Спектроскопия в ближней инфракрасной области

Спектроскопия в ближней инфракрасной области метод анализа, основанный на поглощении электромагнитного излучения в диапазоне коротковолнового инфракрасного света. Он имеет широкий спектр применения в химии, пищевых технологиях и медицине. В медицине это, помимо прочего, метод визуализации для отображения активности мозга.

Что такое ближняя инфракрасная спектроскопия?

Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне, также называемая НИРС сокращенно, это подраздел инфракрасной спектроскопии (ИК-спектроскопии). Физически ИК-спектроскопия основана на поглощении электромагнитного излучения за счет возбуждения колебательных состояний в молекулах и группах атомов.

NIRS исследует материалы, которые поглощают в диапазоне частот от 4000 до 13000 колебаний на см. Это соответствует диапазону длин волн от 2500 до 760 нм. В этом диапазоне в основном возбуждаются колебания молекул воды и функциональных групп, таких как гидроксильная, амино, карбоксильная и СН-группы. Если электромагнитное излучение в этом диапазоне частот попадает на соответствующие вещества, возбуждаются колебания с поглощением фотонов с характерной частотой. Спектр поглощения регистрируется после того, как излучение прошло через образец или отражено.

Затем этот спектр показывает поглощения в виде линий на определенных длинах волн. В сочетании с другими методами анализа ИК-спектроскопия и, в частности, спектроскопия в ближней инфракрасной области может делать выводы о молекулярной структуре исследуемых веществ и, таким образом, открывает широкий спектр приложений от химического анализа до промышленных и пищевых технологий, а также медицины.

Функция, эффект и цели

Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне используется в медицине уже 30 лет. Здесь он используется, помимо прочего, как метод визуализации для определения активности мозга. Кроме того, его можно использовать для измерения содержания кислорода в крови, объема крови и кровотока в различных тканях.

Процедура неинвазивная и безболезненная. Преимущество коротковолнового инфракрасного света заключается в его хорошей проницаемости для тканей, поэтому он предназначен для использования в медицине. С помощью спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне через черепную коробку активность мозга определяется путем измерения динамических изменений содержания кислорода в крови. Эта процедура основана на принципе сосудисто-нервного сопряжения. Нервно-сосудистая связь основана на том факте, что изменения активности мозга также означают изменения потребности в энергии и, следовательно, потребности в кислороде.

Любое увеличение мозговой активности также требует более высокой концентрации кислорода в крови, что определяется спектроскопией в ближнем инфракрасном диапазоне. Кислородсвязывающим субстратом в крови является гемоглобин. Гемоглобин - это связанный с белком краситель, который существует в двух разных формах. Различают оксигенированный и деоксигенированный гемоглобин. Это означает, что он либо насыщен кислородом, либо не содержит кислорода. При переходе от одной формы к другой ее цвет меняется. Это также влияет на передачу света. Кислородная кровь более проницаема для инфракрасного света, чем кровь с дефицитом кислорода.

Когда инфракрасный свет проходит, можно определить разницу в кислородной нагрузке. Изменения в спектрах поглощения вычисляются и предоставляют информацию о текущей активности мозга. Исходя из этого, в настоящее время NIRS все чаще используется в качестве метода визуализации для отображения активности мозга. Таким образом, ближняя инфракрасная спектроскопия также позволяет исследовать когнитивные процессы, потому что каждая мысль также порождает более высокий уровень активности мозга. Также можно определить места повышенной активности. Этот метод также подходит для реализации оптического интерфейса мозг-компьютер. Интерфейс мозг-компьютер представляет собой интерфейс между людьми и компьютерами. Эти системы особенно полезны для людей с ограниченными физическими возможностями.

Они могут использовать компьютер для запуска определенных действий, таких как движение протезов, с чистой силой мысли. Другие области применения NIRS в медицине относятся, в том числе, к неотложной медицине. Приборы контролируют подачу кислорода в отделениях интенсивной терапии или после операций. Это обеспечивает быструю реакцию в случае острой нехватки кислорода. Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне также полезна для наблюдения за нарушениями кровообращения или для оптимизации подачи кислорода к мышцам во время тренировки.

Риски, побочные эффекты и опасности

Использование ближней инфракрасной спектроскопии беспроблемно и не вызывает никаких побочных эффектов. Инфракрасное излучение - это низкоэнергетическое излучение, которое не повреждает биологически важные вещества. Генетический состав также не подвергается атаке. Излучение только стимулирует различные колебательные состояния биологических молекул. Процедура также неинвазивна и безболезненна.

В сочетании с другими функциональными методами, такими как МЭГ (магнитоэнцефалография), фМРТ (функциональная магнитно-резонансная томография), ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) или ОФЭКТ (однофотонная эмиссионная компьютерная томография), спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне может хорошо отображать деятельность мозга. Кроме того, ближняя инфракрасная спектроскопия имеет большой потенциал для мониторинга концентрации кислорода в реанимации. Исследование, проведенное в Клинике кардиохирургии в Любеке, показывает, что операционные риски в кардиохирургии можно более надежно прогнозировать, определяя сатурацию мозга кислородом с помощью NIRS, чем с помощью предыдущих методов.

Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне также дает хорошие результаты для других приложений интенсивной терапии. Например, его также используют для наблюдения за тяжелобольными пациентами в отделениях интенсивной терапии с целью предотвращения кислородной недостаточности. В различных исследованиях NIRS сравнивают с традиционными методами мониторинга. Исследования показывают потенциал, но также и пределы ближней инфракрасной спектроскопии.

Однако в связи с техническим развитием процесса в последние годы могут быть выполнены все более и более сложные измерения. Это позволяет лучше и лучше регистрировать метаболические процессы, происходящие в биологической ткани, и представлять их в графическом виде. В будущем спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне будет играть еще более важную роль в медицине.