Deine Muskeln benötigen Energie, um kontrahieren zu können. Diese Energie stammt aus der Aufspaltung von ATP. Die effizientesten Wege zur Bildung von ATP erfordern Sauerstoff.
Wir messen den Sauerstoffgehalt im Muskel.
Jede einzelne deiner Körperzellen hat einen ständigen Bedarf an Sauerstoff. Um diesen zu decken, ist eine ausreichende Versorgung durch den Blutkreislauf erforderlich. Wenn du einatmest, bindet sich der Sauerstoff an die Häm-Komponente des Hämoglobins in deinen roten Blutkörperchen. Diese leuchtend rote Substanz wird auf dein Gewebe übertragen, um dessen Bedarf zu decken. Bei körperlicher Betätigung ist der Sauerstoffbedarf noch größer.
Wie kann man im Körperinneren messen, ohne den Körper zu öffnen? Mit optischer Oximetrie und insbesondere Nah-Infrarot Spektroskopie (NIRS) können wir den Sauerstoffgehalt und die Hämodynamik in verschiedenen Organen, zum Beispiel im Muskelgewebe, beurteilen.
NIRS basiert auf zwei Eigenschaften des menschlichen Gewebes.
1. Der relative Transparenz von Gewebe für Licht im NIR-Bereich, 2. Der sauerstoffabhängigen Lichtabsorptionseigenschaften von Hämoglobin.
Infrarotlicht durchdringt menschliches Gewebe, ohne dass du etwas spürst und ohne etwas zu beschädigen. Es ist vergleichbar mit einer Taschenlampe, die durch deine Fingerspitze leuchtet.
Durch die Verwendung verschiedener Wellenlängen können relativen Veränderungen der Konzentration von Hämoglobin kontinuierlich gemessen und sichtbar gemacht werden.
Diese biologischen Daten sind für Sportphysiologen kein Hexenwerk, aber da nicht jeder Sportler über ein Team von Wissenschaftlern verfügt, die ihm zur Seite stehen, wollen wir diese Erkenntnisse für jeden Einzelnen zugänglich machen.
Dies ist ein fortlaufender Prozess.
Unser Ökosystem ist anpassungsfähig und wird ständig weiter verbessert.
Einer der ersten von uns unternommenen Schritte, um diese Daten für jedermann nutzbar zu machen, ist die Klassifizierung der Daten deines Muskels in 5 Zustände. Unser intelligenter und anpassungsfähiger Algorithmus verwendet relative Konzentrationsänderungen und den absoluten Prozentsatz an Sauerstoff, um festzustellen, ob sich dein Muskel erholt, mit geringer Intensität arbeitet, mit mäßiger, aber nachhaltiger Anstrengung arbeitet, wenn du hauptsächlich anaerob tätig bist und wenn die Belastung deines Muskels steigt.
Deine Muskeln benötigen Energie, um kontrahieren zu können. Diese Energie stammt aus der Aufspaltung von ATP. Die effizientesten Wege zur Bildung von ATP erfordern Sauerstoff.
Wir messen den Sauerstoffgehalt im Muskel.
Jede einzelne deiner Körperzellen hat einen ständigen Bedarf an Sauerstoff. Um diesen zu decken, ist eine ausreichende Versorgung durch den Blutkreislauf erforderlich. Wenn du einatmest, bindet sich der Sauerstoff an die Häm-Komponente des Hämoglobins in deinen roten Blutkörperchen. Diese leuchtend rote Substanz wird auf dein Gewebe übertragen, um dessen Bedarf zu decken. Bei körperlicher Betätigung ist der Sauerstoffbedarf noch größer.
Wie kann man im Körperinneren messen, ohne den Körper zu öffnen? Mit optischer Oximetrie und insbesondere Nah-Infrarot Spektroskopie (NIRS) können wir den Sauerstoffgehalt und die Hämodynamik in verschiedenen Organen, zum Beispiel im Muskelgewebe, beurteilen.
NIRS basiert auf zwei Eigenschaften des menschlichen Gewebes.
1. Der relative Transparenz von Gewebe für Licht im NIR-Bereich, 2. Der sauerstoffabhängigen Lichtabsorptionseigenschaften von Hämoglobin.
Infrarotlicht durchdringt menschliches Gewebe, ohne dass du etwas spürst und ohne etwas zu beschädigen. Es ist vergleichbar mit einer Taschenlampe, die durch deine Fingerspitze leuchtet.
Durch die Verwendung verschiedener Wellenlängen können relativen Veränderungen der Konzentration von Hämoglobin kontinuierlich gemessen und sichtbar gemacht werden.
Diese biologischen Daten sind für Sportphysiologen kein Hexenwerk, aber da nicht jeder Sportler über ein Team von Wissenschaftlern verfügt, die ihm zur Seite stehen, wollen wir diese Erkenntnisse für jeden Einzelnen zugänglich machen.
Dies ist ein fortlaufender Prozess.
Unser Ökosystem ist anpassungsfähig und wird ständig weiter verbessert.
Einer der ersten von uns unternommenen Schritte, um diese Daten für jedermann nutzbar zu machen, ist die Klassifizierung der Daten deines Muskels in 5 Zustände. Unser intelligenter und anpassungsfähiger Algorithmus verwendet relative Konzentrationsänderungen und den absoluten Prozentsatz an Sauerstoff, um festzustellen, ob sich dein Muskel erholt, mit geringer Intensität arbeitet, mit mäßiger, aber nachhaltiger Anstrengung arbeitet, wenn du hauptsächlich anaerob tätig bist und wenn die Belastung deines Muskels steigt.
Hardcore NIRS
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.
HÄUFIG GESTELLTE FRAGEN
Was ist der Unterschied zwischen NIRS und Pulsoximetrie?
Die Technik, auf der die Nahinfrarotspektroskopie beruht, ist der Technik der Pulsoximetrie sehr ähnlich.
Der Hauptunterschied besteht in dem Gewebe, von dem gemessen wird. Bei der Pulsoximetrie wird der prozentuale Anteil des sauerstoffhaltigen Hämoglobins im arteriellen Blut berechnet. NIRS berechnet die Veränderungen von oxigeniertem und deoxigeniertem Hämoglobin (und optional den Prozentsatz des sauerstoffhaltigen Hämoglobins) im untersuchten Gewebe (Kapillaren), das sowohl arterielles als auch venöses Blut enthält.
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