Die vorliegende Dissertation hat die Untersuchung des hygrischen Verhaltens der Leinwand als Bildträger eines Leinwandgemäldes zum Gegenstand. Diese überaus komplexen Mechanismen sind in der Konservierungswissenschaft bis heute nicht verstanden. In dem theoretischen Teil der Arbeit wird das komplexe Verhalten der Leinwand anhand ihres strukturellen Aufbaus erläutert. Die Darstellung der Erkenntnisse des aktuellen Forschungsstandes erfolgt bezüglich folgender struktureller Ebenen: Cellulose, Elementarfaser, technische Faser, Garn, Gewebe, Bildträger eines Leinwandgemäldes sowie deren Degradationsmechanismen. An den relevanten Stellen werden einflussgebende Faktoren benannt und analysiert. Gleichzeitig findet die Darstellung der Wissenslücken statt, woraus die für das Thema der Arbeit relevanten Forschungsfragen abgeleitet werden. Der experimentelle Teil greift einen Teil der benannten Forschungsfragen auf und untersucht die Leinwand auf der Ebene der Cellulose in Bezug auf ihr hygrisches Verhalten. Dabei steht die Frage im Vordergrund, ob ein Zusammenhang zwischen der Alterung der Leinwand und der Menge der aufgenommenen Feuchte besteht und wie dieser erfasst werden kann. In die Untersuchung werden neue, gebleichte und künstlich gealterte Flachsgewebe, sowie historische Bildträgerproben einbezogen. Für die Charakterisierung der Degradation werden folgende Merkmale erfasst: Gewebestrukturanalyse, pH-Wert, Kettenlänge der Cellulose, Kristallinität der Cellulose, Festigkeit am Gewebe und am Garn. Teilweise werden relevante Messverfahren zur Erfassung der genannten Merkmale entwickelt bzw. auf die besonderen Anforderungen historischer Bildträger angepasst. Die Menge der aufgenommenen Feuchte wird gravimetrisch erfasst und als Sorptionsisotherme dargestellt. Darüber hinaus erfolgt die Entwicklung einer Methode zur Erfassung der Gleichgewichtsfeuchte in situ am Gewebe oder Bildträger mittels Nah-Infrarot-Spektroskopie.:Inhaltsverzeichnis Dank Kurzfassung Abstract Abkürzungsverzeichnis Vorbemerkung 1 Einleitung 1.1 Einführung in das Thema 1.2 Zielstellung und Aufbau der Arbeit 2 Forschungsstand 2.1 Celluloseforschung 2.2 Textiltechnische Forschung 2.3 Konservierungswissenschaftliche Forschung 2.3.1 Herstellung und Aufbau des textilen Bildträgers 2.3.2 Degradation des textilen Bildträgers 2.3.3 Verhalten des textilen Bildträgers und des Leinwandgemäldes 3 Von der Cellulose zum Leinwandgemälde: Einflussfaktoren auf das hygrische Verhalten der Leinwand 3.1 Grundlagen und Begriffsdefinitionen 3.1.1 Begriffsdefinitionen und grundlegender Aufbau der Leinwand 3.1.2 Begriffsdefinitionen und Grundlagen des hygrischen Verhaltens der Leinwand 3.2 Aufbau der Elementarfaser des Flachses 3.2.1 Cellulose 3.2.2 Begleitsubstanzen 3.2.3 Zusammenfassung 3.3 Flachsanbau und Gewinnung der technischen Faser 3.3.1 Flachsanbau 3.3.2 Gewinnung der technischen Faser 3.3.3 Zusammenfassung 3.4 Garn 3.4.1 Verspinnen der technischen Fasern zum Garn 3.4.2 Garngeometrie 3.4.3 Schlichte 3.4.4 Maximale Wasseraufnahme 3.4.5 Vergleich zu Baumwolle 3.4.6 Zusammenfassung 3.5 Gewebe 3.5.1 Weben 3.5.2 Veredlung der Gewebe 3.5.3 Sorption von Feuchte im Gewebe 3.5.4 Geschwindigkeit von Sorption und Desorption 3.5.5 Dimensionsänderungen des Gewebes 3.5.6 Feuchteeinfluss auf die physikalischen Eigenschaften des Gewebes 3.5.7 Zusammenfassung 3.6 Leinwand 3.6.1 Gespannte Leinwand 3.6.2 Vorleimung 3.6.3 Grundierung 3.6.4 Malschicht 3.6.5 Gemälde als Materialverbund 3.6.6 Zusammenfassung 3.7 Degradation der Leinwand 3.7.1 Degradationsmechanismen 3.7.2 Auslösende Faktoren 3.7.3 Hygrisches Verhalten degradierter Leinwände 3.7.4 Zusammenfassung 4 Forschungsfragen und Zielstellung des experimentellen Teils 4.1 Analyse von Kapitel 3: Zusammenfassung einflussgebender Faktoren auf das hygrische Verhalten der Leinwand 4.2 Forschungsfragen 4.3 Ziele des experimentellen Teils 5 Analyse und Bewertung relevanter Messverfahren 5.1 Auswahl der Versuchsgewebe und deren Charakterisierung 5.1.1 Die Wahl der Versuchsgewebe 5.1.2 Künstliche Alterung neuer Gewebe 5.1.3 Bleichen neuer Gewebe 5.1.4 Charakterisierung der Gewebe durch die Gewebestrukturanalyse 5.2 Charakterisierung der Degradation am Gewebe 5.2.1 Messung des pH-Wertes 5.2.2 Bestimmung der Kettenlänge der Cellulose 5.2.3 Bestimmung der Kristallinität der Cellulose 5.2.4 Bestimmung der mechanischen Eigenschaften 5.3 Bestimmung der Gleichgewichtsfeuchte 5.3.1 Sorptionsisothermen 5.3.2 Nah-Infrarot-Spektroskopie 5.4 Weiterführende Methoden 5.4.1 Variable Pressure-Rasterelektronenmikroskopie 5.4.2 Nano-Computertomographie 6 Durchführung der Experimente 6.1 Verwendete Gewebe 6.1.1 Neue Gewebe 6.1.2 Künstliche Alterung 6.1.3 Bleichen der Gewebe 6.1.4 Historische Gewebeproben 6.1.5 Benennung der verwendeten Gewebeproben 6.1.6 Gewebestrukturanalyse 6.2 Charakterisierung der Degradation der Gewebe 6.2.1 Bestimmung des pH-Wertes 6.2.2 Bestimmung der Kettenlänge der Cellulose 6.2.3 Bestimmung der Kristallinität der Cellulose 