I nærheden af ​​infrarød spektroskopi

Det I nærheden af ​​infrarød spektroskopi er en analysemetode baseret på absorption af elektromagnetisk stråling i intervallet af kortbølget infrarødt lys. Det har en bred vifte af anvendelser inden for kemi, fødevareteknologi og medicin. Inden for medicin er det blandt andet en billeddannelsesmetode til visning af hjerneaktivitet.

Hvad er nær infrarød spektroskopi?

Næsten-infrarød spektroskopi, også kaldet NIRS forkortet, er et underområde for infrarød spektroskopi (IR-spektroskopi). Fysisk er IR-spektroskopi baseret på absorption af elektromagnetisk stråling gennem excitation af svingningstilstande i molekyler og grupper af atomer.

NIRS undersøger materialer, der optager i frekvensområdet fra 4.000 til 13.000 vibrationer pr. Cm. Dette svarer til bølgelængdeområdet fra 2500 til 760 nm. I dette område er vibrationer af vandmolekyler og funktionelle grupper, såsom hydroxyl-, amino-, carboxyl- og CH-grupperne, primært ophidsede. Hvis elektromagnetisk stråling i dette frekvensområde rammer de tilsvarende stoffer, ophidses vibrationerne med absorption af fotoner med en karakteristisk frekvens. Absorptionsspektret registreres, når strålingen er passeret gennem prøven eller reflekteres.

Dette spektrum viser derefter absorptionerne i form af linjer ved bestemte bølgelængder. I kombination med andre analysemetoder kan IR-spektroskopi og især nær-infrarød spektroskopi afgive udsagn om molekylstrukturen af ​​de undersøgte stoffer og åbner således for en lang række anvendelser, fra kemiske analyser til industrielle og fødevareteknologiske applikationer til medicin.

Funktion, effekt & mål

Næsten-infrarød spektroskopi er blevet brugt i medicin i 30 år. Her bruges det blandt andet som en billeddannelsesmetode til bestemmelse af hjerneaktivitet. Derudover kan det bruges til at måle iltindholdet i blodet, blodvolumen og blodgennemstrømning i forskellige væv.

Proceduren er ikke-invasiv og smertefri. Fordelen ved kortbølget infrarødt lys er dets gode vævspermeabilitet, så det er forudbestemt til medicinsk brug. Ved hjælp af næsten infrarød spektroskopi gennem kraniet bestemmes hjerneaktivitet gennem de målte dynamiske ændringer i iltindholdet i blodet. Denne procedure er baseret på princippet om neurovaskulær kobling. Den neurovaskulære kobling er baseret på det faktum, at ændringer i hjerneaktivitet også betyder ændringer i energibehovet og dermed også iltbehovet.

Enhver stigning i hjerneaktivitet kræver også en højere koncentration af ilt i blodet, som bestemmes ved næsten infrarød spektroskopi. Det iltbindende underlag i blodet er hæmoglobin. Hemoglobin er et proteinbundet farvestof, der forekommer i to forskellige former. Der er oxygeneret og deoxygeneret hæmoglobin. Det betyder, at det enten er oxygeneret eller iltfrit. Når du flytter fra en form til en anden, ændres dens farve. Dette påvirker også transmission af lys. Oxygeneret blod er mere permeabelt for infrarødt lys end iltmangel.

Når det infrarøde lys passerer igennem, kan forskellene i iltbelastningen bestemmes. Ændringerne i absorptionsspektre beregnes og giver information om den aktuelle hjerneaktivitet. På dette grundlag bruges nu i stigende grad NIRS som en billeddannelsesmetode til at vise hjerneaktivitet. Således tillader nær-infrarød spektroskopi også undersøgelse af kognitive processer, fordi enhver tanke også genererer et højere niveau af hjerneaktivitet. Det er også muligt at lokalisere områderne med øget aktivitet. Denne metode er også egnet til at realisere en optisk hjerne-computer-grænseflade. Hjernecomputergrænsefladen repræsenterer en grænseflade mellem mennesker og computere.Fysisk handicappede drager især fordel af disse systemer.

De kan bruge computeren til at udløse visse handlinger, såsom bevægelse af proteser, med ren tankekraft. Andre anvendelsesområder for NIRS i medicin vedrører blandt andet akutmedicin. Enhederne overvåger iltforsyningen i intensivafdelinger eller efter operationer. Dette sikrer en hurtig reaktion i tilfælde af en akut mangel på ilt. Næsten-infrarød spektroskopi er også nyttigt til overvågning af kredsløbssygdomme eller til at optimere iltforsyningen til musklerne under træning.

Risici, bivirkninger og farer

Brug af næsten infrarød spektroskopi er problemfri og medfører ingen bivirkninger. Infrarød stråling er lavenergistråling, der ikke skader biologisk vigtige stoffer. Den genetiske makeup er heller ikke angrebet. Strålingen stimulerer kun de forskellige vibrationstilstande for biologiske molekyler. Proceduren er også ikke-invasiv og smertefri.

I kombination med andre funktionelle metoder, såsom MEG (magnetoencephalography), fMRI (funktionel magnetisk resonans tomografi), PET (positronemissionstomografi) eller SPECT (enkeltfotonemission computertomografi), kan næsten infrarød spektroskopi skildre hjerneaktiviteter godt. Endvidere har næsten infrarød spektroskopi et stort potentiale til at overvåge iltkoncentrationen i intensivmedicin. En undersøgelse på Klinikken for hjertekirurgi i Lübeck viser, at operationelle risici i hjertekirurgi kan forudsiges mere pålideligt ved at bestemme den cerebrale iltmætning ved hjælp af NIRS end ved tidligere metoder.

Næsten-infrarød spektroskopi giver også gode resultater til andre applikationer med intensiv pleje. For eksempel bruges det også til at overvåge alvorligt syge patienter i intensivafdelinger for at afværge iltmangel. I forskellige undersøgelser sammenlignes NIRS med konventionelle overvågningsmetoder. Undersøgelserne viser potentialet, men også grænserne for næsten infrarød spektroskopi.

Imidlertid kan flere og mere komplekse målinger udføres på grund af den tekniske udvikling af processen i de senere år. Dette muliggør, at de metaboliske processer, der finder sted i biologisk væv, registreres bedre og bedre og at repræsentere dem grafisk. Næsten-infrarød spektroskopi vil spille en endnu større rolle i medicinen i fremtiden.