Auswertung evozierter Hirnpotentiale kann die störende Überlagerung von zufälligen CBFV-Modulationen durch Mittelung einer großen Zahl wiederholter Messepochen effektiv reduziert werden. Um die erforderliche Untersuchungszeit wegen der begrenzten Konzentrationsfähigkeit möglichst kurz zu halten, ist eine zusätzliche Reduktion der von Herzaktion und vegetativen Rhythmen abhängigen CBFV-Modulationen erforderlich [7]. Mit geeigneten Verfahren wie der Herzzyklusintegration und Baseline-Korrektur (Subtraktion der über eine sprachfreie Ruhephase gemittelten CBFV von den Absolutwerten während sprachlicher Aktivierung) lässt sich beim Erwachsenen eine signifikante Seitendifferenz des sprachlich evozierten CBFV-Anstiegs schon nach 15 bis 20 Ruhe- und Aktivierungsphasen erzielen. Weitere Merkmale, wie eine kurze Vorbereitungs- und Untersuchungszeit, geringe Anfälligkeit gegen Bewegungsartefakte, direkte Kontaktmöglichkeit zum Probanden und Durchführbarkeit in vertrauter Umgebung mit aufrechter Körperhaltung prädestinieren die fTCD für die Entwicklung zu einem auch für Kleinkinder geeigneten Untersuchungsverfahren der SHD.

Methodik

Mit dem Ziel einer Untersuchung von 5-6-jährigen Kindern musste das bei Erwachsenen verwendete fTCD-Verfahren in wesentlichen Punkten geändert werden.

Die Untersuchbarkeit von Kindern hängt nach eigenen Erfahrungen in einer Pilotstudie wesentlich von der Verwendung geeigneter Paradigmen der Sprachgenerierung und von der Berücksichtigung eines interaktiven Untersuchungsablaufs ab. Da sich ein maximaler CBFV-Anstieg nur bei Beginn der Generierungsleistung in einer möglichst sprachfreien Phase der Hirntätigkeit erzielen läßt, ist bei Kindern wegen der vergleichsweise geringen Konzentrationsfähigkeit eine kontinuierliche Kontrolle des sprachlichen Aktivierungsniveaus erforderlich, um den Sprachstimulus zum optimalen Zeitpunkt applizieren zu können. Hierzu wurde ein PC-Programm entwickelt, dass die CBFV-Differenz kontinuierlich berechnet und auf einem Monitor in Echtzeit wiedergibt. Dies ermöglicht, neben der Erkennung von Artefakten die Dynamik und Richtung einer lateralisierten Hirnaktivität annähernd zu beurteilen. Zur Induktion eines sprachfreien entspannten Zustands zwischen einzelnen Generierungsphasen habe sich Bilder von Pflanzenblüten als am besten geeignet erwiesen. Eigene Voruntersuchungen an rechtshändigen Schulkindern zeigten, dass sich mit dieser schwachen visuell-perzeptiven Aktivierung eine erwartungsgemäß geringe CBFV-Differenz zugunsten der rechten Hemisphäre induzieren lässt, die sich als Baseline sowohl für den Nachweis einer linksseitigen, aber auch einer rechtsseitigen SHD eignet. Um ein Fehlen der SHD von mangelnder Mitarbeit bei stiller Sprachgenerierung unterscheiden zu können, wurde der Proband aufgefordert, das Ergebnis der stillen Generierungsphase unverzüglich und laut wiederzugeben. Für die vorgestellte Untersuchung wurden zwei Sprachparadigmen ausgewählt mit dem Ziel, vorwiegend lexikalisch-semantische, geringer auch grammatikalische Leistungen zu induzieren. Die verwendeten Stimuli sollten zur Bildung einfacher Sätze anregen. Als Stimulus dienten neben einfach zu erkennenden, auf einem PC-Bildschirm erscheinenden Bildern, die unterschiedliche Handlungen eines Teddybären zeigten (Bildmaterial aus dem Teddy-Test [10]) digital aufgezeichnete, über Lautsprecher wiedergegebene Fragen nach Gegenständen, Tieren und konkreten Handlungen (Material aus dem Kindersprachtest für das Vorschulalter, [11]). Die Stimulation mit Dauer von 4 Sekunden erfolgte bei beiden Paradigmen mit einer Latenz von 5 Sekunden auf eine Ruhephase von mindestens 15 Sekunden mit anschließendem verbalen Aufmerksamkeitsreiz (Dauer 2 Sekunden). Die stille Satzgenerierung sollte unmittelbar nach Stimuluspräsentation für die Dauer von 15 Sekunden erfolgen, während weiterer 10 Sekunden das Ergebnis laut wiedergegeben werden. Diese Abfolge der Ruhe-und Aktivierungsphase (Trial) wurde mit jeweils variierendem Stimulusmaterial 15-fach wiederholt. Die Paradigmen wurden in randomisierter Reihenfolge angeboten und die Untersuchung in sitzender Position 1,5 m vor einem PC-Monitor durchgeführt. Für die TCD wurde ein zur medizinischen Diagnostik zugelassenes Gerät verwendet („Multidop T", Fa. DWL, Elektronische Systeme GmbH, Sipplingen). Zusätzlich zur fTCD wurde neben einem Händigkeitstest [12] auch eine phoniatrisch-logopädische Untersuchung zum Ausschluss einer Sprachentwicklungsverzögerung oder -störung berücksichtigt. Diese umfasste eine konventionelle Audiometrie, eine Überprüfung der Hörmerkspanne bei Nachsprechen von Kunstwörtern [13], eine phonologische Beurteilung mit Hilfe des Neuen Mainzer Lautstatus und eine Beurteilung des Sprachverständnisses mit Hilfe der Reynell-Skalen sowie der Grammatik anhand des Ravensburger Prüfmaterials unter Einbeziehung der Profilanalyse von Clahsen [14], [15]. Die Intelligenz wurde mit der deutschen Version des K-ABC untersucht [16].