6.2.4 Bestimmung der mechanischen Eigenschaften 6.3 Bestimmung der Gleichgewichtsfeuchte 6.3.1 Sorptionsisothermen 6.3.2 Bestimmung des Feuchtezuschlags mittels Nah-Infrarot-Spektroskopie 6.4 Analyse der Ergebnisse 6.4.1 Bewertung der Degradation der verwendeten Gewebe 6.4.2 Korrelation der gemessenen Parameter der Degradation 6.4.3 Zusammenhang zwischen Degradation und hygrischem Verhalten 7 Zusammenfassung 7.1 Erkenntnisse aus dem theoretischen Teil der Arbeit 7.2 Erkenntnisse aus dem experimentellen Teil der Arbeit 7.2.1 Bewertung einzelner Messverfahren 7.2.2 Erkenntnisse aus den durchgeführten Experimenten 8 Schlussbemerkung Anhang A Tabellen A.1 Definitionen B Anlagen zum experimentellen Teil B.1 Charakterisierung der verwendeten Gewebe B.1.1 Neues Flachsgewebe N1, Herstellerangaben B.1.2 Künstliche Alterung B.2 Gewebestrukturanalysen und Informationen der verwendeten Gewebe und historischen Proben B.3 Ergebnisse pH-Wert Messung B.4 Kapillarviskosimetrie B.4.1 Verwendete Geräte B.4.2 Protokoll zur Erfassung des Feuchtezuschlags der Garnproben B.4.3 Messprotokolle Viskosität B.5 Infrarot-Spektroskopie B.5.1 Ergebnisse B.6 Bestimmung der mechanischen Eigenschaften B.6.1 Streifen-Zugversuch an Geweben B.6.2 Nullzugfestigkeit an Garnabschnitten B.7 Bestimmung der Gleichgewichtsfeuchte durch Sorptionsisothermen B.7.1 Statische Methode B.7.2 Dynamische Methode B.8 Bestimmung der Gleichgewichtsfeuchte mittels NIR-Spektroskopie Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis / This study focusses on the hygroscopic behaviour of canvases as a painting support. The complex behaviour of canvas is not yet fully understood in conservation science. The theoretical chapter of this thesis describes the current state of research on the interaction between linen canvas and moisture. This is done by precisely distinguishing between the following structural hierarchies: cellular, fibrous, yarn, fabric, fabric support and its respective degradation mechanisms. Hereby the main gaps in knowledge and key questions relating to the behaviour of a canvas painting are being highlighted. Subsequently, the research question for this thesis are derived from this nescience. The aim of the experimental part of this thesis is to examine the hygroscopic behaviour of linen canvas at the cellulose level. Leading question is whether there is a correlation between the condition of degraded canvases and its capacity to bind moisture and how this can be measured. Studies are conducted with new, bleached and artificially aged linen canvases, as well as historical samples of painting supports. To classify the degradation of each canvas the following characteristics are determined: analysis of fabric structure, pH-value, chain length of cellulose, degree of crystallinity of cellulose and strength of fabric and yarn. Some of the measuring techniques have to be developed beforehand or adopted to the special requirements of historical samples of small size. The adsorption and desorption is analysed by registering sorption isotherms. In addition near-infraread spectroscopy is evaluated whether this analytical technique can be used for in-situ analysis of the moisture content of canvas.:Inhaltsverzeichnis Dank Kurzfassung Abstract Abkürzungsverzeichnis Vorbemerkung 1 Einleitung 1.1 Einführung in das Thema 1.2 Zielstellung und Aufbau der Arbeit 2 Forschungsstand 2.1 Celluloseforschung 2.2 Textiltechnische Forschung 2.3 Konservierungswissenschaftliche Forschung 2.3.1 Herstellung und Aufbau des textilen Bildträgers 2.3.2 Degradation des textilen Bildträgers 2.3.3 Verhalten des textilen Bildträgers und des Leinwandgemäldes 3 Von der Cellulose zum Leinwandgemälde: Einflussfaktoren auf das hygrische Verhalten der Leinwand 3.1 Grundlagen und Begriffsdefinitionen 3.1.1 Begriffsdefinitionen und grundlegender Aufbau der Leinwand 3.1.2 Begriffsdefinitionen und Grundlagen des hygrischen Verhaltens der Leinwand 3.2 Aufbau der Elementarfaser des Flachses 3.2.1 Cellulose 3.2.2 Begleitsubstanzen 3.2.3 Zusammenfassung 3.3 Flachsanbau und Gewinnung der technischen Faser 3.3.1 Flachsanbau 3.3.2 Gewinnung der technischen Faser 3.3.3 Zusammenfassung 3.4 Garn 3.4.1 Verspinnen der technischen Fasern zum Garn 3.4.2 Garngeometrie 3.4.3 Schlichte 3.4.4 Maximale Wasseraufnahme 3.4.5 Vergleich zu Baumwolle 3.4.6 Zusammenfassung 3.5 Gewebe 3.5.1 Weben 3.5.2 Veredlung der Gewebe 3.5.3 Sorption von Feuchte im Gewebe 3.5.4 Geschwindigkeit von Sorption und Desorption 3.5.5 Dimensionsänderungen des Gewebes 3.5.6 Feuchteeinfluss auf die physikalischen Eigenschaften des Gewebes 3.5.7 Zusammenfassung 3.6 Leinwand 3.6.1 Gespannte Leinwand 3.6.2 Vorleimung 3.6.3 Grundierung 3.6.4 Malschicht 3.6.5 Gemälde als Materialverbund 3.6.6 Zusammenfassung 3.7 Degradation der Leinwand 3.7.1 Degradationsmechanismen 3.7.2 Auslösende Faktoren 3.7.3 Hygrisches Verhalten degradierter Leinwände 3.7.4 Zusammenfassung 4 Forschungsfragen und Zielstellung des experimentellen Teils 4.1 Analyse von