Co to jest nIRS?

W tym artykule przeczytasz:

• Co to jest nIRS

• Do czego wykorzystuje się nIRS

• Jaki był rozwój technologii nIRS

• Na czym z naukowego punktu widzenia polega nIRS

nIRS (spektroskopia w bliskiej podczerwieni)

Spektroskopia bliskiej podczerwieni to technika, którą wykorzystuje się w urządzeniach Artinis, np. OxyMon i Brite. Zasada działania tego rozwiązania bazuje na dwóch cechach ludzkiej tkanki. Po pierwsze, względnej przezroczystości tkanki dla światła w zakresie NIR, a po drugie, zależnej od utlenienia właściwości pochłaniania światła przez hemoglobinę. Korzystając z wielu różnych długości fal, względne zmiany stężenia hemoglobiny mogą być wyświetlane w sposób ciągły.

Korzystając z zasady nIRS, możliwe staje się monitorowanie:

• Nieinwazyjne

• Niedrogie

• W sposób ciągły

• W laboratorium, a nawet w terenie

• Bez konieczności posiadania specjalnej infrastruktury

• Bez specjalnie przeszkolonego personelu

Dlaczego nIRS?

Wszystkie komórki naszego ciała mają stałe, ale zróżnicowane zapotrzebowanie na tlen. Zapasy tlenu w organizmie są minimalne. Niezbędne jest stałe i odpowiednie dostarczanie tlenu do tkanek poprzez układ krążenia krwi. Każda ingerencja zakłócająca utlenianie tkanek może szybko doprowadzić do nieodwracalnych uszkodzeń. Oksymetria optyczna, a w szczególności spektroskopia bliskiej podczerwieni (nIRS), jest narzędziem do oceny stanu natlenienia i hemodynamiki różnych narządów, np. mięśnie i mózg.

Rozwój technologii nIRS - jak to się zaczęło?

Rozwój technologii nIRS rozpoczął się od artykułu opublikowanego przez Fransa Jöbsisa w Science (1977). Jöbsis poinformował, że tkanki biologiczne są względnie przezroczyste dla światła w bliskiej podczerwieni (700-1300 nm). Dlatego możliwe jest przesłanie wystarczającej ilości fotonów przez narządy do monitorowania in situ. W tym zakresie bliskiej podczerwieni hemoglobina - w tym jej dwa główne warianty oksyhemoglobina (O2Hb) i dezoksyhemoglobina (HHb) - wykazuje zależną od tlenu absorpcję. Zakłada się, że hemoglobina jest głównym chromoforem w tkance biologicznej, który pochłania światło w tym zakresie bliskiej podczerwieni.

nIRS z punktu widzenia nauki

Jeśli chodzi o absorpcję, to prawo Lamberta-Beera można wykorzystać do obliczenia absorpcji chromoforów. Prawo Lamberta-Beera można zapisać następująco:

ODλ reprezentuje niezależne od tlenu straty optyczne spowodowane rozpraszaniem i wchłanianiem w tkance. Zakładając, że podczas pomiaru nIRS ODλ jest stała, możemy przeliczyć zmianę gęstości optycznej na zmianę stężenia.

To równanie obowiązuje dla wariantu z jednym chromoforem. Jeśli zaangażowanych jest więcej chromoforów, musimy zmierzyć co najmniej tyle długości fal, ile jest obecnych chromoforów. Powoduje to zestaw równań liniowych. Rozwiązanie tego zestawu prowadzi do algorytmu używanego w większości systemów nIRS. Medium rozpraszające umożliwia pomiar absorpcji przy równoległym do siebie źródle bliskiej podczerwieni i detektorze. Daje to możliwość pomiaru utlenowania w większych tkankach, np. mięśnie i mózg przy użyciu sprzętu nIRS.

Medium rozpraszające umożliwia pomiar absorpcji przy równoległym do siebie źródle bliskiej podczerwieni i detektorze. Daje to możliwość pomiaru utlenowania w większych tkankach, np. mięśnie i mózg przy użyciu sprzętu nIRS.

Algorytm używany przez nIRS

Zdefiniowanie algorytmu używanego przez nIRS wymaga obliczenia współczynników ekstynkcji widmowej różnych chromoforów. Dotyczy to widma dwóch głównych chromoforów: O2Hb i HHb.

Suma O2Hb i HHb jest miarą całkowitej objętości krwi (tHb) w tkance. Tkanka mięśniowa zawiera kolejne dwa chromofory: oksy- i deoksymioglobinę (O2Mb i HMb). Aby odróżnić hemoglobinę od mioglobiny w tkance mięśniowej, widma muszą być wystarczająco różne. Niestety tak nie jest w zakresie bliskiej podczerwieni widma. Oznacza to, że nIRS nie może rozróżnić, czy mierzone stężenie tlenu jest przenoszone przez hemoglobinę czy mioglobinę. Długości fal, które pozwalają odróżnić Hb i Mb, nie są w stanie wniknąć wystarczająco głęboko w tkankę.

Porównanie spektroskopii w bliskiej podczerwieni z pulsoksymetrią

Technika, na której opiera się spektroskopia w bliskiej podczerwieni, jest bardzo podobna do techniki pulsoksymetrii.

Główna różnica polega na tym, że pulsoksymetria oblicza procentową zawartość utlenionej hemoglobiny we krwi tętniczej. nIRS oblicza zmiany oksy- i deoksyhemoglobiny (i opcjonalnie procent utlenionej hemoglobiny) w badanej tkance (naczynia włosowate), która zawiera zarówno krew tętniczą, jak i żylną.