Nahinfrarotspektroskopie

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 24. November 2016
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Die Nahinfrarotspektroskopie ist eine Analysemethode, die auf der Absorption von elektromagnetischer Strahlung im Bereich des kurzwelligen Infrarotlichtes beruht. Sie findet vielfältige Anwendung in Chemie, Nahrungsmitteltechnologie und Medizin. In der Medizin ist sie unter anderem ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung der Hirnaktivität.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Nahinfrarotspektroskopie?

Die Nahinfrarotspektroskopie, auch als NIRS abgekürzt, ist ein Teilbereich der Infrarotspektroskopie (IR-Spektroskopie). Physikalisch basiert die IR-Spektroskopie auf der Absorption von elektromagnetischer Strahlung durch Anregung von Schwingungszuständen in Molekülen und Atomgruppen.

Bei der NIRS werden Materialien untersucht, die im Frequenzbereich von 4.000 bis 13.000 Schwingungen pro cm absorbieren. Das entspricht dem Wellenlängenbereich von 2500 bis 760 nm. In diesem Bereich werden hauptsächlich Schwingungen von Wassermolekülen und funktionellen Gruppen, wie die Hydroxyl-, Amino-, Carboxyl- sowie die CH-Gruppe, angeregt. Trifft elektromagnetische Strahlung dieses Frequenzbereiches auf die entsprechenden Substanzen, kommt es zur Anregung der Schwingungen unter Absorption von Photonen mit einer charakteristischen Frequenz. Nach der Durchquerung der Strahlung durch die Probe oder ihrer Reflexion wird das Absorptionsspektrum aufgenommen.

Dieses Spektrum zeigt dann die Absorptionen in Form von Linien bei bestimmten Wellenlängen. In Kombination mit anderen Analyseverfahren kann die IR-Spektroskopie und im Speziellen die Nahinfrarotspektroskopie Aussagen über die molekulare Struktur der untersuchten Substanzen machen und eröffnet damit ein breites Anwendungsspektrum von chemischen Analysen über industrielle und lebensmitteltechnische Anwendungen bis hin zur Medizin.

Funktion, Wirkung & Ziele

In der Medizin wird die Nahinfrarotspektroskopie bereits seit 30 Jahren angewendet. Hier dient sie unter anderem als bildgebendes Verfahren bei der Bestimmung der Hirnaktivität. Des Weiteren können mit ihrer Hilfe der Sauerstoffgehalt des Blutes, das Blutvolumen und der Blutfluss in verschiedenen Geweben gemessen werden.

Das Verfahren ist nicht-invasiv und schmerzlos. Der Vorteil des kurzwelligen Infrarotlichtes ist seine gute Gewebsdurchgängigkeit, sodass es für eine medizinische Anwendung geradezu prädestiniert ist. Mittels Nahinfrarotspektroskopie durch die Schädeldecke wird die Hirnaktivität durch die gemessenen dynamischen Änderungen des Sauerstoffgehaltes im Blut ermittelt. Dieses Verfahren basiert auf dem Prinzip der neurovaskulären Kopplung. Die neurovaskuläre Kopplung beruht darauf, dass Änderungen der Hirnaktivität auch Änderungen des Energiebedarfs und damit auch des Sauerstoffbedarfs bedeuten.

Jede Erhöhung der Hirnaktivität erfordert auch eine höhere Sauerstoffkonzentration im Blut, die durch die Nahinfrarotspektroskopie bestimmt wird. Das Sauerstoff bindende Substrat im Blut ist Hämoglobin. Hämoglobin ist ein an Protein gebundener Farbstoff, der in zwei unterschiedlichen Zustandsformen vorkommt. Es gibt oxygeniertes und deoxygeniertes Hämoglobin. Das bedeutet, es ist entweder sauerstoffhaltig oder sauerstofffrei. Beim Übergang von einer Form zur anderen ändert sich seine Farbe. Das beeinflusst auch die Durchlässigkeit des Lichtes. Sauerstoffreiches Blut ist durchlässiger für infrarotes Licht als sauerstoffarmes Blut.