Kapitel 3: Zusammenfassung einflussgebender Faktoren auf das hygrische Verhalten der Leinwand 4.2 Forschungsfragen 4.3 Ziele des experimentellen Teils 5 Analyse und Bewertung relevanter Messverfahren 5.1 Auswahl der Versuchsgewebe und deren Charakterisierung 5.1.1 Die Wahl der Versuchsgewebe 5.1.2 Künstliche Alterung neuer Gewebe 5.1.3 Bleichen neuer Gewebe 5.1.4 Charakterisierung der Gewebe durch die Gewebestrukturanalyse 5.2 Charakterisierung der Degradation am Gewebe 5.2.1 Messung des pH-Wertes 5.2.2 Bestimmung der Kettenlänge der Cellulose 5.2.3 Bestimmung der Kristallinität der Cellulose 5.2.4 Bestimmung der mechanischen Eigenschaften 5.3 Bestimmung der Gleichgewichtsfeuchte 5.3.1 Sorptionsisothermen 5.3.2 Nah-Infrarot-Spektroskopie 5.4 Weiterführende Methoden 5.4.1 Variable Pressure-Rasterelektronenmikroskopie 5.4.2 Nano-Computertomographie 6 Durchführung der Experimente 6.1 Verwendete Gewebe 6.1.1 Neue Gewebe 6.1.2 Künstliche Alterung 6.1.3 Bleichen der Gewebe 6.1.4 Historische Gewebeproben 6.1.5 Benennung der verwendeten Gewebeproben 6.1.6 Gewebestrukturanalyse 6.2 Charakterisierung der Degradation der Gewebe 6.2.1 Bestimmung des pH-Wertes 6.2.2 Bestimmung der Kettenlänge der Cellulose 6.2.3 Bestimmung der Kristallinität der Cellulose 6.2.4 Bestimmung der mechanischen Eigenschaften 6.3 Bestimmung der Gleichgewichtsfeuchte 6.3.1 Sorptionsisothermen 6.3.2 Bestimmung des Feuchtezuschlags mittels Nah-Infrarot-Spektroskopie 6.4 Analyse der Ergebnisse 6.4.1 Bewertung der Degradation der verwendeten Gewebe 6.4.2 Korrelation der gemessenen Parameter der Degradation 6.4.3 Zusammenhang zwischen Degradation und hygrischem Verhalten 7 Zusammenfassung 7.1 Erkenntnisse aus dem theoretischen Teil der Arbeit 7.2 Erkenntnisse aus dem experimentellen Teil der Arbeit 7.2.1 Bewertung einzelner Messverfahren 7.2.2 Erkenntnisse aus den durchgeführten Experimenten 8 Schlussbemerkung Anhang A Tabellen A.1 Definitionen B Anlagen zum experimentellen Teil B.1 Charakterisierung der verwendeten Gewebe B.1.1 Neues Flachsgewebe N1, Herstellerangaben B.1.2 Künstliche Alterung B.2 Gewebestrukturanalysen und Informationen der verwendeten Gewebe und historischen Proben B.3 Ergebnisse pH-Wert Messung B.4 Kapillarviskosimetrie B.4.1 Verwendete Geräte B.4.2 Protokoll zur Erfassung des Feuchtezuschlags der Garnproben B.4.3 Messprotokolle Viskosität B.5 Infrarot-Spektroskopie B.5.1 Ergebnisse B.6 Bestimmung der mechanischen Eigenschaften B.6.1 Streifen-Zugversuch an Geweben B.6.2 Nullzugfestigkeit an Garnabschnitten B.7 Bestimmung der Gleichgewichtsfeuchte durch Sorptionsisothermen B.7.1 Statische Methode B.7.2 Dynamische Methode B.8 Bestimmung der Gleichgewichtsfeuchte mittels NIR-Spektroskopie Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis

In this thesis the optical method of Near-Infrared-Spectroscopy (NIRS) is evaluated with regards to its capability of non-invasive detection of Leão´s cortical spreading depression (CSD) and spontaneous peri-infarct-depolarizations (PID). With the NIR-spectrometer NIRO 500 (Hamamatsu, Japan) regional cerebral oxy-genation (rCBO) changes were measured during CSD in 9, and during PID in 10 barbiturate anesthatized rats. The method if NIRS that relies on oxygen-dependent absorption changes of hemo-globin and cytochrome oxydase as well as the high penetrability of biologic tissues for light in the range between 700 and 1000 nm proved suitable to detect and to distinguish both CSD and PID experimentally. This distinction relies on the robust decrease of deoxy- and increase of oxyhemo-globin concentrations (i.e. a relative hyperoxemia) during CSD while PID is cha-racterized by an initial increase of deoxy- and decrease of oxyhemoglobin (relative hypooxemia). Despite the profound anatomical differences between gyrencephalic humans and lyssencephalic rats, the observed patterns of rCBO changes may guide the inter-pretation of future NIRS measurements in patients with migraines with aura (CSD) or stroke (PID). However, for concentration changes of oxydized cytochrome aa3 with its low con-centration compared to the hemoglobins, the pathophysiological interpretation of the data obtained with NIRO 500 is confounded by the limits of attenuation mea-surements at only four wavelengths. A validation of the cytochrome oxydase signal and an improved quantification of all concentration changes is highly desirable and may be achieved by employment of a continuous-wavelength device measuring the full spectral range of the near infrared. It would also allow to measure the mean optical pathlength in the highly scattering tissue and to correct for its physiologically occuring changes e.g. by measurements at the water absorption peak. Similar improvements would enhance the value of the method for further physiolo-gical and pathophysiological studies because NIRS provides the unique opportu-nity to obtain simultaneous data on blood oxygenation as well as the redox state of the mitochondrial cytochrome oxydase.

