Πλησίον υπέρυθρης φασματοσκοπίας

ο Πλησίον υπέρυθρης φασματοσκοπίας είναι μια μέθοδος ανάλυσης που βασίζεται στην απορρόφηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στο εύρος του υπέρυθρου φωτός μικρού κύματος. Έχει ένα ευρύ φάσμα χρήσεων στη χημεία, την τεχνολογία τροφίμων και την ιατρική. Στην ιατρική, είναι, μεταξύ άλλων, μια μέθοδος απεικόνισης για την εμφάνιση της εγκεφαλικής δραστηριότητας.

Τι είναι η φασματοσκοπία υπερύθρων;

Φασματοσκοπία σχεδόν υπέρυθρων, που ονομάζεται επίσης NIRS συντομογραφία, είναι μια υποπεριοχή υπέρυθρης φασματοσκοπίας (IR φασματοσκοπία). Φυσικά, η φασματοσκοπία IR βασίζεται στην απορρόφηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μέσω της διέγερσης των καταστάσεων ταλάντωσης σε μόρια και ομάδες ατόμων.

Το NIRS εξετάζει υλικά που απορροφούν στο εύρος συχνοτήτων από 4.000 έως 13.000 δονήσεις ανά cm. Αυτό αντιστοιχεί στο εύρος μήκους κύματος από 2500 έως 760 nm. Σε αυτό το εύρος, οι δονήσεις των μορίων νερού και των λειτουργικών ομάδων όπως οι ομάδες υδροξυλίου, αμινο, καρβοξυλίου και CH είναι κυρίως διεγερμένες. Εάν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε αυτό το εύρος συχνοτήτων χτυπήσει τις αντίστοιχες ουσίες, οι δονήσεις ενθουσιάζονται με την απορρόφηση φωτονίων με χαρακτηριστική συχνότητα. Το φάσμα απορρόφησης καταγράφεται αφού η ακτινοβολία περάσει από το δείγμα ή ανακλάται.

Αυτό το φάσμα δείχνει στη συνέχεια τις απορροφήσεις με τη μορφή γραμμών σε ορισμένα μήκη κύματος. Σε συνδυασμό με άλλες μεθόδους ανάλυσης, η φασματοσκοπία υπερύθρων και, ειδικότερα, η φασματοσκοπία σχεδόν υπέρυθρων ακτίνων μπορεί να κάνει δηλώσεις σχετικά με τη μοριακή δομή των εξεταζόμενων ουσιών και έτσι ανοίγει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από χημικές αναλύσεις έως βιομηχανικές εφαρμογές και εφαρμογές τεχνολογίας τροφίμων έως ιατρική.

Λειτουργία, αποτέλεσμα και στόχοι

Η εγγύς υπέρυθρη φασματοσκοπία χρησιμοποιείται στην ιατρική για 30 χρόνια. Εδώ χρησιμοποιείται, μεταξύ άλλων, ως μέθοδος απεικόνισης για τον προσδιορισμό της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Επιπλέον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο του αίματος, του όγκου του αίματος και της ροής του αίματος σε διάφορους ιστούς.

Η διαδικασία είναι μη επεμβατική και ανώδυνη. Το πλεονέκτημα του υπέρυθρου φωτός μικρού κύματος είναι η καλή διαπερατότητά του στον ιστό, έτσι ώστε να είναι προκαθορισμένο για ιατρική χρήση. Χρησιμοποιώντας σχεδόν υπέρυθρη φασματοσκοπία μέσω του κρανίου, η εγκεφαλική δραστηριότητα καθορίζεται μέσω των μετρούμενων δυναμικών αλλαγών στην περιεκτικότητα σε οξυγόνο στο αίμα. Αυτή η διαδικασία βασίζεται στην αρχή της νευροαγγειακής σύζευξης. Η νευροαγγειακή σύζευξη βασίζεται στο γεγονός ότι οι αλλαγές στη δραστηριότητα του εγκεφάλου σημαίνουν επίσης αλλαγές στην ενεργειακή απαίτηση και έτσι επίσης στην ανάγκη οξυγόνου.

Οποιαδήποτε αύξηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας απαιτεί επίσης υψηλότερη συγκέντρωση οξυγόνου στο αίμα, η οποία προσδιορίζεται με φασματοσκοπία σχεδόν υπέρυθρων. Το δεσμευτικό οξυγόνο υπόστρωμα στο αίμα είναι αιμοσφαιρίνη. Η αιμοσφαιρίνη είναι μια χρωστική που δεσμεύεται με πρωτεΐνη και εμφανίζεται σε δύο διαφορετικές μορφές. Υπάρχουν οξυγονωμένες και αποοξυγονωμένες αιμοσφαιρίνες. Αυτό σημαίνει ότι είναι είτε οξυγονωμένο είτε χωρίς οξυγόνο. Όταν μετακινείται από το ένα σχήμα στο άλλο, το χρώμα του αλλάζει. Αυτό επηρεάζει επίσης τη μετάδοση του φωτός. Το οξυγονωμένο αίμα είναι πιο διαπερατό στο υπέρυθρο φως από το αίμα με έλλειψη οξυγόνου.

