Netālu no infrasarkanās spektroskopijas

Netālu no infrasarkanās spektroskopijas ir analīzes metode, kuras pamatā ir elektromagnētiskā starojuma absorbcija īsviļņu infrasarkanās gaismas diapazonā. Tam ir plašs pielietojums ķīmijā, pārtikas tehnoloģijā un medicīnā. Medicīnā tā, cita starpā, ir attēlveidošanas metode smadzeņu darbības parādīšanai.

Kas ir tuvu infrasarkanajai spektroskopijai?

Tuvo infrasarkano staru spektroskopija, ko sauc arī par NIRS saīsināti, ir infrasarkanās spektroskopijas (IR spektroskopijas) apakšzona. Fiziski IR spektroskopijas pamatā ir elektromagnētiskā starojuma absorbcija, ierosinot svārstību stāvokļus molekulās un atomu grupās.

NIRS pēta materiālus, kas absorbē frekvenču diapazonā no 4000 līdz 13 000 vibrācijām uz cm. Tas atbilst viļņu garuma diapazonam no 2500 līdz 760 nm.Šajā diapazonā galvenokārt tiek ierosinātas ūdens molekulu un tādu funkcionālo grupu vibrācijas kā hidroksil-, amino-, karboksil- un CH grupas. Ja elektromagnētiskais starojums šajā frekvences diapazonā sasniedz atbilstošās vielas, vibrācijas tiek ierosinātas ar fotonu absorbciju ar raksturīgo frekvenci. Absorbcijas spektru reģistrē pēc tam, kad starojums ir izgājis cauri paraugam vai ir atspoguļots.

Pēc tam šis spektrs parāda absorbciju līniju veidā noteiktos viļņu garumos. Kombinācijā ar citām analīzes metodēm IR spektroskopija un it īpaši tuvās infrasarkanās spektroskopija var sniegt paziņojumus par pārbaudīto vielu molekulāro struktūru un tādējādi paver plašu pielietojumu spektru, sākot no ķīmiskajām analīzēm un beidzot ar rūpniecības un pārtikas tehnoloģiju pielietojumiem līdz medicīnai.

Funkcija, efekts un mērķi

Tuvo infrasarkano staru spektroskopiju medicīnā izmanto jau 30 gadus. Šeit to cita starpā izmanto kā attēlveidošanas metodi smadzeņu aktivitātes noteikšanai. Turklāt to var izmantot, lai izmērītu skābekļa saturu asinīs, asins tilpumu un asins plūsmu dažādos audos.

Procedūra ir neinvazīva un nesāpīga. Īstermiņa viļņu infrasarkanās gaismas priekšrocība ir labā caurlaidība audos, tāpēc tā ir paredzēta medicīniskai lietošanai. Izmantojot tuvu infrasarkano staru spektroskopiju caur galvaskausu, smadzeņu aktivitāti nosaka ar izmērītām dinamiskām skābekļa satura izmaiņām asinīs. Šīs procedūras pamatā ir neirovaskulārās savienošanas princips. Neirovaskulārā savienojuma pamatā ir fakts, ka smadzeņu aktivitātes izmaiņas nozīmē arī enerģijas vajadzības un tādējādi arī skābekļa nepieciešamības izmaiņas.

Jebkuram smadzeņu aktivitātes palielinājumam ir nepieciešama arī augstāka skābekļa koncentrācija asinīs, ko nosaka ar tuvu infrasarkano staru spektroskopiju. Skābekli saistošais substrāts asinīs ir hemoglobīns. Hemoglobīns ir ar olbaltumvielām saistīta krāsa, kas notiek divās dažādās formās. Ir hemoglobīns ar skābekli un dezoksigenēts. Tas nozīmē, ka tas ir vai nu ar skābekli vai bez skābekļa. Pārejot no vienas formas uz otru, tās krāsa mainās. Tas ietekmē arī gaismas caurlaidību. Asins ar skābekli ir vairāk caurlaidīgs infrasarkanajai gaismai nekā asinis ar skābekļa trūkumu.

