Spektroskopie blízké infračervené oblasti je analytická metoda založená na vstřebávání of elektromagnetické záření v dosahu krátkovlnného infračerveného světla. Má mnoho aplikací v chemii, potravinářské technologii a medicíně. V medicíně se jedná mimo jiné o zobrazovací metodu zobrazování mozek aktivitu.
Co je to blízká infračervená spektroskopie?
V medicíně je blízká infračervená spektroskopie mimo jiné zobrazovací technikou pro zobrazování mozek aktivita. Blízká infračervená spektroskopie, také zkráceně NIRS, je odvětví infračervené spektroskopie (IR spektroskopie). Fyzicky je IR spektroskopie založena na vstřebávání of elektromagnetické záření buzením vibračních stavů v molekuly a skupiny atomů. NIRS zkoumá materiály, které absorbují ve frekvenčním rozsahu 4,000 13,000 až 2500 760 vibrací na cm. To odpovídá rozsahu vlnových délek od XNUMX XNUMX do XNUMX nm. V tomto rozsahu vibrace voda molekuly a funkční skupiny, jako je hydroxylová skupina, aminoskupina, karboxylová skupina a také skupina CH, jsou hlavně excitovány. Když elektromagnetické záření tohoto kmitočtového rozsahu zasáhne odpovídající látky, dojde k excitaci vibrací vstřebávání fotonů s charakteristickou frekvencí. Poté, co záření prošlo vzorkem nebo bylo odraženo, je zaznamenáno absorpční spektrum. Toto spektrum poté ukazuje absorpce ve formě čar při specifických vlnových délkách. V kombinaci s dalšími analytickými technikami může infračervená spektroskopie a zejména blízká infračervená spektroskopie poskytnout informace o molekulární struktuře zkoumaných látek, což otevírá širokou škálu aplikací od chemických analýz přes průmyslové a potravinářské aplikace až po medicínu.
Funkce, účinek a cíle
Spektroskopie blízkého infračerveného záření se v medicíně používá již 30 let. Zde slouží mimo jiné jako zobrazovací metoda při určování mozek aktivita. Dále jej lze použít k měření kyslík obsah krev, krev objema průtok krve v různých tkáních. Postup je neinvazivní a bezbolestný. Výhodou krátkovlnného infračerveného světla je jeho dobrá propustnost pro tkáně, díky čemuž je prakticky předurčen pro lékařské použití. Pomocí blízké infračervené spektroskopie v lebce je aktivita mozku určena měřenými dynamickými změnami kyslík obsah v krev. Tato metoda je založena na principu neurovaskulární vazby. Neurovaskulární vazba je založena na skutečnosti, že změny v mozkové aktivitě znamenají také změny v energetické poptávce, a proto kyslík poptávka. Jakékoli zvýšení mozkové aktivity také vyžaduje vyšší koncentrace kyslíku v krev, jak bylo stanoveno pomocí blízké infračervené spektroskopie. Substrát vázající kyslík v krvi je hemoglobin. Hemoglobin je pigment vázaný na bílkoviny, který se vyskytuje ve dvou různých formách. Okysličuje se a odkysličuje hemoglobin. To znamená, že je buď okysličeno nebo odkysličeno. Když se změní z jedné formy na druhou, změní se její barva. To také ovlivňuje propustnost světla. Okysličená krev je pro infračervené světlo průhlednější než krev ochuzená o kyslík. Když tedy prochází infračervené světlo, lze určit rozdíly v kyslíkové zátěži. Změny absorpčních spekter jsou vypočítány a nabízejí závěry o okamžité mozkové aktivitě. Na tomto základě se nyní NIRS stále více používá jako zobrazovací technika k vizualizaci mozkové činnosti. Spektroskopie blízké infračervené oblasti tedy také umožňuje studium kognitivních procesů, protože každá myšlenka také generuje vyšší mozkovou aktivitu. Je také možné lokalizovat oblasti se zvýšenou aktivitou. Tato metoda je také vhodná pro realizaci optického rozhraní mozek-počítač. Rozhraní mozek-počítač představuje rozhraní mezi lidmi a počítači. Z těchto systémů těží zejména lidé s tělesným postižením. Například mohou pomocí počítače spouštět určité akce s čistou myšlenkovou silou, jako je pohyb protéz. Mezi další aplikace NIRS v medicíně patří nouzové léky. Zařízení například monitorují přívod kyslíku na jednotkách intenzivní péče nebo po operacích. To zajišťuje rychlou reakci v případě akutního nedostatku kyslíku. Dobře funguje i blízká infračervená spektroskopie monitoring oběhové poruchy nebo optimalizace dodávky kyslíku do svalu během cvičení.
Rizika, vedlejší účinky a nebezpečí
Použití blízké infračervené spektroskopie je bezproblémové a nezpůsobuje žádné vedlejší účinky. Infračervené záření je nízkoenergetické záření, které není vést na jakékoli poškození biologicky důležitých látek. Ani genetický materiál není napaden. Záření způsobuje pouze excitaci různých vibračních stavů biologického molekuly. Postup je také neinvazivní a bezbolestný. V kombinaci s dalšími funkčními metodami, jako je MEG (magnetoencefalografie), fMRI (funkční magnetická rezonance), PET (pozitronová emisní tomografie) nebo SPECT (emise jednoho fotonu počítačová tomografie), blízká infračervená spektroskopie dokáže dobře zobrazit mozkovou aktivitu. Kromě toho má blízká infračervená spektroskopie velký potenciál v monitoring kyslík koncentrace v kritické péči. Například studie na Klinice srdeční chirurgie v Lübecku ukazuje, že chirurgická rizika v kardiochirurgii lze předvídat spolehlivěji než u předchozích metod stanovením saturace mozku kyslíkem pomocí NIRS. Spektroskopie blízké infračervenému záření poskytuje dobré výsledky i v jiných aplikacích intenzivní péče. Například se také používá ke sledování kriticky nemocných pacientů na jednotkách intenzivní péče k odvrácení hypoxie. V různých studiích je NIRS srovnáván s konvenčními metodami pro monitoring. Studie ukazují potenciál, ale také omezení blízké infračervené spektroskopie. Technický pokrok v technice v posledních letech však umožnil provádět stále složitější měření. To umožňuje stále přesněji zaznamenávat a zobrazovat metabolické procesy probíhající v biologické tkáni. Spektroskopie blízké infračervenému záření bude v budoucnu hrát v medicíně ještě větší roli.
