Spektroskopia w bliskiej podczerwieni

Plik Spektroskopia w bliskiej podczerwieni to metoda analizy polegająca na pochłanianiu promieniowania elektromagnetycznego w zakresie krótkofalowego światła podczerwonego. Ma szerokie zastosowanie w chemii, technologii żywności i medycynie. W medycynie jest to między innymi metoda obrazowania pokazująca aktywność mózgu.

Co to jest spektroskopia w bliskiej podczerwieni?

Spektroskopia w bliskiej podczerwieni, zwana także NIRS w skrócie, jest podobszarem spektroskopii w podczerwieni (spektroskopii IR). Fizycznie spektroskopia IR opiera się na absorpcji promieniowania elektromagnetycznego poprzez wzbudzanie stanów oscylacyjnych w cząsteczkach i grupach atomów.

NIRS bada materiały, które pochłaniają w zakresie częstotliwości od 4000 do 13000 drgań na cm. Odpowiada to zakresowi długości fal od 2500 do 760 nm W tym zakresie wzbudzane są głównie drgania cząsteczek wody i grup funkcyjnych, takich jak grupy hydroksylowe, aminowe, karboksylowe i CH. Jeżeli promieniowanie elektromagnetyczne w tym zakresie częstotliwości uderza w odpowiednie substancje, drgania są wzbudzane przez pochłanianie fotonów o charakterystycznej częstotliwości. Widmo absorpcyjne jest rejestrowane po przejściu promieniowania przez próbkę lub po jego odbiciu.

Widmo to pokazuje następnie absorpcję w postaci linii przy określonych długościach fal. W połączeniu z innymi metodami analizy spektroskopia w podczerwieni, aw szczególności spektroskopia w bliskiej podczerwieni, może dostarczyć informacji na temat struktury molekularnej badanych substancji, otwierając tym samym szeroki zakres zastosowań, od analiz chemicznych po zastosowania w przemyśle, technologii żywności i medycynie.

Funkcja, efekt i cele

Spektroskopia w bliskiej podczerwieni jest stosowana w medycynie od 30 lat. Tutaj jest używany między innymi jako metoda obrazowania do określania aktywności mózgu. Ponadto można go wykorzystać do pomiaru zawartości tlenu we krwi, objętości krwi i przepływu krwi w różnych tkankach.

Zabieg jest nieinwazyjny i bezbolesny. Zaletą krótkofalowego światła podczerwonego jest jego dobra przepuszczalność tkanek, dzięki czemu jest predestynowane do użytku medycznego. Za pomocą spektroskopii w bliskiej podczerwieni przez tarczę czaszki aktywność mózgu określa się na podstawie mierzonych dynamicznych zmian zawartości tlenu we krwi. Ta procedura opiera się na zasadzie sprzężenia nerwowo-naczyniowego. Sprzężenie nerwowo-naczyniowe opiera się na fakcie, że zmiany w aktywności mózgu oznaczają również zmiany w zapotrzebowaniu na energię, a zatem także w zapotrzebowaniu na tlen.

Każdy wzrost aktywności mózgu wymaga również wyższego stężenia tlenu we krwi, co określa się za pomocą spektroskopii w bliskiej podczerwieni. Substratem wiążącym tlen we krwi jest hemoglobina. Hemoglobina to barwnik związany z białkami, który występuje w dwóch różnych formach. Istnieje hemoglobina utleniona i odtleniona. Oznacza to, że jest natleniony lub wolny od tlenu. Podczas przechodzenia z jednego kształtu do drugiego jego kolor zmienia się. Wpływa to również na przepuszczanie światła. Natleniona krew jest bardziej przepuszczalna dla światła podczerwonego niż krew z niedoborem tlenu.

Kiedy przechodzi światło podczerwone, można określić różnice w obciążeniu tlenem. Obliczane są zmiany w widmach absorpcji i dostarczają informacji o aktualnej aktywności mózgu. Na tej podstawie NIRS jest obecnie coraz częściej stosowany jako metoda obrazowania do zobrazowania aktywności mózgu. Zatem spektroskopia w bliskiej podczerwieni pozwala również na badanie procesów poznawczych, ponieważ każda myśl generuje również wyższy poziom aktywności mózgu. Możliwe jest również zlokalizowanie obszarów wzmożonej aktywności. Ta metoda nadaje się również do realizacji optycznego interfejsu mózg-komputer. Interfejs mózg-komputer stanowi interfejs między człowiekiem a komputerami. Systemy te korzystają w szczególności z osób niepełnosprawnych fizycznie.

Mogą używać komputera do wyzwalania określonych działań, takich jak ruch protez, za pomocą czystej siły myśli. Inne obszary zastosowań NIRS w medycynie dotyczą m.in. medycyny ratunkowej. Urządzenia monitorują dopływ tlenu na oddziałach intensywnej terapii lub po operacjach. Zapewnia to szybką reakcję w przypadku ostrego braku tlenu. Spektroskopia w bliskiej podczerwieni jest również przydatna do monitorowania zaburzeń krążenia lub optymalizacji dopływu tlenu do mięśni podczas treningu.

Ryzyko, skutki uboczne i niebezpieczeństwa

Stosowanie spektroskopii w bliskiej podczerwieni jest bezproblemowe i nie powoduje żadnych skutków ubocznych. Promieniowanie podczerwone jest promieniowaniem niskoenergetycznym, które nie niszczy biologicznie ważnych substancji. Nie atakuje się również składu genetycznego. Promieniowanie tylko stymuluje różne stany wibracyjne cząsteczek biologicznych. Zabieg jest również nieinwazyjny i bezbolesny.

W połączeniu z innymi metodami funkcjonalnymi, takimi jak MEG (magnetoencefalografia), fMRI (funkcjonalna tomografia rezonansu magnetycznego), PET (pozytonowa tomografia emisyjna) lub SPECT (emisyjna tomografia komputerowa pojedynczego fotonu), spektroskopia w bliskiej podczerwieni może dobrze obrazować aktywność mózgu. Ponadto spektroskopia w bliskiej podczerwieni ma duży potencjał w zakresie monitorowania stężenia tlenu w medycynie intensywnej terapii. Badanie przeprowadzone w Klinice Kardiochirurgii w Lubece pokazuje, że ryzyko operacyjne w kardiochirurgii można przewidzieć bardziej wiarygodnie, określając nasycenie mózgu tlenem za pomocą NIRS niż w przypadku poprzednich metod.

Spektroskopia w bliskiej podczerwieni zapewnia również dobre wyniki w innych zastosowaniach intensywnej opieki. Na przykład jest również używany do monitorowania ciężko chorych pacjentów na oddziałach intensywnej terapii w celu uniknięcia niedoboru tlenu. W różnych badaniach NIRS porównuje się z konwencjonalnymi metodami monitorowania. Badania pokazują potencjał, ale także ograniczenia spektroskopii w bliskiej podczerwieni.

Jednak ze względu na postęp techniczny procesu w ostatnich latach można przeprowadzić coraz bardziej złożone pomiary. Umożliwia to coraz lepszą rejestrację procesów metabolicznych zachodzących w tkance biologicznej i ich graficzne przedstawienie. W przyszłości spektroskopia w bliskiej podczerwieni będzie odgrywać jeszcze większą rolę w medycynie.