Die Nah-infrarot-Spektroskopie (NIRS) bestimmt kontinuierlich und nicht-invasiv anhand der Absorptionsänderung von nah-infrarotem Licht den Oxy- und Desoxyhämoglobingehalt sowie den Redoxstatus von Cytochrom a/a3 im Gewebe. Veränderungen von zerebralem Oxy- und Desoxyhämoglobingehalt und der daraus abgeleiteten Parameter reflektieren vor allem den venösen Sauerstoffstatus des Gehirns. Sie können ein früher und sensitiver Indikator für eine zerebrale Hypoxie sein. Der Redoxzustandes von Cytochrom a/a3 gibt als Korrelat des zerebralen Energiezustandes Hinweise auf ein kritisches Sauerstoffdefizit. Ziel der Untersuchung. In der experimentellen und klinischen Studie sollten mit einem kommerziell erhältlichen Gerät die Eignung der NIRS zur Überwachung des zerebralen Sauerstoffstatus während Anästhesie und Intensivtherapie bei Hund und Katze, die Messqualität, die auftretenden technischen Probleme und die darstellbaren Ereignisse geprüft werden. In der experimentellen Studie sollten die Veränderungen der zerebralen Oxygenierung und des Redoxzustandes von Cytochrom a/a3 nach verschiedenen zur Narkoseeinleitung beim Hund etablierten Protokollen sowie nach deren Antagonisierung ebenso untersucht werden wie der Zusammenhang der mittels NIRS erfassten Parameter mit denen des pulmonalen Gaswechsels und der Herz-Kreislauf-Funktion. Material und Methoden. In der klinischen Studie wurden Daten von 33 Hunden und 4 Katzen während Anästhesie oder Intensivüberwachung aufgezeichnet. Die experimentelle Studie wurde an 84 Foxhounds und 32 Beagle mit einem mittleren Alter von 12,96 Monaten (STD 13,42; 6,33–94,43 Monate) und einer mittleren Körpermasse von 24,76 kg (STD 6,6; 12,7–43 kg) durchgeführt, die zufällig auf vier Versuchsgruppen verteilt wurden. Die Sensorapplikation erfolgte in beiden Studien in Höhe der Ohrbasis auf geschorener Haut. Versuchsgruppen und –ablauf der experimentellen Studie: Gruppe Acepromazin/l-Methadon(AM): Narkoseeinleitung 0,1 mg/kg KM Acepromazin und 0,5 mg/kg KM l-Methadon i.v., keine weitere Erhaltung Gruppe Diazepam/l-Methadon(DM): 0,5 mg/kg KM Diazepam und 0,5 mg/kg KM l-Methadon i.v., keine weitere Erhaltung Gruppe Medetomidin/l-Methadon(MM): 40 mikrog/kg KM Medetomidin und 0,5 mg/kg KM l-Methadon i.v., keine weitere Erhaltung Propofol(P): Einleitung 0,1 mg/kg KM Propofol i.v., Erhaltung in dieser Gruppe 0,3 mg/kg/min Propofol i.v. In den Gruppen AM, DM und MM Antagonisierung 8 mikrog/kg KM Naloxon i.v. 30 min nach Einleitung, in der Gruppe MM zusätzlich 200 mikrog/kg KM Atipamezol i.v. 5 min später Kontinuierliche Überwachung von Herzfrequenz, EKG, Temperatur, invasiver Blutdruck,Pulsoxymetrie, Nah-infrarot-Spektroskopie. Blutgasanalyse 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 min nach Einleitung, 0, 2, 7 min nach Antagonisierung/Propofol-Ende Ergebnisse. Die Nah-infrarot-Spektroskopie ist prinzipiell bei Hund und Katze anwendbar, nicht jedoch bei schwarzhaarigen Tieren. Hauptprobleme sind Sensorbefestigung, Bewegungsartefakte und mangelnde Signalqualität. In der experimentellen Studie besteht im Mittel zu 80 % der ausgewerteten Zeit eine gute Messqualität. 14 % der Messungen sind ohne Störung, bei 17 % tritt in mehr als 50 % der Messzeit eine Störmeldung auf. Vor Narkoseeinleitung beträgt die regionale zerebrale Sauerstoffsättigung etwa 65 % (n=109, STD 7 %). Schon 1 Minute nach Einleitung bestehen signifikante Gruppenunterschiede. In Gruppe P steigt die zerebrale regionale Sauerstoffsättigung um etwa 8 %, sie fällt in Gruppe AM um 5 %, in Gruppe DM um bis zu 10 %, in Gruppe MM um maximal 20 % auf etwa 48 %, im weiteren Verlauf verweilt sie annähernd auf diesem Niveau. Zerebraler Oxy- und Desoxyhämoglobingehalt verhalten sich entsprechend. Der zerebrale Gesamthämoglobingehalt zeigt keine Gruppenunterschiede. Nach Antagonisierung erfolgt eine Änderung auf die Ausgangswerte vor Narkose ebenso prompt. Narkoseeinleitung und Antagonisierung haben keinen Effekt auf den Redoxzustand von Cytochrom a/a3. Korrelationen der zerebralen Oxygenierung mit arteriellem Sauerstoffstatus und Kohlendioxidpartialdruck bestehen. Eine periodische Atmung und eine Erhöhung des intraabdominellen Drucks spiegeln sich in parallelen Schwankungen der NIRS-Parameter wider. Die Auswirkungen von wechselnder Narkosetiefe, Erwachen, Hypoxie, Hyperventilation, Adrenalin, Pentobarbital, Herz-Kreislauf-Stillstand auf die NIRS-Parameter können dargestellt werden. Bewegungsartefakte stören häufig die Überwachung von Intensivpatienten. Bei Hunden mit Schädel-Hirn-Trauma ist die Signalqualität der limitierende Faktor. Diskussion. Die Nutzung eines für die Anwendung am Menschen bestimmten Gerätes bedingt aufgrund des spezifischen Weglängenfaktors einen Fehler unbekannter Bedeutung. Die zerebrale Messung konnte gesichert werden, der mögliche extrazerebrale Signalanteil bleibt unbekannt. Die nicht mögliche Nutzung bei schwarzen Tieren und die Artefaktanfälligkeit schränken den Wert der NIRS ein. Die ermittelten Störindizes sind stark methodisch beeinflusst, so dass ihre Beurteilung kritisch erfolgen sollte. Die NIRS ist geeignet, die durch Narkoseeinleitung und Antagonisierung beim Hund verursachten Veränderungen der zerebralen Oxygenierung aufzuzeigen. Eine Abnahme der regionalen zerebralen Sauerstoffsättigung um etwa 20 % (Gruppe MM) über die gesamte Messdauer scheint von klinischer Relevanz. Werte in dieser Höhe werden als Indiz einer kritischen zerebralen Sauerstoffversorgung beurteilt. Parallele Verläufe, positive Zusammenhänge mit dem arteriellen Sauerstoffstatus und negative zum Kohlendioxidpartialdruck zeigen ebenso wie die Effekte der Antagonisierung den entscheidenden Einfluss der Anästhetikabedingten Atemdepression auf den vaskulären zerebralen Sauerstoffstatus. Die mangelnde Reduktion von Cytochrom a/a3 deutet auf das Fehlen einer Störung der intrazellulären Sauerstoffversorgung hin. Die Reaktion der NIRS-Parameter auf eine Narkosekomplikation erfolgt schnell, jedoch unspezifisch, eine Interpretation ist nur in Zusammenhang mit anderen Parametern möglich. Die Beurteilung des Redoxzustandes von Cytochrom a/a3 erscheint schwierig, messtechnische Probleme sind nicht ausgeschlossen. Trotz aller messtechnischen und anwendungsbedingten Probleme wird die NIRS als Bereicherung der Überwachungsmöglichkeiten bei Hund und, sehr eingeschränkt, auch bei der Katze beurteilt. Sie eröffnet erstmals die Möglichkeit, die Auswirkungen von in der klinischen Routine eingeführten Verfahren auf die zerebrale Oxygenierung darzustellen. / ON NEAR-INFRARED-SPECTROSCOPY IN DOG AND CAT - EXPERIMENTAL AND CLINICAL STUDY ON PERIOPERATIVE MONITORING AS WELL AS EFFECTS OF ANAESTHESIA ON CEREBRAL OXYGEN STATUS Alef, Michaele Department of Small Animal Medicine, Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig Habilitation thesis, 4. Dezember 2002 Near-Infrared-spectroscopy (NIRS) is a method to determine continuously and non-invasively the content of oxy- and deoxyhemoglobin as well as the redox status of cytochrome a/a3 in tissue via absorption changes of near-infrared light. Variations in cerebral content of oxy- and deoxyhemoglobin and parameters derived thereof reflect above all the venous oxygen status of the brain and may thus serve as an early and sensitive indicator of cerebral hypoxia. The redox status of cytochrome a/a3 correlates with the cerebral energy status and may thus serve as an indicator of a critical oxygen deficit. Aim of the study. The study was aimed at assessing in dogs and cats the suitability of NIRS and of an equipment used in human medicine for monitoring the cerebral oxygen status during anaesthesia and intensive therapy. The quality of the measurements, technical problems and the achievable results should be critically checked in experimental and clinical situations. Changes of cerebral oxygenation and of the redox status of cytochrome a/a3 with different established protocols of anaesthesia in dogs and after antagonising had to be investigated in the experimental study as well as well as relationships between parameters obtainable with NIRS and those of pulmonary gas exchange and cardiovascular function. Materials and methods. During the clinical study data from 33 dogs and 4 cats were recorded during anaesthesia and intensive supervision. The experimental investigations were performed with 84 foxhounds and 32 Beagles with a mean age of 12,96 months (STD 13,42; range 6,33–94,43) and a mean weight of 24.76 kg (STD 6.6, range 12.7–43), which were distributed at random into four experimental groups. Sensors were applied near the ear base on shaved skin. Experimental groups and design. Group Acepromazine/l-Methadone(AM): INduction 0.1 mg/kg BW Acepromazine and 0.5 mg/kg BW l-Methadonr i.v., no additional maintenance Group Diazepam/l-Methadone(DM): 0.5 mg/kg BW Diazepam and 0.5 mg/kg BW l-Methadone i.v., no additional maintenance Group Medetomidine/l-Methadone(MM): 40 mikrog/kg BW Medetomidine and 0.5 mg/kg BW l-Methadone i.v., no additional maintenance Group Propofol(P): Induction 0.1 mg/kg BW Propofol i.v., Maintenance 0.3 mg/kg/min Propofol i.v. In groups AM, DM und MM antagonization of the opioide with 8 mikrog/kg BW Naloxone i.v. 30 min after induction, in group MM 200 mikrog/kg BE Atipamezole i.v. 5 min later Continuos Monitoring of heart rate, ECG, temperature, invasive blood pressure,pulse oxymetry, near-infrared-spectroscopy. Blood gas analysis 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 min post induction and 0, 2, 7 min post Naloxone/end of infusion. Results. NIRS is in principle applicable in dogs and cats but not, however, in black-haired animals. The main problems are the application of the sensor, movement artefacts and poor quality of the measurement signals. In the experimental study good measurement quality could be obtained in on average 80% of the investigation time, 14% of the recordings are without disturbance, in 17% disturbances are recorded in more than 50% of the investigation time. Before the start of anaesthesia the regional cerebral oxygen saturation amounts to about 65% (n=109, STD 7%). Already one minute after the beginning of anaesthesia significant differences between groups are found: In group P the regional cerebral oxygen saturation increases by about 8% while it decreases in group AM by 5%, in group DM by up to 10% and in group MM by maximally 20% to a value of about 48% where it remains roughly during the following time. Cerebral oxy- and deoxyhemoglobin content display an analogous behaviour. There are no inter-group differences in total cerebral hemoglobin content. After