Ergebnisse

Es wurden 23 gesunde, normal entwickelte Kinder im Alter von 5;10 (SD 0;7) Jahren (10 Jungen, 13 Mädchen) in die Untersuchung eingeschlossen. Alle Kinder waren Rechtshänder (Punktwert 14 bis 16, mittlerer Punktwert 15; Punktebewertung: 0-4 linkshändig, 5-11 Mittelgruppe, 12-16 rechtshändig, 12). Der mittlere Gesamt-IQ betrug 106 (SD 9). Das mittlere Sprachverständnisalter betrug 5,6 Jahre (SD 8 Monate). Die Überprüfung der Hörmerkspanne fiel bei 21 Kindern normal, bei 2 Kindern grenzwertig aus. Eine partielle Dyslalie bestand bei drei Kindern, 2 dieser Kinder zeigten Paukenergüsse mit einer Beeinträchtigung der Schallleitung zwischen 10-20 dB. Die fTCD-Untersuchung bei Satzgenerierung auf gesprochene Fragen konnte vollständig bei 22 Kindern durchgeführt werden. Bei einem weiteren Kind musste die Untersuchung schon bei 6 von 16 Trials wegen zunehmender Unruhe abgebrochen werden. Der Datensatz dieses Kindes wurde nicht zur Auswertung herangezogen. Als Maß für die SHD wurde die über maximal 16 Trials eines Paradigmas gemittelte Links-Rechts-Differenz des Anstiegs der CBFV in den mittleren Hirnarterien während der stillen Satzgenerierungsphase berechnet. Bei jedem Trial wurde der Anstieg als Differenz der absoluten CBFV während einer 20 Sekunden langen Sprachgenerierungsphase und der über die letzten 15 Sekunden einer individuell unterschiedlich langen Ruhephase bis zum Erreichen einer optimalen Ausgangsbasis für die Stimuluspräsentation gemittelten CBFV berechnet. Während der stillen Satzgenerierung auf gesprochene Fragen stieg die CBFV bei 18 von 22 Kindern linkshemisphärisch signifikant stärker an (Beispiel siehe [Abb. 1]). Bei einem weiteren Kind war dies rechtshemisphärisch der Fall. Drei weitere Kinder zeigten keinen signifikanten Seitenunterschied. Eine vollständiger fTCD-Untersuchung bei Satzgenerierung auf Bildvorgabe konnte bei 20 Kindern erfolgen. Drei Kinder konnten wegen zunehmender Unruhe nur über maximal 7 Trials untersucht werden. Ihre Datensätze wurden nicht ausgewertet. Während sich bei 7 der 20 vollständig untersuchbaren Kinder keine signifikante Seitendifferenz des CBFV-Anstiegs feststellen ließ, war dies bei 9 Kindern zugunsten der linken Hemisphäre der Fall. Drei weitere Kinder zeigten einen zunächst stärker rechtsseitigen, dann linksseitigen signifikanten Anstieg der CBFV (Beispiel siehe [Abb. 2]). Ein weiteres Kind wies wie auch bei der Satzgenerierung auf gesprochene Fragen einen rechtseitig signifikant stärkeren CBFV-Anstieg zu Ende der Aktivierungsphase auf. Im Gruppendurchschnitt ließ sich bei beiden Sprachgenerierungsparadigmen ein signifikant höherer CBFV-Anstieg zugunsten der linken Hemisphäre nachweisen. Dieser fiel deutlicher bei Satzgenerierung auf gesprochene Fragen aus (0,31 cm/s versus 0,73 cm/s; siehe [Abb. 3]).

Diskussion

Bisher zur Verfügung stehende Untersuchungsmethoden der SHD können frühestens im Vorschulalter, hierbei jedoch nur mit einem in 50% der Fälle individualdiagnostisch verwertbaren Ergebnis eingesetzt werden [17], [18]. Demgegenüber läßt sich in dieser Altersgruppe mit dem von uns vorgestellten fTCD-Verfahren in bis zu 90 % eine signifikante Seitendifferenz des CBFV-Anstiegs bei sprachlicher Hirnaktivität mit einem vergleichsweise geringen apparativen, personellen und zeitlichen Aufwand nachweisen. Der bei 18 von 22 untersuchten rechtshändigen Kindern unter Verwendung eines Paradigmas zur neuronalen Aktivierung vorwiegend lexikalisch-semantischer Kortexleistungen nachweisbare stärkere linkshemisphärische CBFV-Anstieg spricht für eine valide Erfassung von Sprachlateralität. Zur Untersuchung der SHD mittels fTCD scheint eine visuelle Induktion lexikalisch-semantisch Sprachleistungen (stille Satzgenerierung auf Bildvorgabe) weniger geeignet, da diese bei einem Teil der Kinder initial eine deutliche rechtshemisphärische Aktivierung hervorruft, die einen wenige Sekunden später einsetzenden sprachlich induzierten linkshemisphärischen CBFV-Anstieg überlagert. Durch eine vergleichsweise hohe zeitliche Auflösung scheint sich die fTCD deutlich besser als andere Verfahren der funktionellen Bildgebung zur Untersuchung der zeitlichen Abfolge unterschiedlich lateralisierter kortikaler Aktivierungen zu eignen. Die fTCD könnte daher für die Untersuchung von lateralisierten Hirnleistungen bei Kindern, die im Vergleich zu Erwachsenen über individuell sehr viel variablere Lösungsstrategien verfügen, von besonderer Bedeutung sein.


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