Blízko infračervené spektroskopie

Blízko infračervené spektroskopie je analytická metoda založená na absorpci elektromagnetického záření v rozsahu krátkovlnného infračerveného světla. Má široké využití v chemii, potravinářské technologii a medicíně. V medicíně je to mimo jiné zobrazovací metoda pro zobrazení mozkové aktivity.

Co je blízko infračervené spektroskopie?

Také se nazývá blízká infračervená spektroskopie NIRS zkráceně, je podoblast infračervené spektroskopie (IR spektroskopie). Fyzikálně je IČ spektroskopie založena na absorpci elektromagnetického záření excitací oscilačních stavů v molekulách a skupinách atomů.

NIRS zkoumá materiály, které absorbují ve frekvenčním rozsahu od 4 000 do 13 000 vibrací na cm. To odpovídá rozsahu vlnových délek od 2 500 do 760 nm. V tomto rozmezí jsou hlavně excitovány vibrace molekul vody a funkčních skupin, jako jsou hydroxylové, amino, karboxylové a CH skupiny. Pokud elektromagnetické záření v tomto frekvenčním rozsahu zasáhne odpovídající látky, jsou vibrace excitovány absorpcí fotonů s charakteristickou frekvencí. Absorpční spektrum se zaznamenává poté, co záření prošlo vzorkem nebo se odráží.

Toto spektrum pak ukazuje absorpci ve formě čar při určitých vlnových délkách. V kombinaci s jinými analytickými metodami může IR spektroskopie a zejména blízká infračervená spektroskopie učinit prohlášení o molekulární struktuře zkoumaných látek, a tak otevírá širokou škálu aplikací, od chemických analýz po průmyslové a potravinářské technologie až po medicínu.

Funkce, účinek a cíle

Téměř infračervená spektroskopie se v medicíně používá již 30 let. Zde se mimo jiné používá jako zobrazovací metoda pro stanovení mozkové aktivity. Kromě toho může být použit k měření obsahu kyslíku v krvi, objemu krve a průtoku krve v různých tkáních.

Postup je neinvazivní a bezbolestný. Výhodou infračerveného světla s krátkými vlnami je jeho dobrá propustnost pro tkáně, takže je předurčena pro lékařské použití. Použitím blízké infračervené spektroskopie skrz lebku je mozková aktivita stanovena pomocí změřených dynamických změn obsahu kyslíku v krvi. Tento postup je založen na principu neurovaskulární vazby. Neovaskulární vazba je založena na skutečnosti, že změny v mozkové aktivitě také znamenají změny v energetické potřebě, a tedy také v kyslíkové potřebě.

Jakékoli zvýšení mozkové aktivity také vyžaduje vyšší koncentraci kyslíku v krvi, která je určena blízkou infračervenou spektroskopií. Substrátem vázajícím kyslík v krvi je hemoglobin. Hemoglobin je proteinově vázané barvivo, které se vyskytuje ve dvou různých formách. Tam jsou okysličený a deoxygenated hemoglobin. To znamená, že je buď okysličený nebo bez kyslíku. Při přechodu z jednoho tvaru do druhého se změní jeho barva. To také ovlivňuje přenos světla. Kyslíkatá krev je propustnější pro infračervené světlo než krev s nedostatkem kyslíku.

Když infračervené světlo prochází, lze určit rozdíly v kyslíkové zátěži. Změny absorpčních spekter jsou počítány a poskytují informace o aktuální mozkové aktivitě. Na tomto základě je nyní NIRS stále více používána jako zobrazovací metoda pro zobrazení mozkové aktivity. Tak blízká infračervená spektroskopie také umožňuje zkoumání kognitivních procesů, protože každá myšlenka také generuje vyšší úroveň mozkové aktivity. Je také možné lokalizovat oblasti zvýšené aktivity. Tato metoda je také vhodná pro realizaci optického rozhraní mozek-počítač. Rozhraní mozek-počítač představuje rozhraní mezi lidmi a počítači, z čehož těží zejména lidé s tělesným postižením.

Mohou použít počítač k vyvolání určitých akcí, jako je pohyb protéz, s čistou silou myšlení. Další oblasti použití NIRS v medicíně se mimo jiné týkají pohotovostní medicíny. Zařízení monitorují přívod kyslíku v jednotkách intenzivní péče nebo po operacích. Tím je zajištěna rychlá reakce v případě akutního nedostatku kyslíku. Téměř infračervená spektroskopie je také užitečná pro monitorování poruch oběhu nebo pro optimalizaci přívodu kyslíku do svalů během tréninku.

Rizika, vedlejší účinky a nebezpečí

Použití blízké infračervené spektroskopie je bezproblémové a nezpůsobuje žádné vedlejší účinky. Infračervené záření je nízkoenergetické záření, které nepoškozuje biologicky důležité látky. Genetický makeup také není napaden. Záření stimuluje pouze různé vibrační stavy biologických molekul. Procedura je také neinvazivní a bezbolestná.

V kombinaci s jinými funkčními metodami, jako je MEG (magnetoencefalografie), fMRI (funkční magnetická rezonanční tomografie), PET (pozitronová emisní tomografie) nebo SPECT (jediná fotonová emisní počítačová tomografie), může infračervená spektroskopie dobře vizualizovat mozkové činnosti. Dále má blízká infračervená spektroskopie velký potenciál pro monitorování koncentrace kyslíku v medicíně pro intenzivní péči. Studie na Klinice srdeční chirurgie v Lübecku ukazuje, že operační rizika v srdeční chirurgii lze spolehlivěji předpovědět stanovením saturace mozku kyslíkem pomocí NIRS než pomocí předchozích metod.

Blízko-infračervená spektroskopie také poskytuje dobré výsledky pro jiné aplikace intenzivní péče. Používá se například také k monitorování vážně nemocných pacientů na jednotkách intenzivní péče, aby se zabránilo nedostatku kyslíku. V různých studiích je NIRS porovnáván s konvenčními metodami monitorování. Studie ukazují potenciál, ale také meze blízké infračervené spektroskopie.

Vzhledem k technickému vývoji procesu v posledních letech však lze provádět stále komplexnější měření. To umožňuje lepší a lepší zaznamenávání metabolických procesů probíhajících v biologické tkáni a jejich grafické znázornění. Téměř infračervená spektroskopie bude v budoucnu hrát v medicíně ještě větší roli.