Kad infrasarkanā gaisma iziet cauri, var noteikt skābekļa slodzes atšķirības. Tiek aprēķinātas absorbcijas spektra izmaiņas un tās sniedz informāciju par pašreizējo smadzeņu darbību. Pamatojoties uz to, NIRS arvien vairāk tiek izmantota kā attēlveidošanas metode, lai parādītu smadzeņu darbību. Tādējādi netālu infrasarkanā spektroskopija ļauj izpētīt arī izziņas procesus, jo katra doma rada arī augstāku smadzeņu aktivitātes līmeni. Ir arī iespējams noteikt paaugstinātas aktivitātes zonas. Šī metode ir piemērota arī smadzeņu un datora optiskā interfeisa realizēšanai. Smadzeņu un datora saskarne ir saskarne starp cilvēkiem un datoriem, jo ​​īpaši cilvēki ar fiziskiem traucējumiem no šīm sistēmām gūst labumu.

Viņi var izmantot datoru, lai ar tīru domu spēku izraisītu noteiktas darbības, piemēram, protēžu kustību. Citas NIRS piemērošanas jomas medicīnā cita starpā attiecas uz ārkārtas medicīnu. Ierīces kontrolē skābekļa piegādi intensīvās terapijas nodaļās vai pēc operācijām. Tas nodrošina ātru reakciju akūta skābekļa trūkuma gadījumā. Tuvās infrasarkanās spektroskopija ir noderīga arī asinsrites traucējumu uzraudzībai vai treniņa laikā lai optimizētu skābekļa piegādi muskuļiem.

Riski, blakusparādības un briesmas

Tuvās infrasarkanās spektroskopijas izmantošana ir bez problēmām un neizraisa blakusparādības. Infrasarkanais starojums ir zemas enerģijas starojums, kas nebojā bioloģiski svarīgas vielas. Arī ģenētiskajam grimam nav uzbrukuma. Apstarojums tikai stimulē dažādus bioloģisko molekulu vibrāciju stāvokļus. Procedūra ir arī neinvazīva un nesāpīga.

Kombinācijā ar citām funkcionālām metodēm, piemēram, MEG (magnetoencefalogrāfija), fMRI (funkcionālā magnētiskās rezonanses tomogrāfija), PET (pozitronu emisijas tomogrāfija) vai SPECT (viena fotona izstarojuma datortomogrāfija), tuvu infrasarkanā spektroskopija var labi attēlot smadzeņu darbības. Turklāt infrasarkanajai spektroskopijai ir liels potenciāls monitorēt skābekļa koncentrāciju intensīvās terapijas medicīnā. Lībekas Sirds ķirurģijas klīnikā veiktais pētījums parāda, ka sirds ķirurģijas operāciju risku var ticamāk paredzēt, nosakot smadzeņu piesātinājumu ar skābekli ar NIRS palīdzību nekā ar iepriekšējām metodēm.

Tuvo infrasarkano staru spektroskopija nodrošina labus rezultātus arī citās intensīvās terapijas programmās. Piemēram, to izmanto arī smagi slimu pacientu uzraudzībai intensīvās terapijas nodaļās, lai novērstu skābekļa trūkumu. Dažādos pētījumos NIRS tiek salīdzināts ar parastajām uzraudzības metodēm. Pētījumi parāda ne tikai infrasarkanās spektroskopijas potenciālu, bet arī robežas.

Tomēr pēdējos gados procesa tehniskās attīstības dēļ var veikt arvien sarežģītākus mērījumus. Tas ļauj labāk un labāk reģistrēt bioloģiskajos audos notiekošos metabolisma procesus un tos attēlot grafiski. Tuvāka infrasarkanā spektroskopija nākotnē medicīnā spēlēs vēl lielāku lomu.