Wie Nah-Infrarot Spektroskopie (NIRS) begann

Die NIRS begann mit einer Veröffentlichung von Frans Jöbsis in Science (1977). Jöbsis berichtete, dass biologisches Gewebe für Licht im nahen Infrarotbereich (700-1300 nm) relativ transparent ist. Daher ist es möglich, genügend Photonen für eine In-situ-Überwachung durch die Organe zu schicken. In diesem nahen Infrarotbereich zeigt Hämoglobin - einschließlich seiner beiden Hauptvarianten Oxyhämoglobin (O2Hb) und Desoxyhämoglobin (HHb) - eine sauerstoffabhängige Absorption. Es wird angenommen, dass Hämoglobin das Hauptchromophor in biologischem Gewebe ist, das Licht in diesem nahen Infrarotbereich absorbiert. 

Die Wissenschaft

Wenn die Absorption bekannt ist, kann das Beer-Lambert-Gesetz zur Berechnung der Absorption des Chromophors verwendet werden. Das Lambert-Beer'sche Gesetz ist gegeben durch: ODλ = Log (I0/I) = ελ * c * L

ODλ ist ein dimensionsloser Faktor, der als optische Dichte des Mediums bezeichnet wird. I0 ist das einfallende Licht, I das durchgelassene Licht. ελ ist der Extinktionskoeffizient des Chromophors (in µM-1-cm-1). c ist die Konzentration (in µM) des Chromophors. L ist der Abstand (in cm) zwischen Lichteintritts- und Lichtaustrittspunkt. Und λ ist die verwendete Wellenlänge (in nm).

Das Beer-Lambert-Gesetz ist für die Anwendung in einem transparenten, nicht streuenden Medium gedacht. Wird es auf ein streuendes Medium, z. B. biologisches Gewebe, angewendet, muss ein dimensionsloser Pfadlängenkorrekturfaktor berücksichtigt werden. Dieser Faktor, der manchmal als differentieller Pfadlängenfaktor (DPF) bezeichnet wird, berücksichtigt die Zunahme der optischen Pfadlänge aufgrund von Streuung im Gewebe. Das modifizierte Beer-Lambert-Gesetz für ein streuendes Medium ist gegeben durch Δc = ΔODλ / (ελ * L * DPF)

Dabei steht ODλ für die sauerstoffunabhängigen optischen Verluste aufgrund von Streuung und Absorption im Gewebe. Unter der Annahme, dass ODλ während einer NIRS-Messung konstant ist, können wir die Änderung der optischen Dichte in eine Änderung der Konzentration umrechnen.

Diese Gleichung gilt für ein Medium mit einem Chromophor. Wenn mehrere Chromophore beteiligt sind, muss man mindestens so viele Wellenlängen messen, wie Chromophore vorhanden sind. Dies führt zu einer Reihe von linearen Gleichungen. Die Lösung dieses Satzes führt zu dem in den meisten NIRS-Systemen verwendeten Algorithmus. Mit einem Streumedium ist es möglich, die Absorption zu messen, wobei die Nahinfrarotquelle und der Detektor parallel zueinander angeordnet sind. Dies bietet die Möglichkeit, die Sauerstoffversorgung in größeren Geweben, z. B. Muskeln und Gehirn, mit NIRS-Geräten zu messen.

NIRS-Algorithmus

Für die Definition des Algorithmus, welcher bei NIRS verwendet wird, werden die spektralen Extinktionskoeffizienten der verschiedenen Chromophore benötigt: die Spektren der beiden Hauptchromophore, O2Hb und HHb.

Die Summe aus O2Hb und HHb ist ein Maß für das Gesamtblutvolumen (tHb) im Gewebe. Muskelgewebe enthält zwei weitere Chromophore: oxigeniertes und deoxigeniertes Myoglobin (O2Mb und HMb). Um zwischen Hämoglobin und Myoglobin im Muskelgewebe unterscheiden zu können, müssen sich die Spektren ausreichend unterscheiden. Leider ist dies im Nahinfrarotbereich des Spektrums nicht der Fall. Das bedeutet, dass bei NIRS nicht unterscheiden werden kann, ob die gemessene Sauerstoffkonzentration von Hämoglobin oder Myoglobin getragen wird. Die Wellenlängen, die Hb und Mb unterscheiden können, sind nicht in der Lage, tief genug in das Gewebe einzudringen.