Spectroscopie infrarouge proche

le Spectroscopie infrarouge proche est une méthode d'analyse basée sur l'absorption du rayonnement électromagnétique dans le domaine de la lumière infrarouge à ondes courtes. Il a un large éventail d'utilisations en chimie, en technologie alimentaire et en médecine. En médecine, il s'agit, entre autres, d'une méthode d'imagerie permettant de visualiser l'activité cérébrale.

Qu'est-ce que la spectroscopie proche infrarouge?

Spectroscopie proche infrarouge, également appelée NIRS abrégé, est un sous-domaine de la spectroscopie infrarouge (spectroscopie IR). Physiquement, la spectroscopie IR est basée sur l'absorption du rayonnement électromagnétique par l'excitation d'états d'oscillation dans des molécules et des groupes d'atomes.

Le NIRS examine les matériaux qui absorbent dans la gamme de fréquences de 4 000 à 13 000 vibrations par cm. Cela correspond à la gamme de longueurs d'onde de 2500 à 760 nm. Dans cette gamme, les vibrations des molécules d'eau et des groupes fonctionnels tels que les groupes hydroxyle, amino, carboxyle et CH sont principalement excités. Si le rayonnement électromagnétique dans cette gamme de fréquences frappe les substances correspondantes, les vibrations sont excitées avec l'absorption de photons avec une fréquence caractéristique. Le spectre d'absorption est enregistré après que le rayonnement a traversé l'échantillon ou est réfléchi.

Ce spectre montre alors les absorptions sous forme de raies à certaines longueurs d'onde. En combinaison avec d'autres méthodes d'analyse, la spectroscopie IR et, en particulier, la spectroscopie dans le proche infrarouge peuvent faire des déclarations sur la structure moléculaire des substances examinées et ouvre ainsi un large éventail d'applications, des analyses chimiques aux applications des technologies industrielles et alimentaires en passant par la médecine.

Fonction, effet et objectifs

La spectroscopie proche infrarouge est utilisée en médecine depuis 30 ans. Ici, il est utilisé, entre autres, comme méthode d'imagerie pour déterminer l'activité cérébrale. De plus, il peut être utilisé pour mesurer la teneur en oxygène du sang, le volume sanguin et le débit sanguin dans divers tissus.

La procédure est non invasive et indolore. L'avantage de la lumière infrarouge à ondes courtes est sa bonne perméabilité tissulaire, de sorte qu'elle est prédestinée à un usage médical. En utilisant la spectroscopie proche infrarouge à travers la calotte, l'activité cérébrale est déterminée par les changements dynamiques mesurés de la teneur en oxygène dans le sang. Cette procédure est basée sur le principe du couplage neurovasculaire. Le couplage neurovasculaire est basé sur le fait que les changements dans l'activité cérébrale signifient également des changements dans les besoins énergétiques et donc aussi dans les besoins en oxygène.

Toute augmentation de l'activité cérébrale nécessite également une concentration plus élevée d'oxygène dans le sang, qui est déterminée par spectroscopie proche infrarouge. Le substrat de liaison à l'oxygène dans le sang est l'hémoglobine. L'hémoglobine est un colorant lié aux protéines qui se présente sous deux formes différentes. Il existe de l'hémoglobine oxygénée et désoxygénée. Cela signifie qu'il est soit oxygéné, soit sans oxygène. Lors du passage d'une forme à une autre, sa couleur change. Cela affecte également la transmission de la lumière. Le sang oxygéné est plus perméable à la lumière infrarouge que le sang pauvre en oxygène.

Lorsque la lumière infrarouge passe à travers, les différences de charge en oxygène peuvent être déterminées. Les changements dans les spectres d'absorption sont calculés et fournissent des informations sur l'activité cérébrale actuelle. Sur cette base, le NIRS est de plus en plus utilisé comme méthode d'imagerie pour afficher l'activité cérébrale. Ainsi, la spectroscopie proche infrarouge permet également d'investiguer les processus cognitifs, car chaque pensée génère également un niveau d'activité cérébrale plus élevé. Il est également possible de localiser les zones d'activité accrue. Cette méthode convient également pour réaliser une interface optique cerveau-ordinateur. L'interface cerveau-ordinateur représente une interface entre les humains et les ordinateurs, et les personnes handicapées physiques bénéficient en particulier de ces systèmes.

Ils peuvent utiliser l'ordinateur pour déclencher certaines actions, comme le mouvement des prothèses, avec un pur pouvoir de pensée. D'autres domaines d'application du NIRS en médecine concernent, entre autres, la médecine d'urgence. Les appareils surveillent l'apport d'oxygène dans les unités de soins intensifs ou après les opérations. Cela garantit une réaction rapide en cas de manque aigu d'oxygène. La spectroscopie proche infrarouge est également utile pour surveiller les troubles circulatoires ou pour optimiser l'apport d'oxygène aux muscles pendant l'entraînement.

Risques, effets secondaires et dangers

L'utilisation de la spectroscopie proche infrarouge est sans problème et n'entraîne aucun effet secondaire. Le rayonnement infrarouge est un rayonnement de faible énergie qui n'endommage pas les substances biologiquement importantes. La constitution génétique n'est pas non plus attaquée. Le rayonnement ne stimule que les différents états vibrationnels des molécules biologiques. La procédure est également non invasive et indolore.

En combinaison avec d'autres méthodes fonctionnelles, telles que MEG (magnétoencéphalographie), IRMf (tomographie par résonance magnétique fonctionnelle), PET (tomographie par émission de positons) ou SPECT (tomographie par émission de photons uniques), la spectroscopie proche infrarouge peut bien décrire les activités cérébrales. En outre, la spectroscopie proche infrarouge a un grand potentiel pour surveiller la concentration d'oxygène en médecine de soins intensifs. Une étude de la Clinique de Chirurgie Cardiaque de Lübeck montre que les risques opérationnels en chirurgie cardiaque peuvent être prédits de manière plus fiable en déterminant la saturation cérébrale en oxygène à l'aide du NIRS qu'avec les méthodes précédentes.

La spectroscopie proche infrarouge fournit également de bons résultats pour d'autres applications de soins intensifs. Par exemple, il est également utilisé pour surveiller les patients gravement malades dans les unités de soins intensifs afin d'éviter une carence en oxygène. Dans diverses études, le NIRS est comparé aux méthodes de surveillance conventionnelles. Les études montrent le potentiel, mais aussi les limites de la spectroscopie proche infrarouge.

Cependant, des mesures de plus en plus complexes peuvent être effectuées en raison des développements techniques du procédé ces dernières années. Cela permet de mieux enregistrer les processus métaboliques qui se déroulent dans les tissus biologiques et de les représenter graphiquement. La spectroscopie proche infrarouge jouera un rôle encore plus grand en médecine à l'avenir.