antagonising the initial values before the start of anaesthesia are rapidly attained again. Start of anaesthesia and antagonising do not show any influences on the redox status of cytochrome a/a3 while there are correlations between the cerebral oxygenation and the arterial oxygen status and the partial pressure of carbon dioxide. Periodic breathing and an increase of the intra-abdominal pressure are mirrored by variations of the NIRS-parameters, The effects of changing depth of anaesthesia, waking up, hypoxia, hyperventilation, adrenaline, pentobarbital and circulatory arrest can be demonstrated by the NIRS-parameters. Movement artefacts frequently interfere with the monitoring of intensive patients. The signal quality is frequently not sufficient in dogs with severe head trauma. Discussion. The direct application of factors established in humans leads to poorly defined errors. For cerebral measurements the applicability of the method could be confirmed, the possible contribution of extracerebral signals, however, remains unknown. The fact that black-haired animals cannot be investigated and proneness to artefacts limit the value of NIRS. Determined disturbance indices depend strongly on the methods used and should be seen critically. NIRS is suitable to give an indication of changes of cerebral oxygenation caused by the start of anaesthesia and antagonising. A decrease of about 20% in the regional cerebral oxygen saturation during the total measurement time (group MM) appears to be of clinical relevance. Values in this range are taken to be indicative of a critical cerebral oxygen supply. Parallelisms and positive correlations with the arterial oxygen status as well as negative correlations with carbon dioxide partial pressure and the effects of antagonising demonstrate the decisive influence of anaesthesia-related depression of breathing on the vascular cerebral oxygen status. The lack of cytochrome a/a3 reduction indicates that the intracellular oxygen supply is not disturbed. The reaction of NIRS-parameters on the start of anaesthesia is fast, but unspecific, and a meaningful interpretation is only possible in conjunction with other parameters. The evaluation of cytochrome a/a3 redox status appears to be difficult, and technical problems with the measurement cannot be excluded. In spite of these limitations in terms of measurements and applicability NIRS can be judged as a valuable addition for the clinical observation of dogs, less so with cats. The method opens for the first time the possibility to monitor the influence of clinical routines on cerebral oxygenation.

Die Nah-infrarot-Spektroskopie (NIRS) bestimmt kontinuierlich und nicht-invasiv anhand der Absorptionsänderung von nah-infrarotem Licht den Oxy- und Desoxyhämoglobingehalt sowie den Redoxstatus von Cytochrom a/a3 im Gewebe. Veränderungen von zerebralem Oxy- und Desoxyhämoglobingehalt und der daraus abgeleiteten Parameter reflektieren vor allem den venösen Sauerstoffstatus des Gehirns. Sie können ein früher und sensitiver Indikator für eine zerebrale Hypoxie sein. Der Redoxzustandes von Cytochrom a/a3 gibt als Korrelat des zerebralen Energiezustandes Hinweise auf ein kritisches Sauerstoffdefizit. Ziel der Untersuchung. In der experimentellen und klinischen Studie sollten mit einem kommerziell erhältlichen Gerät die Eignung der NIRS zur Überwachung des zerebralen Sauerstoffstatus während Anästhesie und Intensivtherapie bei Hund und Katze, die Messqualität, die auftretenden technischen Probleme und die darstellbaren Ereignisse geprüft werden. In der experimentellen Studie sollten die Veränderungen der zerebralen Oxygenierung und des Redoxzustandes von Cytochrom a/a3 nach verschiedenen zur Narkoseeinleitung beim Hund etablierten Protokollen sowie nach deren Antagonisierung ebenso untersucht werden wie der Zusammenhang der mittels NIRS erfassten Parameter mit denen des pulmonalen Gaswechsels und der Herz-Kreislauf-Funktion. Material und Methoden. In der klinischen Studie wurden Daten von 33 Hunden und 4 Katzen während Anästhesie oder Intensivüberwachung aufgezeichnet. Die experimentelle Studie wurde an 84 Foxhounds und 32 Beagle mit einem mittleren Alter von 12,96 Monaten (STD 13,42; 6,33–94,43 Monate) und einer mittleren Körpermasse von 24,76 kg (STD 6,6; 12,7–43 kg) durchgeführt, die zufällig auf vier Versuchsgruppen verteilt wurden. Die Sensorapplikation erfolgte in beiden Studien in Höhe der Ohrbasis auf geschorener Haut. Versuchsgruppen und –ablauf der experimentellen Studie: Gruppe Acepromazin/l-Methadon(AM): Narkoseeinleitung 0,1 mg/kg KM Acepromazin und 0,5 mg/kg KM l-Methadon i.v., keine weitere Erhaltung Gruppe Diazepam/l-Methadon(DM): 0,5 mg/kg KM Diazepam und 0,5 mg/kg KM l-Methadon i.v., keine weitere Erhaltung Gruppe Medetomidin/l-Methadon(MM): 40 mikrog/kg KM Medetomidin und 0,5 mg/kg KM l-Methadon i.v., keine weitere Erhaltung Propofol(P): Einleitung 0,1 mg/kg KM Propofol i.v., Erhaltung in dieser Gruppe 0,3 mg/kg/min Propofol i.v. In den Gruppen AM, DM und MM Antagonisierung 8 mikrog/kg KM Naloxon i.v. 30 min nach Einleitung, in der Gruppe MM zusätzlich 200 mikrog/kg KM Atipamezol i.v. 5 min später Kontinuierliche Überwachung von Herzfrequenz, EKG, Temperatur, invasiver Blutdruck,Pulsoxymetrie, Nah-infrarot-Spektroskopie. Blutgasanalyse 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 min nach Einleitung, 0, 2, 7 min nach Antagonisierung/Propofol-Ende Ergebnisse. Die Nah-infrarot-Spektroskopie ist prinzipiell bei Hund und Katze anwendbar, nicht jedoch bei schwarzhaarigen Tieren. Hauptprobleme sind Sensorbefestigung, Bewegungsartefakte und mangelnde Signalqualität. In der experimentellen Studie besteht im Mittel zu 80 % der ausgewerteten Zeit eine gute Messqualität. 