Spettroscopia nel vicino infrarosso

Il Spettroscopia nel vicino infrarosso è un metodo di analisi basato sull'assorbimento della radiazione elettromagnetica nell'intervallo della luce infrarossa a onde corte. Ha una vasta gamma di usi in chimica, tecnologia alimentare e medicina. In medicina, è, tra le altre cose, un metodo di imaging per visualizzare l'attività cerebrale.

Cos'è la spettroscopia nel vicino infrarosso?

Spettroscopia nel vicino infrarosso, chiamata anche NIRS abbreviato, è una sotto-area della spettroscopia infrarossa (spettroscopia IR). Fisicamente, la spettroscopia IR si basa sull'assorbimento della radiazione elettromagnetica attraverso l'eccitazione di stati di oscillazione in molecole e gruppi di atomi.

Il NIRS esamina i materiali che assorbono nella gamma di frequenze da 4.000 a 13.000 vibrazioni per cm. Ciò corrisponde all'intervallo di lunghezze d'onda compreso tra 2500 e 760 nm In questo intervallo, le vibrazioni delle molecole d'acqua e dei gruppi funzionali come i gruppi idrossile, ammino, carbossile e CH sono principalmente eccitati. Se la radiazione elettromagnetica in questo intervallo di frequenza colpisce le sostanze corrispondenti, le vibrazioni vengono eccitate con l'assorbimento di fotoni con una frequenza caratteristica. Lo spettro di assorbimento viene registrato dopo che la radiazione è passata attraverso il campione o è stata riflessa.

Questo spettro mostra quindi gli assorbimenti sotto forma di linee a determinate lunghezze d'onda. In combinazione con altri metodi di analisi, la spettroscopia IR e, in particolare, la spettroscopia nel vicino infrarosso possono fare affermazioni sulla struttura molecolare delle sostanze esaminate e quindi aprire una vasta gamma di applicazioni, dalle analisi chimiche alle applicazioni di tecnologia industriale e alimentare alla medicina.

Funzione, effetto e obiettivi

La spettroscopia nel vicino infrarosso è utilizzata in medicina da 30 anni. Qui viene utilizzato, tra le altre cose, come metodo di imaging per determinare l'attività cerebrale. Inoltre, può essere utilizzato per misurare il contenuto di ossigeno nel sangue, il volume del sangue e il flusso sanguigno in vari tessuti.

La procedura è non invasiva e indolore. Il vantaggio della luce infrarossa a onde corte è la sua buona permeabilità ai tessuti, quindi è predestinata per uso medico. Utilizzando la spettroscopia nel vicino infrarosso attraverso la calotta cranica, l'attività cerebrale viene determinata attraverso i cambiamenti dinamici misurati nel contenuto di ossigeno nel sangue. Questa procedura si basa sul principio dell'accoppiamento neurovascolare. L'accoppiamento neurovascolare si basa sul fatto che i cambiamenti nell'attività cerebrale significano anche cambiamenti nel fabbisogno energetico e quindi anche nel fabbisogno di ossigeno.

Qualsiasi aumento dell'attività cerebrale richiede anche una maggiore concentrazione di ossigeno nel sangue, che è determinata dalla spettroscopia nel vicino infrarosso. Il substrato legante l'ossigeno nel sangue è l'emoglobina. L'emoglobina è un colorante legato alle proteine ​​che si presenta in due forme diverse. Esistono emoglobina ossigenata e deossigenata. Ciò significa che è ossigenato o privo di ossigeno. Quando si passa da una forma all'altra, il suo colore cambia. Ciò influisce anche sulla trasmissione della luce. Il sangue ossigenato è più permeabile alla luce infrarossa rispetto al sangue carente di ossigeno.

Quando la luce infrarossa passa attraverso, è possibile determinare le differenze nel carico di ossigeno. I cambiamenti negli spettri di assorbimento vengono calcolati e forniscono informazioni sull'attività cerebrale corrente. Su questa base, il NIRS viene ora sempre più utilizzato come metodo di imaging per visualizzare l'attività cerebrale. Pertanto, la spettroscopia nel vicino infrarosso consente anche l'indagine dei processi cognitivi, perché ogni pensiero genera anche un livello più elevato di attività cerebrale. È anche possibile individuare le aree di maggiore attività. Questo metodo è adatto anche per realizzare un'interfaccia ottica cervello-computer. L'interfaccia cervello-computer rappresenta un'interfaccia tra uomo e computer, in particolare le persone con handicap fisici beneficiano di questi sistemi.

Possono utilizzare il computer per attivare determinate azioni, come il movimento di protesi, con pura forza di pensiero. Altre aree di applicazione della NIRS in medicina riguardano, tra l'altro, la medicina d'urgenza. I dispositivi monitorano l'apporto di ossigeno nelle unità di terapia intensiva o dopo le operazioni. Ciò garantisce una reazione rapida in caso di acuta mancanza di ossigeno. La spettroscopia nel vicino infrarosso è utile anche per monitorare i disturbi circolatori o per ottimizzare l'apporto di ossigeno ai muscoli durante l'allenamento.

Rischi, effetti collaterali e pericoli

L'uso della spettroscopia nel vicino infrarosso è privo di problemi e non causa effetti collaterali. La radiazione infrarossa è una radiazione a bassa energia che non danneggia le sostanze biologicamente importanti. Anche il trucco genetico non viene attaccato. La radiazione stimola solo i vari stati vibrazionali delle molecole biologiche. La procedura è anche non invasiva e indolore.

In combinazione con altri metodi funzionali, come MEG (magnetoencefalografia), fMRI (tomografia a risonanza magnetica funzionale), PET (tomografia a emissione di positroni) o SPECT (tomografia computerizzata a emissione di fotone singolo), la spettroscopia nel vicino infrarosso può rappresentare bene le attività cerebrali. Inoltre, la spettroscopia nel vicino infrarosso ha un grande potenziale per il monitoraggio della concentrazione di ossigeno nella medicina di terapia intensiva. Uno studio presso la Clinic for Cardiac Surgery di Lubecca mostra che i rischi operativi in ​​cardiochirurgia possono essere previsti in modo più affidabile determinando la saturazione di ossigeno cerebrale con l'aiuto del NIRS rispetto ai metodi precedenti.

La spettroscopia nel vicino infrarosso fornisce anche buoni risultati per altre applicazioni di terapia intensiva. Ad esempio, viene utilizzato anche per monitorare i pazienti gravemente ammalati nelle unità di terapia intensiva al fine di evitare una carenza di ossigeno. In vari studi, il NIRS viene confrontato con i metodi di monitoraggio convenzionali. Gli studi mostrano il potenziale, ma anche i limiti della spettroscopia nel vicino infrarosso.

Tuttavia, è possibile effettuare misurazioni sempre più complesse a causa degli sviluppi tecnici del processo negli ultimi anni. Ciò consente di registrare sempre meglio i processi metabolici che avvengono nel tessuto biologico e di rappresentarli graficamente. La spettroscopia nel vicino infrarosso giocherà un ruolo ancora maggiore in medicina in futuro.