Infrapunaspektroskoopia lähedal

Infrapunaspektroskoopia lähedal on analüüsimeetod, mis põhineb elektromagnetilise kiirguse neeldumisel lühilaine infrapunavalguse vahemikus. Sellel on lai kasutusala keemias, toidutehnoloogias ja meditsiinis. Meditsiinis on see muu hulgas kuvamismeetod aju aktiivsuse kuvamiseks.

Mis on infrapunaspektroskoopia lähedal?

Lähis-infrapunaspektroskoopia, mida nimetatakse ka NIRS lühendatult on infrapunaspektroskoopia (IR-spektroskoopia) alampiirkond. Füüsiliselt põhineb IR-spektroskoopia elektromagnetilise kiirguse neeldumisel molekulides ja aatomirühmades esinevate võnkeseisundite ergastamise kaudu.

NIRS uurib materjale, mis neelavad sagedusvahemikus 4000 kuni 13 000 vibratsiooni sentimeetri kohta. See vastab lainepikkuse vahemikule 2500 kuni 760 nm. Selles vahemikus erutuvad peamiselt veemolekulide ja funktsionaalrühmade nagu hüdroksüül-, amino-, karboksüül- ja CH-rühmade vibratsioonid. Kui selles sagedusvahemikus langeb elektromagnetiline kiirgus vastavatele ainetele, ergastatakse vibratsiooni iseloomuliku sagedusega footonite neeldumisega. Neeldumisspekter registreeritakse pärast seda, kui kiirgus on proovis läbinud või peegeldub.

See spekter näitab seejärel neeldumist joonte kujul teatud lainepikkustel. IR-spektroskoopia ja eriti lähi-infrapunaspektroskoopia võib koos teiste analüüsimeetoditega teha avaldusi uuritud ainete molekulaarstruktuuri kohta ja avab seeläbi suure hulga rakendusi, alates keemilistest analüüsidest kuni tööstus- ja toidutehnoloogia rakenduste ja meditsiinini.

Funktsioon, mõju ja eesmärgid

Infrapuna-lähispektroskoopiat on meditsiinis kasutatud 30 aastat. Siin kasutatakse seda muu hulgas kuvamismeetodina aju aktiivsuse määramiseks. Lisaks saab seda kasutada vere hapnikusisalduse, veremahu ja verevoolu mõõtmiseks erinevates kudedes.

Protseduur on mitteinvasiivne ja valutu. Lühilaine infrapunavalguse eeliseks on selle hea koe läbilaskvus, nii et see on ette nähtud meditsiiniliseks kasutamiseks. Kasutades koljuosa kaudu lähi-infrapunaspektroskoopiat, määratakse aju aktiivsus veres mõõdetud dünaamiliste muutustega hapnikusisalduses. See protseduur põhineb neurovaskulaarse sidumise põhimõttel. Neurovaskulaarne sidumine põhineb asjaolul, et muutused aju tegevuses tähendavad ka muutusi energiavajaduses ja seega ka hapnikuvajaduses.

Aju aktiivsuse mis tahes suurenemine eeldab ka kõrgemat hapniku kontsentratsiooni veres, mis määratakse lähi-infrapunaspektroskoopia abil. Hapniku siduv substraat veres on hemoglobiin. Hemoglobiin on valkudega seotud värvaine, mis esineb kahel erineval kujul. Seal on hapniku- ja hapnikuvabad hemoglobiin. See tähendab, et see on kas hapniku- või hapnikuvaba. Ühest kujust teise liikudes muutub selle värv. See mõjutab ka valguse edastamist. Hapnikuga rikastatud veri on infrapunavalgust paremini läbilaskev kui hapnikuvaegusega veri.

Kui infrapunavalgus läbib, saab kindlaks teha hapniku koormuse erinevused. Neeldumisspektri muutused arvutatakse ja need annavad teavet aju praeguse aktiivsuse kohta. Selle põhjal kasutatakse NIRSi nüüd üha enam pildistamismeetodina aju aktiivsuse kuvamiseks. Seega võimaldab lähi-infrapunaspektroskoopia uurida ka kognitiivseid protsesse, sest iga mõte tekitab ka kõrgema ajutegevuse taseme. Samuti on võimalik tuvastada suurenenud aktiivsuse piirkonnad. See meetod sobib ka aju-arvuti optilise liidese realiseerimiseks. Aju-arvuti liides kujutab endast liidest inimeste ja arvutite vahel. Nendest süsteemidest saavad kasu eelkõige füüsilise puudega inimesed.

Puhta mõttejõuga saavad nad arvutit kasutada teatud toimingute, näiteks proteeside liikumise käivitamiseks. Muud NIRSi rakendusalad meditsiinis on muu hulgas seotud erakorralise meditsiini valdkonnaga. Seadmed jälgivad hapnikuvarustust intensiivraviosakondades või pärast operatsioone. See tagab kiire reageerimise ägeda hapnikupuuduse korral. Infrapuna-lähispektroskoopia on kasulik ka vereringehäirete jälgimiseks või lihaste hapnikuvarustuse optimeerimiseks treeningu ajal.

Riskid, kõrvaltoimed ja ohud

Lähis-infrapunaspektroskoopia kasutamine on probleemivaba ega põhjusta kõrvaltoimeid. Infrapunakiirgus on vähese energiatarbimisega kiirgus, mis ei kahjusta bioloogiliselt olulisi aineid. Ka geneetilist meiki ei rünnata. Kiirgus stimuleerib ainult bioloogiliste molekulide erinevaid vibratsioonilisi seisundeid. Protseduur on ka mitteinvasiivne ja valutu.

Kombineeritult teiste funktsionaalsete meetoditega, näiteks MEG (magnetoentsefalograafia), fMRI (funktsionaalne magnetresonantstomograafia), PET (positronemissioontomograafia) või SPECT (ühe footoni emissiooniga kompuutertomograafia), võib infrapuna-lähispektroskoopia kujutada aju tegevust hästi. Lisaks on infrapuna-lähispektroskoopial suur potentsiaal hapniku kontsentratsiooni jälgimiseks intensiivravis. Lübecki südamekirurgia kliinikus korraldatud uuring näitab, et südameoperatsiooni operatsiooniriske saab usaldusväärsemalt ennustada, määrates aju hapniku küllastumise NIRS-i abil kui varasemate meetoditega.

Infrapuna-lähtespektroskoopia annab häid tulemusi ka teiste intensiivravirakenduste jaoks. Näiteks kasutatakse seda ka intensiivraviosakondades raskelt haigete patsientide jälgimiseks hapnikuvaeguse vältimiseks. Erinevates uuringutes võrreldi NIRSi tavapäraste seiremeetoditega. Uuringud näitavad lähi-infrapunaspektroskoopia potentsiaali, aga ka piire.

Protsessi viimaste aastate tehnilise arengu tõttu on siiski võimalik teha üha keerukamaid mõõtmisi. See võimaldab bioloogilises koes toimuvaid ainevahetusprotsesse paremini registreerida ja graafiliselt kajastada. Infrapuna-lähtespektroskoopia mängib tulevikus meditsiinis veelgi suuremat rolli.