Nabij-infraroodspectroscopie is een analytische methode gebaseerd op de absorptie of electromagnetische straling in het bereik van kortgolvig infrarood licht. Het heeft veel toepassingen in de chemie, levensmiddelentechnologie en geneeskunde. In de geneeskunde is het onder meer een beeldvormende methode om te laten zien hersenen activiteit.
Wat is nabij-infraroodspectroscopie?
In de geneeskunde is nabij-infraroodspectroscopie onder meer een beeldvormende techniek om te laten zien hersenen activiteit. Nabij-infraroodspectroscopie, ook afgekort als NIRS, is een tak van infraroodspectroscopie (IR-spectroscopie). Fysiek is IR-spectroscopie gebaseerd op de absorptie of electromagnetische straling door excitatie van vibratietoestanden in moleculen en groepen atomen. NIRS onderzoekt materialen die in het frequentiebereik van 4,000 tot 13,000 trillingen per cm absorberen. Dit komt overeen met het golflengtebereik van 2500 tot 760 nm. In dit bereik zijn trillingen van water moleculen en functionele groepen, zoals de hydroxyl-, amino-, carboxyl- en de CH-groep, worden voornamelijk geëxciteerd. Wanneer electromagnetische straling van dit frequentiebereik treft de overeenkomstige stoffen, excitatie van de trillingen treedt op met absorptie van fotonen met een karakteristieke frequentie. Nadat de straling door het monster is gegaan of is gereflecteerd, wordt het absorptiespectrum geregistreerd. Dit spectrum toont dan de absorpties in de vorm van lijnen bij specifieke golflengten. In combinatie met andere analytische technieken kunnen IR-spectroscopie en in het bijzonder nabij-infraroodspectroscopie informatie verschaffen over de moleculaire structuur van de onderzochte stoffen, waardoor een breed scala aan toepassingen mogelijk wordt, van chemische analyse tot industriële en voedseltoepassingen tot medicijnen.
Functie, effect en doelen
Nabij-infraroodspectroscopie wordt al 30 jaar in de geneeskunde gebruikt. Hier dient het onder meer als beeldvormingsmethode bij het bepalen van hersenen activiteit. Bovendien kan het worden gebruikt om de zuurstof inhoud van de bloedbloed volume, en de bloedstroom in verschillende weefsels. De procedure is niet-invasief en pijnloos. Het voordeel van kortgolvig infrarood licht is de goede weefseldoorlaatbaarheid, waardoor het vrijwel voorbestemd is voor medische toepassingen. Met behulp van nabij-infraroodspectroscopie door het kalotje wordt de hersenactiviteit bepaald door de gemeten dynamische veranderingen van de zuurstof inhoud in het bloed Deze methode is gebaseerd op het principe van neurovasculaire koppeling. Neurovasculaire koppeling is gebaseerd op het feit dat veranderingen in hersenactiviteit ook veranderingen in de energievraag en dus ook betekenen zuurstof vraag naar. Elke toename van hersenactiviteit vereist ook een hogere concentratie zuurstof in de bloed, zoals bepaald door nabij-infraroodspectroscopie. Het zuurstofbindende substraat in het bloed is hemoglobine. Hemoglobine is een eiwitgebonden pigment dat in twee verschillende toestandsvormen voorkomt. Er is zuurstofrijk en zuurstofarm hemoglobine Dit betekent dat het ofwel geoxygeneerd of gedeoxygeneerd is. Wanneer het van de ene vorm naar de andere verandert, verandert de kleur. Dit heeft ook invloed op de doorlaatbaarheid van licht. Zuurstofrijk bloed is transparanter voor infrarood licht dan zuurstofarm bloed. Dus wanneer het infrarood licht doorlaat, kunnen de verschillen in zuurstofbelasting worden bepaald. De veranderingen in de absorptiespectra worden berekend en bieden conclusies over instantane hersenactiviteit. Op basis hiervan wordt NIRS nu steeds meer gebruikt als beeldvormende techniek om hersenactiviteit te visualiseren. Met nabij-infraroodspectroscopie kunnen dus ook cognitieve processen worden bestudeerd, omdat elke gedachte ook een hogere hersenactiviteit genereert. Het is ook mogelijk om de gebieden met verhoogde activiteit te lokaliseren. Deze methode is ook geschikt voor de realisatie van een optische hersencomputerinterface. De brein-computerinterface vertegenwoordigt een interface tussen mens en computer. Vooral lichamelijk gehandicapten hebben baat bij deze systemen. Zo kunnen ze via de computer met pure denkkracht bepaalde acties triggeren, zoals het bewegen van prothesen. Andere toepassingen van NIRS in de geneeskunde zijn onder meer noodgeval medicijn De apparaten bewaken bijvoorbeeld de zuurstoftoevoer op intensive care-afdelingen of na operaties, wat zorgt voor een snelle respons bij acuut zuurstoftekort. Nabij-infraroodspectroscopie presteert ook goed in Grensverkeer circulatiestoornissen of het optimaliseren van de zuurstoftoevoer naar de spier tijdens het sporten.
Risico's, bijwerkingen en gevaren
Het gebruik van nabij-infraroodspectroscopie is probleemloos en veroorzaakt geen bijwerkingen. Infrarood straling is een energiezuinige straling die dat niet doet leiden op eventuele schade aan biologisch belangrijke stoffen. Zelfs het genetisch materiaal wordt niet aangevallen. De straling veroorzaakt alleen excitatie van de verschillende vibratietoestanden van biologisch moleculen De procedure is ook niet-invasief en pijnloos. In combinatie met andere functionele methoden, zoals MEG (magneto-encefalografie), fMRI (functioneel MRI), HUISDIER (positronemissietomografie), of SPECT (enkele fotonemissie computertomografie), kan nabij-infraroodspectroscopie de hersenactiviteit goed in beeld brengen. Bovendien heeft nabij-infraroodspectroscopie een groot potentieel in Grensverkeer zuurstof concentratie in kritieke zorg. Een onderzoek aan de kliniek voor hartchirurgie in Lübeck toont bijvoorbeeld aan dat chirurgische risico's bij hartchirurgie betrouwbaarder kunnen worden voorspeld dan met eerdere methoden door de cerebrale zuurstofsaturatie te bepalen met behulp van NIRS. Nabij-infraroodspectroscopie levert ook goede resultaten op bij andere intensive care-toepassingen. Het wordt bijvoorbeeld ook gebruikt om ernstig zieke patiënten op intensive care-afdelingen te volgen om hypoxie te voorkomen. In verschillende onderzoeken wordt NIRS vergeleken met conventionele methoden voor Grensverkeer De onderzoeken tonen het potentieel, maar ook de beperkingen van nabij-infraroodspectroscopie aan. De technische vooruitgang in de techniek van de afgelopen jaren heeft het echter mogelijk gemaakt om steeds complexere metingen uit te voeren. Hierdoor kunnen de stofwisselingsprocessen die plaatsvinden in een biologisch weefsel steeds nauwkeuriger worden vastgelegd en in beeld gebracht. Nabij-infraroodspectroscopie zal in de toekomst een nog grotere rol spelen in de geneeskunde.
