近赤外分光法

の 近赤外分光法 は、短波赤外光の範囲での電磁放射の吸収に基づく分析方法です。それは、化学、食品技術および医学における幅広い用途を持っています。医学では、それはとりわけ、脳活動を表示するための画像化方法です。

近赤外分光法とは何ですか？

近赤外分光法、別名 NIRS 略して、赤外線分光法（IR分光法）のサブエリアです。物理的には、IR分光法は、分子や原子のグループの振動状態の励起による電磁放射の吸収に基づいています。

NIRSは、1 cmあたりの振動数が4,000〜13,000の周波数範囲で吸収する材料を調べます。これは2500〜760 nmの波長範囲に対応し、主に水分子や水酸基、アミノ基、カルボキシル基、CH基などの官能基の振動が励起されます。この周波数範囲の電磁放射が対応する物質に当たると、固有の周波数の光子が吸収されて振動が励起されます。吸収スペクトルは、放射線がサンプルを通過した後、または反射した後に記録されます。

このスペクトルは、特定の波長で線の形で吸収を示します。他の分析方法と組み合わせて、IR分光法、特に近赤外分光法は、調査される物質の分子構造についての記述を行うことができるため、化学分析から産業および食品技術への応用、医療への幅広い応用が可能になります。

機能、効果、目標

近赤外分光法は30年間医学で使用されています。ここでは、とりわけ、脳活動を決定するためのイメージング方法として使用されます。さらに、血液の酸素含有量、血液量、さまざまな組織の血流の測定にも使用できます。

手順は非侵襲的で痛みがありません。短波赤外光の利点は、その優れた組織透過性であり、医療用途に運命づけられています。頭蓋骨を通して近赤外分光法を使用して、脳の活動は血中の酸素含有量の測定された動的な変化を通じて決定されます。この手順は、神経血管結合の原理に基づいています。神経血管のカップリングは、脳活動の変化がエネルギー要件の変化、つまり酸素要件の変化も意味するという事実に基づいています。

脳活動が増加すると、血液中の酸素濃度が高くなることも必要です。これは、近赤外分光法で測定されます。血中の酸素結合基質はヘモグロビンです。ヘモグロビンは2つの異なる形で発生するタンパク質結合色素です。酸素化および脱酸素化ヘモグロビンがあります。つまり、酸素が含まれているか、酸素が含まれていません。ある形状から別の形状に移動すると、その色が変化します。これは光の透過にも影響します。酸素を含む血液は、酸素が不足している血液よりも赤外線を透過します。

赤外線が通過すると、酸素負荷の違いを特定できます。吸収スペクトルの変化が計算され、現在の脳活動に関する情報が提供されます。これに基づいて、NIRSは現在、脳活動を表示するためのイメージング手法としてますます使用されています。したがって、すべての思考がより高いレベルの脳活動も生成するため、近赤外線分光法は認知プロセスの調査も可能にします。活動が活発な場所を見つけることも可能です。この方法は、光学的な脳とコンピュータのインターフェースを実現するのにも適しています。脳とコンピュータのインターフェースは、人間とコンピュータ間のインターフェースを表しており、特に身体障害者はこれらのシステムの恩恵を受けています。

彼らはコンピュータを使用して、純粋な思考の力で、補綴物の動きなどの特定のアクションをトリガーできます。医療におけるNIRSのその他の応用分野は、とりわけ、救急医療に関係しています。これらのデバイスは、集中治療室または手術後の酸素供給を監視します。これにより、急激な酸素不足が発生した場合に迅速に反応します。近赤外線分光法は、循環障害のモニタリングや、トレーニング中の筋肉への酸素供給の最適化にも役立ちます。

リスク、副作用、危険

近赤外分光法の使用は問題がなく、副作用を引き起こしません。赤外線は、生物学的に重要な物質を損傷しない低エネルギーの放射線です。遺伝子構成も攻撃されません。放射線は生体分子のさまざまな振動状態を刺激するだけです。手順はまた、非侵襲的で無痛です。

MEG（脳磁図）、fMRI（機能的磁気共鳴断層撮影）、PET（陽電子放出断層撮影）、SPECT（単光子放出コンピューター断層撮影）などの他の機能的方法と組み合わせて、近赤外分光法は脳活動をよく可視化できます。さらに、近赤外分光法は、集中治療医学における酸素濃度を監視する大きな可能性を秘めています。リューベックの心臓外科クリニックでの研究によると、NIRSを使用して以前の方法よりも脳の酸素飽和度を測定することで、心臓手術の手術リスクをより確実に予測できることが示されています。

近赤外分光法は、他の集中治療アプリケーションにも優れた結果をもたらします。たとえば、酸素欠乏を回避するために集中治療室の重症患者を監視するためにも使用されます。さまざまな研究で、NIRSは従来のモニタリング方法と比較されています。研究は可能性を示しているが、近赤外分光法の限界も示している。

ただし、近年のプロセスの技術開発により、ますます複雑な測定を実行できるようになっています。これにより、生体組織で発生している代謝プロセスをより適切に記録し、それらをグラフィカルに表すことができます。近赤外分光法は、将来、医学においてさらに大きな役割を果たすでしょう。