In der Medizin ist die Nahinfrarotspektroskopie unter anderem ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung der Hirnaktivität.

Beim Durchgang des Infrarotlichtes können so die Unterschiede in der Sauerstoffbeladung bestimmt werden. Die Änderungen in den Absorptionsspektren werden rechnerisch erfasst und bieten Rückschlüsse auf die momentane Hirnaktivität. Auf dieser Grundlage wird NIRS heute in zunehmendem Maße auch als bildgebendes Verfahren zur Darstellung der Hirnaktivität eingesetzt. Somit erlaubt die Nahinfrarotspektroskopie auch die Untersuchung kognitiver Prozesse, denn jeder Gedanke erzeugt auch eine höhere Hirnaktivität. Es ist zudem möglich, die Bereiche der erhöhten Aktivität zu lokalisieren. Dieses Verfahren ist auch zur Realisierung eines optischen Brain-Computer-Interfaces geeignet. Das Brain-Computer-Interface stellt eine Schnittstelle zwischen Mensch und Computer dar. Besonders körperlich behinderte Menschen profitieren von diesen Systemen.

So können sie mit reiner Gedankenkraft bestimmte Handlungen über den Computer auslösen, wie beispielsweise die Bewegung von Prothesen. Andere Anwendungsgebiete der NIRS in der Medizin beziehen sich unter anderem auf die Notfallmedizin. So überwachen die Geräte die Sauerstoffversorgung auf Intensivstationen oder nach Operationen. Das gewährleistet die schnelle Reaktion bei akutem Sauerstoffmangel. Auch bei der Überwachung von Durchblutungsstörungen oder bei der Optimierung der Sauerstoffversorgung des Muskels beim Training leistet die Nahinfrarotspektroskopie gute Dienste.

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Risiken, Nebenwirkungen & Gefahren

Die Anwendung der Nahinfrarotspektroskopie ist problemlos und verursacht keine Nebenwirkungen. Infrarotstrahlung ist eine energiearme Strahlung, die zu keiner Schädigungen von biologisch wichtigen Substanzen führt. Auch das Erbgut wird nicht angegriffen. Die Strahlung bewirkt nur eine Anregung der verschiedenen Schwingungszustände biologischer Moleküle. Das Verfahren ist außerdem nicht-invasiv und schmerzlos.

In Kombination mit anderen funktionellen Methoden, wie der MEG (Magnetoenzephalographie), der fMRT (funktionelle Magnetresonanztomographie), der PET (Positronen-Emissions-Tomographie) oder der SPECT (Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie) kann die Nahinfrarotspektroskopie Hirnaktivitäten bildlich gut darstellen. Des Weiteren besitzt die Nahinfrarotspektroskopie ein großes Potenzial bei der Überwachung der Sauerstoffkonzentration in der Intensivmedizin. So zeigt eine Studie an der Klinik für Herzchirurgie in Lübeck, dass sich Operationsrisiken in der Herzchirurgie durch die Bestimmung der cerebralen Sauerstoffsättigung mithilfe der Anwendung von NIRS verlässlicher als mit den bisherigen Methoden vorhergesagt werden können.

Gute Ergebnisse liefert die Nahinfrarotspektroskopie auch bei anderen intensivmedizinischen Anwendungen. So wird es beispielsweise auch zum Monitoring von schwer kranken Patienten auf Intensivstationen eingesetzt, um eine Sauerstoffunterversorgung abzuwenden. In verschiedenen Studien wird die NIRS mit herkömmlichen Methoden zum Monitoring verglichen. Die Studien zeigen das Potenzial, aber auch die Grenzen der Nahinfrarotspektroskopie auf.

Allerdings können durch technische Weiterentwicklungen des Verfahrens in den letzten Jahren immer komplexere Messungen durchgeführt werden. Das ermöglicht es, die in einem biologischen Gewebe ablaufenden Stoffwechselprozesse immer besser zu erfassen und bildlich darzustellen. Die Nahinfrarotspektroskopie wird in der Medizin künftig eine noch größere Rolle spielen.

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