Nærinfrarød spektroskopi er en analytisk metode basert på absorpsjon of elektromagnetisk stråling i området kortbølget infrarødt lys. Den har mange anvendelser innen kjemi, matteknologi og medisin. I medisin er det blant annet en avbildningsmetode for å vise hjerne aktivitet.
Hva er nær-infrarød spektroskopi?
I medisin er nær-infrarød spektroskopi blant annet en bildebehandlingsteknikk for visning hjerne aktivitet. Nær-infrarød spektroskopi, også forkortet NIRS, er en gren av infrarød spektroskopi (IR-spektroskopi). Fysisk er IR-spektroskopi basert på absorpsjon of elektromagnetisk stråling ved eksitasjon av vibrasjonstilstander i molekyler og grupper av atomer. NIRS undersøker materialer som absorberer i frekvensområdet 4,000 til 13,000 vibrasjoner per cm. Dette tilsvarer bølgelengdeområdet fra 2500 til 760 nm. I dette området, vibrasjoner av Vann molekyler og funksjonelle grupper, så som hydroksyl-, amino-, karboksyl- samt CH-gruppen, er hovedsakelig begeistret. Når elektromagnetisk stråling av dette frekvensområdet treffer de tilsvarende stoffene, oppstår eksitasjon av vibrasjonene med absorpsjon av fotoner med en karakteristisk frekvens. Etter at strålingen har passert gjennom prøven eller har blitt reflektert, blir absorpsjonsspekteret registrert. Dette spekteret viser deretter absorpsjonene i form av linjer ved spesifikke bølgelengder. I kombinasjon med andre analytiske teknikker kan IR-spektroskopi og, spesielt, nær-infrarød spektroskopi gi informasjon om molekylstrukturen til stoffene som undersøkes, og åpne for et bredt spekter av applikasjoner fra kjemisk analyse til industri- og næringsmiddelapplikasjoner til medisin.
Funksjon, effekt og mål
Nær-infrarød spektroskopi har allerede blitt brukt i medisin i 30 år. Her tjener den blant annet som en avbildningsmetode i bestemmelsen av hjerne aktivitet. Videre kan den brukes til å måle oksygen innholdet i blod, blod volumog blodstrøm i forskjellige vev. Prosedyren er ikke-invasiv og smertefri. Fordelen med kortbølget infrarødt lys er dets gode vevspermeabilitet, noe som gjør det praktisk talt forutbestemt for medisinsk bruk. Ved å bruke nærinfrarød spektroskopi gjennom hodeskallen, bestemmes hjerneaktiviteten av de målte dynamiske endringene i oksygen innhold i blod. Denne metoden er basert på prinsippet om neurovaskulær kobling. Neurovaskulær kobling er basert på at endringer i hjerneaktivitet også betyr endringer i energibehov og derfor oksygen kreve. Enhver økning i hjerneaktivitet krever også en høyere konsentrasjon av oksygen i blod, som bestemt ved nær-infrarød spektroskopi. Det oksygenbindende substratet i blodet er hemoglobin. hemoglobin er et proteinbundet pigment som forekommer i to forskjellige tilstandsformer. Det er oksygenert og deoksygenert hemoglobin. Dette betyr at den enten er oksygenert eller deoksygenert. Når den skifter fra en form til en annen, endres fargen. Dette påvirker også lysoverføring. Oksygenert blod er mer gjennomsiktig for infrarødt lys enn oksygenutarmet blod. Når infrarødt lys passerer gjennom, kan forskjellene i oksygenbelastning bestemmes. Endringene i absorpsjonsspektrene beregnes og gir konklusjoner om øyeblikkelig hjerneaktivitet. På dette grunnlag blir NIRS nå i økende grad brukt som bildebehandlingsteknikk for å visualisere hjerneaktivitet. Dermed tillater nær-infrarød spektroskopi også studiet av kognitive prosesser, fordi enhver tanke også genererer høyere hjerneaktivitet. Det er også mulig å lokalisere områdene med økt aktivitet. Denne metoden er også egnet for realisering av et optisk hjerne-datamaskingrensesnitt. Hjernen-datamaskingrensesnittet representerer et grensesnitt mellom mennesker og datamaskiner. Spesielt fysisk funksjonshemmede har nytte av disse systemene. For eksempel kan de utløse visse handlinger via datamaskinen med ren tankekraft, for eksempel bevegelse av proteser. Andre anvendelser av NIRS i medisin inkluderer nødsmedisin. Enhetene overvåker for eksempel oksygentilførselen på intensivavdelinger eller etter operasjoner. Dette sikrer rask respons i tilfelle akutt oksygenmangel. Nær-infrarød spektroskopi fungerer også bra i overvåking sirkulasjonsforstyrrelser eller optimalisere oksygentilførsel til muskelen under trening.
Risiko, bivirkninger og farer
Bruken av nær-infrarød spektroskopi er problemfri og forårsaker ingen bivirkninger. Infrarød stråling er en lavenergistråling som ikke gjør det føre til skade på biologisk viktige stoffer. Selv det genetiske materialet blir ikke angrepet. Strålingen forårsaker bare eksitasjon av de forskjellige biologiske vibrasjonstilstandene molekyler. Fremgangsmåten er også ikke-invasiv og smertefri. I kombinasjon med andre funksjonelle metoder, som MEG (magnetoencefalografi), fMRI (funksjonell magnetisk resonansbilder), KJÆLEDYR (positron utslipp tomografi) eller SPECT (enkelt fotonutslipp datatomografi), kan nær-infrarød spektroskopi avbilde hjerneaktivitet godt. Videre har nær-infrarød spektroskopi stort potensiale i overvåking oksygen konsentrasjon i kritisk omsorg. For eksempel viser en studie ved Clinic for Cardiac Surgery i Lübeck at kirurgiske risikoer i hjertekirurgi kan forutsies mer pålitelig enn med tidligere metoder ved å bestemme cerebral oksygenmetning ved bruk av NIRS. Nær-infrarød spektroskopi gir også gode resultater i andre intensivapplikasjoner. For eksempel brukes den også til å overvåke kritisk syke pasienter på intensivavdelinger for å avverge hypoksi. I ulike studier sammenlignes NIRS med konvensjonelle metoder for overvåking. Studiene viser potensialet, men også begrensningene ved nær-infrarød spektroskopi. Imidlertid har tekniske fremskritt innen teknikken de siste årene gjort det mulig å utføre stadig mer komplekse målinger. Dette gjør at metabolske prosesser som foregår i et biologisk vev kan registreres og avbildes enda mer nøyaktig. Nær-infrarød spektroskopi vil spille en enda større rolle i medisinen i fremtiden.