14 % der Messungen sind ohne Störung, bei 17 % tritt in mehr als 50 % der Messzeit eine Störmeldung auf. Vor Narkoseeinleitung beträgt die regionale zerebrale Sauerstoffsättigung etwa 65 % (n=109, STD 7 %). Schon 1 Minute nach Einleitung bestehen signifikante Gruppenunterschiede. In Gruppe P steigt die zerebrale regionale Sauerstoffsättigung um etwa 8 %, sie fällt in Gruppe AM um 5 %, in Gruppe DM um bis zu 10 %, in Gruppe MM um maximal 20 % auf etwa 48 %, im weiteren Verlauf verweilt sie annähernd auf diesem Niveau. Zerebraler Oxy- und Desoxyhämoglobingehalt verhalten sich entsprechend. Der zerebrale Gesamthämoglobingehalt zeigt keine Gruppenunterschiede. Nach Antagonisierung erfolgt eine Änderung auf die Ausgangswerte vor Narkose ebenso prompt. Narkoseeinleitung und Antagonisierung haben keinen Effekt auf den Redoxzustand von Cytochrom a/a3. Korrelationen der zerebralen Oxygenierung mit arteriellem Sauerstoffstatus und Kohlendioxidpartialdruck bestehen. Eine periodische Atmung und eine Erhöhung des intraabdominellen Drucks spiegeln sich in parallelen Schwankungen der NIRS-Parameter wider. Die Auswirkungen von wechselnder Narkosetiefe, Erwachen, Hypoxie, Hyperventilation, Adrenalin, Pentobarbital, Herz-Kreislauf-Stillstand auf die NIRS-Parameter können dargestellt werden. Bewegungsartefakte stören häufig die Überwachung von Intensivpatienten. Bei Hunden mit Schädel-Hirn-Trauma ist die Signalqualität der limitierende Faktor. Diskussion. Die Nutzung eines für die Anwendung am Menschen bestimmten Gerätes bedingt aufgrund des spezifischen Weglängenfaktors einen Fehler unbekannter Bedeutung. Die zerebrale Messung konnte gesichert werden, der mögliche extrazerebrale Signalanteil bleibt unbekannt. Die nicht mögliche Nutzung bei schwarzen Tieren und die Artefaktanfälligkeit schränken den Wert der NIRS ein. Die ermittelten Störindizes sind stark methodisch beeinflusst, so dass ihre Beurteilung kritisch erfolgen sollte. Die NIRS ist geeignet, die durch Narkoseeinleitung und Antagonisierung beim Hund verursachten Veränderungen der zerebralen Oxygenierung aufzuzeigen. Eine Abnahme der regionalen zerebralen Sauerstoffsättigung um etwa 20 % (Gruppe MM) über die gesamte Messdauer scheint von klinischer Relevanz. Werte in dieser Höhe werden als Indiz einer kritischen zerebralen Sauerstoffversorgung beurteilt. Parallele Verläufe, positive Zusammenhänge mit dem arteriellen Sauerstoffstatus und negative zum Kohlendioxidpartialdruck zeigen ebenso wie die Effekte der Antagonisierung den entscheidenden Einfluss der Anästhetikabedingten Atemdepression auf den vaskulären zerebralen Sauerstoffstatus. Die mangelnde Reduktion von Cytochrom a/a3 deutet auf das Fehlen einer Störung der intrazellulären Sauerstoffversorgung hin. Die Reaktion der NIRS-Parameter auf eine Narkosekomplikation erfolgt schnell, jedoch unspezifisch, eine Interpretation ist nur in Zusammenhang mit anderen Parametern möglich. Die Beurteilung des Redoxzustandes von Cytochrom a/a3 erscheint schwierig, messtechnische Probleme sind nicht ausgeschlossen. Trotz aller messtechnischen und anwendungsbedingten Probleme wird die NIRS als Bereicherung der Überwachungsmöglichkeiten bei Hund und, sehr eingeschränkt, auch bei der Katze beurteilt. Sie eröffnet erstmals die Möglichkeit, die Auswirkungen von in der klinischen Routine eingeführten Verfahren auf die zerebrale Oxygenierung darzustellen. / ON NEAR-INFRARED-SPECTROSCOPY IN DOG AND CAT - EXPERIMENTAL AND CLINICAL STUDY ON PERIOPERATIVE MONITORING AS WELL AS EFFECTS OF ANAESTHESIA ON CEREBRAL OXYGEN STATUS Alef, Michaele Department of Small Animal Medicine, Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig Habilitation thesis, 4. Dezember 2002 Near-Infrared-spectroscopy (NIRS) is a method to determine continuously and non-invasively the content of oxy- and deoxyhemoglobin as well as the redox status of cytochrome a/a3 in tissue via absorption changes of near-infrared light. Variations in cerebral content of oxy- and deoxyhemoglobin and parameters derived thereof reflect above all the venous oxygen status of the brain and may thus serve as an early and sensitive indicator of cerebral hypoxia. The redox status of cytochrome a/a3 correlates with the cerebral energy status and may thus serve as an indicator of a critical oxygen deficit. Aim of the study. The study was aimed at assessing in dogs and cats the suitability of NIRS and of an equipment used in human medicine for monitoring the cerebral oxygen status during anaesthesia and intensive therapy. The quality of the measurements, technical problems and the achievable results should be critically checked in experimental and clinical situations. Changes of cerebral oxygenation and of the redox status of cytochrome a/a3 with different established protocols of anaesthesia in dogs and after antagonising had to be