Όταν το υπέρυθρο φως διέρχεται, οι διαφορές στο φορτίο οξυγόνου μπορούν να προσδιοριστούν. Οι αλλαγές στα φάσματα απορρόφησης υπολογίζονται και παρέχουν πληροφορίες σχετικά με την τρέχουσα εγκεφαλική δραστηριότητα. Σε αυτή τη βάση, το NIRS χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο ως μέθοδος απεικόνισης για την εμφάνιση της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Έτσι, η φασματοσκοπία σχεδόν υπέρυθρης ακτινοβολίας επιτρέπει επίσης τη διερεύνηση των γνωστικών διεργασιών, επειδή κάθε σκέψη δημιουργεί επίσης υψηλότερο επίπεδο δραστηριότητας του εγκεφάλου. Είναι επίσης δυνατό να εντοπιστούν οι περιοχές αυξημένης δραστηριότητας. Αυτή η μέθοδος είναι επίσης κατάλληλη για την πραγματοποίηση μιας οπτικής διεπαφής εγκεφάλου-υπολογιστή. Η διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή αντιπροσωπεύει μια διεπαφή μεταξύ ανθρώπων και υπολογιστών.

Μπορούν να χρησιμοποιήσουν τον υπολογιστή για να προκαλέσουν συγκεκριμένες ενέργειες, όπως η κίνηση των προθέσεων, με καθαρή δύναμη σκέψης. Άλλοι τομείς εφαρμογής του NIRS στην ιατρική σχετίζονται, μεταξύ άλλων, με την ιατρική έκτακτης ανάγκης. Οι συσκευές παρακολουθούν την παροχή οξυγόνου σε μονάδες εντατικής θεραπείας ή μετά τη χειρουργική επέμβαση. Αυτό εξασφαλίζει γρήγορη αντίδραση σε περίπτωση οξείας έλλειψης οξυγόνου. Η εγγύς υπέρυθρη φασματοσκοπία είναι επίσης χρήσιμη για την παρακολούθηση των κυκλοφοριακών διαταραχών ή για τη βελτιστοποίηση της παροχής οξυγόνου στους μυς κατά τη διάρκεια της προπόνησης.

Κίνδυνοι, παρενέργειες & κίνδυνοι

Η χρήση φασματοσκοπίας σχεδόν υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι χωρίς προβλήματα και δεν προκαλεί παρενέργειες. Η υπέρυθρη ακτινοβολία είναι χαμηλής ενέργειας ακτινοβολία που δεν βλάπτει βιολογικά σημαντικές ουσίες. Το γενετικό μακιγιάζ επίσης δεν επιτίθεται. Η ακτινοβολία διεγείρει μόνο τις διάφορες δονητικές καταστάσεις των βιολογικών μορίων. Η διαδικασία είναι επίσης μη επεμβατική και ανώδυνη.

Σε συνδυασμό με άλλες λειτουργικές μεθόδους, όπως MEG (μαγνητοεγκεφαλογραφία), fMRI (λειτουργική τομογραφία μαγνητικού συντονισμού), ΡΕΤ (τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων) ή SPECT (υπολογισμένη τομογραφία εκπομπής μονών φωτονίων), η φασματοσκοπία σχεδόν υπέρυθρης ακτινοβολίας μπορεί να απεικονίζει καλά τις δραστηριότητες του εγκεφάλου. Επιπλέον, η φασματοσκοπία σχεδόν υπέρυθρης ακτινοβολίας έχει μεγάλες δυνατότητες παρακολούθησης της συγκέντρωσης οξυγόνου στο φάρμακο εντατικής θεραπείας. Μια μελέτη στην Κλινική για την Καρδιοχειρουργική στο Lübeck δείχνει ότι οι λειτουργικοί κίνδυνοι στην καρδιακή χειρουργική μπορούν να προβλεφθούν πιο αξιόπιστα με τον προσδιορισμό του κορεσμού του εγκεφαλικού οξυγόνου με τη βοήθεια του NIRS παρά με τις προηγούμενες μεθόδους.

Η φασματοσκοπία εγγύς υπέρυθρων παρέχει επίσης καλά αποτελέσματα για άλλες εφαρμογές εντατικής θεραπείας. Για παράδειγμα, χρησιμοποιείται επίσης για την παρακολούθηση σοβαρών ασθενών σε μονάδες εντατικής θεραπείας προκειμένου να αποφευχθεί η έλλειψη οξυγόνου. Σε διάφορες μελέτες, το NIRS συγκρίνεται με συμβατικές μεθόδους παρακολούθησης. Οι μελέτες δείχνουν τις δυνατότητες, αλλά και τα όρια της φασματοσκοπίας σχεδόν υπέρυθρων.

Ωστόσο, όλο και πιο πολύπλοκες μετρήσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν λόγω των τεχνικών εξελίξεων της διαδικασίας τα τελευταία χρόνια. Αυτό επιτρέπει την καταγραφή των μεταβολικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα σε βιολογικούς ιστούς καλύτερα και καλύτερα και να τις αντιπροσωπεύουν γραφικά. Η εγγύς υπέρυθρη φασματοσκοπία θα παίξει ακόμη μεγαλύτερο ρόλο στην ιατρική στο μέλλον.