Nabij-infraroodspectroscopie

De Nabij-infraroodspectroscopie is een analysemethode gebaseerd op de absorptie van elektromagnetische straling in het bereik van kortgolvig infrarood licht. Het heeft een breed scala aan toepassingen in de chemie, levensmiddelentechnologie en geneeskunde. In de geneeskunde is het onder meer een beeldvormende methode om hersenactiviteit in beeld te brengen.

Wat is nabij-infraroodspectroscopie?

Nabij-infraroodspectroscopie, ook wel NIRS afgekort, is een deelgebied van infraroodspectroscopie (IR-spectroscopie). Fysiek is IR-spectroscopie gebaseerd op de absorptie van elektromagnetische straling door de excitatie van oscillatietoestanden in moleculen en groepen atomen.

De NIRS onderzoekt materialen die absorberen in het frequentiebereik van 4.000 tot 13.000 trillingen per cm. Dit komt overeen met het golflengtebereik van 2500 tot 760 nm In dit bereik worden voornamelijk trillingen van watermoleculen en functionele groepen zoals de hydroxyl-, amino-, carboxyl- en CH-groepen opgewekt. Als elektromagnetische straling in dit frequentiebereik de corresponderende stoffen treft, worden de trillingen opgewekt bij absorptie van fotonen met een karakteristieke frequentie. Het absorptiespectrum wordt geregistreerd nadat de straling door het monster is gegaan of is gereflecteerd.

Dit spectrum toont dan de absorpties in de vorm van lijnen bij bepaalde golflengten. In combinatie met andere analysemethoden kan IR-spectroscopie en in het bijzonder nabij-infraroodspectroscopie uitspraken doen over de moleculaire structuur van de onderzochte stoffen en opent zo een breed scala aan toepassingen, van chemische analyses tot industriële en levensmiddelentechnologische toepassingen tot geneeskunde.

Functie, effect en doelen

Nabij-infraroodspectroscopie wordt al 30 jaar in de geneeskunde gebruikt. Hier wordt het onder meer gebruikt als beeldvormingsmethode voor het bepalen van hersenactiviteit. Daarnaast kan het worden gebruikt om het zuurstofgehalte van het bloed, het bloedvolume en de doorbloeding in verschillende weefsels te meten.

De procedure is niet-invasief en pijnloos. Het voordeel van het kortgolvige infraroodlicht is de goede weefseldoorlaatbaarheid, waardoor het voorbestemd is voor medisch gebruik. Met behulp van nabij-infraroodspectroscopie door het kalotje wordt de hersenactiviteit bepaald door de gemeten dynamische veranderingen in het zuurstofgehalte in het bloed. Deze procedure is gebaseerd op het principe van neurovasculaire koppeling. De neurovasculaire koppeling is gebaseerd op het feit dat veranderingen in hersenactiviteit ook veranderingen in de energiebehoefte en dus ook de zuurstofbehoefte betekenen.

Elke toename van hersenactiviteit vereist ook een hogere zuurstofconcentratie in het bloed, die wordt bepaald door nabij-infraroodspectroscopie. Het zuurstofbindende substraat in het bloed is hemoglobine. Hemoglobine is een eiwitgebonden kleurstof die in twee verschillende vormen voorkomt. Er zijn zuurstofrijke en zuurstofarme hemoglobine. Dat betekent dat het ofwel zuurstofrijk ofwel zuurstofvrij is. Bij het verplaatsen van de ene vorm naar de andere, verandert de kleur. Dit heeft ook invloed op de lichttransmissie. Zuurstofrijk bloed is meer doorlaatbaar voor infrarood licht dan zuurstofarm bloed.

Wanneer het infrarood licht doorlaat, kunnen de verschillen in zuurstofbelasting worden bepaald. De veranderingen in de absorptiespectra worden berekend en geven informatie over de huidige hersenactiviteit. Op basis hiervan wordt NIRS nu steeds meer gebruikt als beeldvormingsmethode om hersenactiviteit weer te geven. Nabij-infraroodspectroscopie maakt het dus ook mogelijk om cognitieve processen te onderzoeken, omdat elke gedachte ook een hoger niveau van hersenactiviteit genereert. Het is ook mogelijk om de gebieden met verhoogde activiteit te lokaliseren. Deze methode is ook geschikt voor het realiseren van een optische hersencomputerinterface. De brein-computer interface vormt een interface tussen mens en computer, vooral lichamelijk gehandicapten hebben baat bij deze systemen.

Ze kunnen de computer gebruiken om met puur denkvermogen bepaalde acties, zoals het bewegen van prothesen, te triggeren. Andere toepassingsgebieden van NIRS in de geneeskunde hebben onder meer betrekking op spoedeisende geneeskunde. De apparaten bewaken de zuurstoftoevoer op intensive care-afdelingen of na operaties. Dit zorgt voor een snelle reactie bij acuut zuurstofgebrek. Nabij-infraroodspectroscopie is ook nuttig voor het bewaken van circulatiestoornissen of het optimaliseren van de zuurstoftoevoer naar de spieren tijdens de training.

Risico's, bijwerkingen en gevaren

Het gebruik van nabij-infraroodspectroscopie is probleemloos en veroorzaakt geen bijwerkingen. Infraroodstraling is energiezuinige straling die biologisch belangrijke stoffen niet beschadigt. De genetische samenstelling wordt ook niet aangevallen. De straling stimuleert alleen de verschillende vibratietoestanden van biologische moleculen. De procedure is ook niet-invasief en pijnloos.

In combinatie met andere functionele methoden zoals MEG (magneto-encefalografie), fMRI (functionele magnetische resonantie tomografie), PET (positron emissie tomografie) of SPECT (enkele foton emissie computertomografie), kan nabij infrarood spectroscopie hersenactiviteiten goed visualiseren. Bovendien heeft nabij-infraroodspectroscopie een groot potentieel voor het bewaken van de zuurstofconcentratie in de intensive care-geneeskunde. Een onderzoek aan de kliniek voor hartchirurgie in Lübeck toont bijvoorbeeld aan dat operationele risico's bij hartchirurgie betrouwbaarder kunnen worden voorspeld door de cerebrale zuurstofsaturatie te bepalen met behulp van NIRS dan met eerdere methoden.

Nabij-infraroodspectroscopie levert ook goede resultaten op voor andere toepassingen op de intensive care. Het wordt bijvoorbeeld ook gebruikt om ernstig zieke patiënten op intensive care-afdelingen te volgen om een ​​zuurstoftekort te voorkomen. In verschillende onderzoeken wordt NIRS vergeleken met conventionele monitoringmethoden. De onderzoeken tonen het potentieel, maar ook de beperkingen van nabij-infraroodspectroscopie aan.

Door technische ontwikkelingen van het proces van de afgelopen jaren kunnen echter steeds complexere metingen worden uitgevoerd. Hierdoor kunnen de stofwisselingsprocessen die plaatsvinden in biologisch weefsel steeds beter worden geregistreerd en grafisch worden weergegeven. Nabij-infraroodspectroscopie zal in de toekomst een nog grotere rol spelen in de geneeskunde.