Lähellä infrapunaspektroskopiaa on analyysimenetelmä, joka perustuu sähkömagneettisen säteilyn absorptioon lyhytaaltoinfrapunavalon alueella. Sillä on laaja käyttöalue kemian, elintarviketekniikan ja lääketieteen aloilla. Lääketieteessä se on muun muassa kuvantamismenetelmä aivojen toiminnan osoittamiseksi.
Mikä on lähellä infrapunaspektroskopiaa?
Lähi-infrapunaspektroskopia, jota kutsutaan myös NIRS lyhennettynä on infrapunaspektroskopian (IR-spektroskopia) osa-alue. Fyysisesti IR-spektroskopia perustuu sähkömagneettisen säteilyn absorptioon molekyylien ja atomiryhmien värähtelytilojen kiihtymisen kautta.
NIRS: ssä tutkitaan materiaaleja, jotka absorboivat taajuusalueella 4 000 - 13 000 värähtelyä / cm. Tämä vastaa aallonpituusaluetta 2500 - 760 nm. Tällä alueella vesimolekyylien ja funktionaalisten ryhmien, kuten hydroksyyli-, amino-, karboksyyli- ja CH-ryhmien värähtelyt herättävät pääasiassa. Jos tämän taajuusalueen sähkömagneettinen säteily osuu vastaaviin aineisiin, värähtelyt kiihdytetään tunnetun taajuuden fotonien absorptiolla. Absorptiospektri kirjataan sen jälkeen, kun säteily on kulkenut näytteen läpi tai heijastunut.
Tämä spektri osoittaa sitten absorptiot viivojen muodossa tietyillä aallonpituuksilla. Yhdessä muiden analyysimenetelmien kanssa, IR-spektroskopia ja erityisesti lähi-infrapunaspektroskopia voivat antaa lausuntoja tutkittavien aineiden molekyylirakenteesta, avaten siten laajan sovellusalueen kemiallisista analyyseistä teollisuuden ja elintarviketeknologian sovelluksiin sekä lääketieteeseen.
Toiminta, vaikutus ja tavoitteet
Lähi-infrapunaspektroskopiaa on käytetty lääketieteessä 30 vuoden ajan. Täällä sitä käytetään muun muassa kuvantamismenetelmänä aivojen toiminnan määrittämiseen. Niitä voidaan käyttää myös mittaamaan veren happipitoisuutta, veren määrää ja verenvirtausta eri kudoksissa.
Menettely on tunkeutumaton ja kivuton. Lyhytaaltoisen infrapunavalon etuna on sen hyvä kudoksen läpäisevyys, joten se on ennalta määrätty lääketieteelliseen käyttöön. Käyttämällä lähi-infrapunaspektroskopiaa pääkallon läpi, aivojen aktiivisuus määritetään mitattujen veren happipitoisuuden dynaamisten muutosten avulla. Tämä menetelmä perustuu neurovaskulaarisen kytkemisen periaatteeseen. Neurovaskulaarinen kytkentä perustuu siihen tosiseikkaan, että muutokset aivojen toiminnassa tarkoittavat myös muutoksia energiantarpeessa ja siten myös hapen tarpeessa.
Mikä tahansa aivojen toiminnan lisääntyminen vaatii myös korkeamman happipitoisuuden veressä, joka määritetään lähellä infrapunaspektroskopiaa. Veren happea sitova substraatti on hemoglobiini. Hemoglobiini on proteiineihin sitoutunut väriaine, jota esiintyy kahdessa eri muodossa. On hapetettuja ja hapetettuja hemoglobiineja. Tämä tarkoittaa, että se on joko hapetettu tai happea vapaa. Kun siirrytään muodosta toiseen, sen väri muuttuu. Tämä vaikuttaa myös valon siirtymiseen. Happipitoinen veri läpäisee infrapunavaloa paremmin kuin happivaja veri.
Kun infrapunavalo kulkee läpi, happeakuormituksen erot voidaan määrittää. Absorptiospektrien muutokset lasketaan ja ne tarjoavat tietoja aivojen nykyisestä toiminnasta. Tämän perusteella NIRS: ää käytetään nyt yhä enemmän kuvantamismenetelmänä aivojen toiminnan osoittamiseen. Siksi infrapunaspektroskopia mahdollistaa myös kognitiivisten prosessien tutkinnan, koska jokainen ajatus tuottaa myös korkeamman aivoaktiivisuuden. On myös mahdollista paikantaa lisääntyneen aktiivisuuden alueet. Tämä menetelmä soveltuu myös optisen aivo-tietokone-rajapinnan toteuttamiseen. Aivojen ja tietokoneiden välinen rajapinta edustaa rajapintaa ihmisten ja tietokoneiden välillä. Erityisesti fyysisesti vammaiset hyötyvät näistä järjestelmistä.
He voivat ajattelun avulla laukaista tietyt toimenpiteet tietokoneen kautta, kuten liikuttavat proteesit. Muut NIRS: n soveltamisalat lääketieteessä liittyvät muun muassa kiireellisiin lääkkeisiin. Laitteet tarkkailevat hapen tarjontaa tehohoitoyksiköissä tai leikkausten jälkeen. Tämä varmistaa nopean reaktion akuutissa happipuutteessa. Lähi-infrapunaspektroskopia on hyödyllinen myös verenkiertohäiriöiden tarkkailemiseksi tai lihaksen hapentuoton optimoimiseksi harjoituksen aikana.
Riskit, sivuvaikutukset ja vaarat
Läheisen infrapunaspektroskopian käyttö on ongelmatonta eikä aiheuta sivuvaikutuksia. Infrapunasäteily on vähän energiaa kuluttavaa säteilyä, joka ei vahingoita biologisesti tärkeitä aineita. Geneettistä meikkiä ei myöskään hyökätä. Säteily vain stimuloi biologisten molekyylien erilaisia värähtelytiloja. Toimenpide on myös ei-tunkeutuva ja kivuton.
Yhdessä muiden funktionaalisten menetelmien, kuten MEG (magnetoenkefalografia), fMRI (funktionaalinen magneettinen resonanssitomografia), PET (positroniemissiotomografia) tai SPECT (yksifotoniemissiotomografinen tomografia) kanssa, lähellä infrapunaspektroskopia voi kuvata aivojen toimintaa hyvin. Lisäksi infrapunaspektroskopialla on suuri potentiaali monitoroida happipitoisuutta tehohoidon lääketieteessä. Lyypekin sydänkirurgian klinikalla tehty tutkimus osoittaa, että sydänleikkauksen operatiiviset riskit voidaan ennustaa luotettavammin määrittämällä aivojen happikylläisyys NIRS: llä kuin aikaisemmilla menetelmillä.
Lähi-infrapunaspektroskopia tarjoaa hyviä tuloksia myös muihin tehohoidon sovelluksiin. Sitä käytetään myös esimerkiksi vakavasti sairaiden potilaiden seuraamiseen tehohoitoyksiköissä happivajeen välttämiseksi. Eri tutkimuksissa NIRS: ää verrataan tavanomaisiin seurantamenetelmiin. Tutkimukset osoittavat lähellä infrapunaspektroskopian mahdollisuuksia, mutta myös rajoja.
Viime vuosien prosessin teknisen kehityksen takia voidaan kuitenkin suorittaa yhä monimutkaisempia mittauksia. Tämä mahdollistaa biologisessa kudoksessa tapahtuvien aineenvaihduntaprosessien kirjaamisen paremmin ja paremmin sekä graafisen esityksen. Lähi-infrapunaspektroskopialla on tulevaisuudessa entistä suurempi rooli lääketieteessä.