investigated in the experimental study as well as well as relationships between parameters obtainable with NIRS and those of pulmonary gas exchange and cardiovascular function. Materials and methods. During the clinical study data from 33 dogs and 4 cats were recorded during anaesthesia and intensive supervision. The experimental investigations were performed with 84 foxhounds and 32 Beagles with a mean age of 12,96 months (STD 13,42; range 6,33–94,43) and a mean weight of 24.76 kg (STD 6.6, range 12.7–43), which were distributed at random into four experimental groups. Sensors were applied near the ear base on shaved skin. Experimental groups and design. Group Acepromazine/l-Methadone(AM): INduction 0.1 mg/kg BW Acepromazine and 0.5 mg/kg BW l-Methadonr i.v., no additional maintenance Group Diazepam/l-Methadone(DM): 0.5 mg/kg BW Diazepam and 0.5 mg/kg BW l-Methadone i.v., no additional maintenance Group Medetomidine/l-Methadone(MM): 40 mikrog/kg BW Medetomidine and 0.5 mg/kg BW l-Methadone i.v., no additional maintenance Group Propofol(P): Induction 0.1 mg/kg BW Propofol i.v., Maintenance 0.3 mg/kg/min Propofol i.v. In groups AM, DM und MM antagonization of the opioide with 8 mikrog/kg BW Naloxone i.v. 30 min after induction, in group MM 200 mikrog/kg BE Atipamezole i.v. 5 min later Continuos Monitoring of heart rate, ECG, temperature, invasive blood pressure,pulse oxymetry, near-infrared-spectroscopy. Blood gas analysis 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 min post induction and 0, 2, 7 min post Naloxone/end of infusion. Results. NIRS is in principle applicable in dogs and cats but not, however, in black-haired animals. The main problems are the application of the sensor, movement artefacts and poor quality of the measurement signals. In the experimental study good measurement quality could be obtained in on average 80% of the investigation time, 14% of the recordings are without disturbance, in 17% disturbances are recorded in more than 50% of the investigation time. Before the start of anaesthesia the regional cerebral oxygen saturation amounts to about 65% (n=109, STD 7%). Already one minute after the beginning of anaesthesia significant differences between groups are found: In group P the regional cerebral oxygen saturation increases by about 8% while it decreases in group AM by 5%, in group DM by up to 10% and in group MM by maximally 20% to a value of about 48% where it remains roughly during the following time. Cerebral oxy- and deoxyhemoglobin content display an analogous behaviour. There are no inter-group differences in total cerebral hemoglobin content. After antagonising the initial values before the start of anaesthesia are rapidly attained again. Start of anaesthesia and antagonising do not show any influences on the redox status of cytochrome a/a3 while there are correlations between the cerebral oxygenation and the arterial oxygen status and the partial pressure of carbon dioxide. Periodic breathing and an increase of the intra-abdominal pressure are mirrored by variations of the NIRS-parameters, The effects of changing depth of anaesthesia, waking up, hypoxia, hyperventilation, adrenaline, pentobarbital and circulatory arrest can be demonstrated by the NIRS-parameters. Movement artefacts frequently interfere with the monitoring of intensive patients. The signal quality is frequently not sufficient in dogs with severe head trauma. Discussion. The direct application of factors established in humans leads to poorly defined errors. For cerebral measurements the applicability of the method could be confirmed, the possible contribution of extracerebral signals, however, remains unknown. The fact that black-haired animals cannot be investigated and proneness to artefacts limit the value of NIRS. Determined disturbance indices depend strongly on the methods used and should be seen critically. NIRS is suitable to give an indication of changes of cerebral oxygenation caused by the start of anaesthesia and antagonising. A decrease of about 20% in the regional cerebral oxygen saturation during the total measurement time (group MM) appears to be of clinical relevance. Values in this range are taken to be indicative of a critical cerebral oxygen supply. Parallelisms and positive correlations with the arterial oxygen status as well as negative correlations with carbon dioxide partial pressure and the effects of antagonising demonstrate the decisive influence of anaesthesia-related depression of breathing on the vascular cerebral oxygen status. The lack of cytochrome a/a3 reduction indicates that the intracellular oxygen supply is not disturbed. The reaction of NIRS-parameters on the start of anaesthesia is fast, but unspecific, and a meaningful interpretation is only possible in conjunction with other parameters. The evaluation of cytochrome a/a3 redox status appears to be difficult, and technical problems with the measurement cannot be excluded. In spite of these limitations in terms of measurements and applicability NIRS can be judged as a valuable addition for the clinical observation of dogs, less so with cats. The method opens for the first time the possibility to monitor the influence of clinical routines on cerebral oxygenation.

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