Blízko infračervenej spektroskopie

Blízko infračervenej spektroskopie je analytická metóda založená na absorpcii elektromagnetického žiarenia v rozsahu krátkovlnného infračerveného svetla. Má široké využitie v chémii, potravinárskych technológiách a medicíne. V medicíne je to okrem iného zobrazovacia metóda na zobrazenie mozgovej aktivity.

Čo je blízko infračervenej spektroskopie?

Takmer infračervená spektroskopia, tiež nazývaná NIRS skrátene, je podoblasť infračervenej spektroskopie (IČ spektroskopia). Fyzikálne je IČ spektroskopia založená na absorpcii elektromagnetického žiarenia prostredníctvom excitácie oscilačných stavov v molekulách a skupinách atómov.

NIRS skúma materiály, ktoré absorbujú vo frekvenčnom rozsahu 4 000 až 13 000 vibrácií na cm. To zodpovedá rozsahu vlnových dĺžok od 2500 do 760 nm V tomto rozsahu sú hlavne excitované vibrácie molekúl vody a funkčných skupín, ako sú hydroxylové, amino, karboxylové a CH skupiny. Ak elektromagnetické žiarenie v tomto frekvenčnom rozsahu zasiahne príslušné látky, vibrácie sa budia absorpciou fotónov s charakteristickou frekvenciou. Absorpčné spektrum sa zaznamená po tom, čo žiarenie prešlo vzorkou alebo sa odrazí.

Toto spektrum potom ukazuje absorpcie vo forme čiar pri určitých vlnových dĺžkach. V kombinácii s inými analytickými metódami môže IČ spektroskopia a najmä blízka infračervená spektroskopia robiť vyhlásenia o molekulárnej štruktúre skúmaných látok, a tak otvára široké spektrum aplikácií, od chemických analýz po priemyselné a potravinárske technológie až po medicínu.

Funkcia, účinok a ciele

V medicíne sa používa takmer infračervená spektroskopia 30 rokov. Tu sa okrem iného používa ako zobrazovacia metóda na určovanie mozgovej aktivity. Okrem toho sa môže použiť na meranie obsahu kyslíka v krvi, objemu krvi a prietoku krvi v rôznych tkanivách.

Postup je neinvazívny a bezbolestný. Výhodou infračerveného svetla s krátkymi vlnami je jeho dobrá priepustnosť v tkanivách, takže je predurčená na lekárske použitie. Použitím blízkej infračervenej spektroskopie cez lebku sa mozgová aktivita určuje prostredníctvom nameraných dynamických zmien obsahu kyslíka v krvi. Tento postup je založený na princípe neurovaskulárnej väzby. Neovaskulárna väzba je založená na skutočnosti, že zmeny v mozgovej aktivite tiež znamenajú zmeny v energetickej potrebe a teda aj v kyslíkovej potrebe.

Akékoľvek zvýšenie mozgovej aktivity si tiež vyžaduje vyššiu koncentráciu kyslíka v krvi, ktorá je stanovená blízkou infračervenou spektroskopiou. Substrát viažuci kyslík v krvi je hemoglobín. Hemoglobín je farbivo viazané na bielkoviny, ktoré sa vyskytuje v dvoch rôznych formách. Existujú okysličené a deoxygenované hemoglobíny. To znamená, že je okysličený alebo bez kyslíka. Pri prechode z jedného tvaru do druhého sa mení jeho farba. Toto tiež ovplyvňuje prenos svetla. Kyslíková krv je priepustnejšia pre infračervené svetlo ako krv bez kyslíka.

Keď infračervené svetlo prechádza, je možné určiť rozdiely v zaťažení kyslíkom. Vypočítajú sa zmeny absorpčného spektra a poskytujú informácie o aktuálnej mozgovej aktivite. Na tomto základe sa NIRS v súčasnosti čoraz viac používa ako zobrazovacia metóda na zobrazenie mozgovej aktivity. Tak blízka infračervená spektroskopia tiež umožňuje skúmanie kognitívnych procesov, pretože každá myšlienka tiež vytvára vyššiu úroveň mozgovej aktivity. Je tiež možné lokalizovať oblasti so zvýšenou aktivitou. Táto metóda je tiež vhodná na uskutočnenie optického rozhrania mozog-počítač. Rozhranie medzi mozgom a počítačom predstavuje rozhranie medzi ľuďmi a počítačmi, pričom z týchto systémov majú úžitok najmä telesne postihnutí ľudia.

Môžu používať počítač na spustenie určitých akcií, napríklad pohybu protéz, s čistou silou myslenia. Ostatné oblasti aplikácie NIRS v medicíne sa okrem iného týkajú pohotovostnej medicíny. Zariadenia monitorujú prívod kyslíka v jednotkách intenzívnej starostlivosti alebo po operáciách. To zaisťuje rýchlu reakciu v prípade akútneho nedostatku kyslíka. Blízko infračervená spektroskopia je tiež užitočná na monitorovanie porúch obehového systému alebo na optimalizáciu dodávky kyslíka do svalov počas tréningu.

Riziká, vedľajšie účinky a nebezpečenstvá

Použitie blízkej infračervenej spektroskopie je bezproblémové a nespôsobuje žiadne vedľajšie účinky. Infračervené žiarenie je žiarenie s nízkou energiou, ktoré nepoškodzuje biologicky dôležité látky. Genetický makeup tiež nie je napadnutý. Žiarenie stimuluje iba rôzne vibračné stavy biologických molekúl. Postup je tiež neinvazívny a bezbolestný.

V kombinácii s inými funkčnými metódami, ako je MEG (magnetoencefalografia), fMRI (funkčná magnetická rezonančná tomografia), PET (pozitrónová emisná tomografia) alebo SPECT (počítačová tomografia s jedinou fotónovou emisiou), môže infračervená spektroskopia dobre vizualizovať mozgové činnosti. Ďalej má blízka infračervená spektroskopia veľký potenciál na monitorovanie koncentrácie kyslíka v medicíne intenzívnej starostlivosti. Napríklad štúdia na Klinike srdcovej chirurgie v Lübecku ukazuje, že operačné riziká pri srdcovej chirurgii možno spoľahlivejšie predpovedať určením saturácie mozgového kyslíka pomocou NIRS ako pri predchádzajúcich metódach.

Blízko infračervená spektroskopia poskytuje dobré výsledky aj pre iné aplikácie intenzívnej starostlivosti. Používa sa napríklad aj na monitorovanie vážne chorých pacientov na jednotkách intenzívnej starostlivosti s cieľom zabrániť nedostatku kyslíka. V rôznych štúdiách sa NIRS porovnáva s konvenčnými metódami monitorovania. Štúdie ukazujú potenciál, ale aj limity blízkej infračervenej spektroskopie.

Vzhľadom na technický vývoj procesu v posledných rokoch sa však môžu vykonávať stále komplexnejšie merania. To umožňuje lepšie a lepšie zaznamenávať metabolické procesy prebiehajúce v biologickom tkanive a znázorňovať ich graficky. Infračervená spektroskopia bude v budúcnosti v medicíne zohrávať ešte väčšiu úlohu.