كيف بدأت تقنية مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRS)

بدأت تقنية NIRS بورقة بحثية نشرها فرانس جوبسيس في مجلة Science عام 1977، حيث أفاد جوبسيس بأن الأنسجة البيولوجية شفافة نسبيًا للضوء في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة (700-1300 نانومتر). ولذلك، من الممكن تمرير ما يكفي من الفوتونات عبر الأعضاء لمراقبتها في موضعها. وفي منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة هذه، يُظهر الهيموغلوبين -بما في ذلك شكليه الرئيسيين: الأوكسي هيموغلوبين (O2Hb) والهيموغلوبين منزوع الأكسجين (HHb)- امتصاصًا يعتمد على الأكسجين. ويُفترض أن الهيموغلوبين هو المادة الملونة الرئيسية في الأنسجة البيولوجية التي تمتص الضوء في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة هذه. 

الأساس العلمي

إذا كان الامتصاص معروفًا، فيمكن استخدام قانون بير-لامبرت لحساب امتصاص المادة الملونة. ويُعطى قانون لامبرت-بير بالمعادلة: ODλ = Log (I0/I) = ελ * c * L

ODλ هو عامل بلا أبعاد يُعرف بالكثافة البصرية للوسط، وI0 هو الضوء الساقط، وI هو الضوء المنقول، وελ هو معامل الانطفاء للمادة الملونة (بالميكرومول-1 سم-1)، وc هو التركيز (بالميكرومول) للمادة الملونة، وL هي المسافة (بالسم) بين نقطتي دخول الضوء وخروجه، وλ هو الطول الموجي المستخدم (بالنانومتر).

صُمم قانون بير-لامبرت للاستخدام في وسط شفاف وغير مشتت. وعند تطبيقه على وسط مشتت، مثل الأنسجة البيولوجية، يجب إدراج عامل تصحيح بلا أبعاد لطول المسار. ويأخذ هذا العامل، الذي يُسمى أحيانًا عامل طول المسار التفاضلي (DPF)، في الاعتبار الزيادة في طول المسار البصري الناتجة عن التشتت في النسيج. ويُعطى قانون بير-لامبرت المعدل للوسط المشتت بالمعادلة: Δc = ΔODλ / (ελ * L * DPF)

حيث يمثل ODλ الخسائر البصرية غير المعتمدة على الأكسجين والناتجة عن التشتت والامتصاص في النسيج. وبافتراض أن ODλ ثابت أثناء قياس NIRS، يمكننا تحويل التغير في الكثافة البصرية إلى تغير في التركيز.

هذه المعادلة صالحة لوسط يحتوي على مادة ملونة واحدة. وإذا كانت هناك مواد ملونة أكثر، فنحن بحاجة إلى القياس عند عدد من الأطوال الموجية لا يقل عن عدد المواد الملونة الموجودة. وينتج عن ذلك مجموعة من المعادلات الخطية. ويؤدي حل هذه المجموعة إلى الخوارزمية المستخدمة في معظم أنظمة NIRS. ويجعل الوسط المشتت من الممكن
قياس الامتصاص باستخدام مصدر الأشعة تحت الحمراء القريبة والكاشف بشكل متوازٍ. وهذا يتيح الفرصة لقياس الأكسجة في أنسجة أكبر، مثل العضلات والدماغ، باستخدام معدات NIRS.

خوارزمية NIRS

يتطلب تحديد الخوارزمية المستخدمة في NIRS معاملات الانطفاء الطيفية لمختلف المواد الملونة. أطياف المادتين الملونتين الرئيسيتين، O2Hb وHHb.

مجموع O2Hb وHHb هو مقياس لإجمالي حجم الدم (tHb) في النسيج. تحتوي أنسجة العضلات على مادتين ملونتين إضافيتين: الأوكسي ميوجلوبين والميوجلوبين منزوع الأكسجين (O2Mb وHMb). ومن أجل التمييز بين الهيموغلوبين والميوجلوبين في أنسجة العضلات، يجب أن تكون الأطياف مختلفة بدرجة كافية. لسوء الحظ، ليس هذا هو الحال في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة من الطيف. وهذا يعني أن NIRS لا يمكنها التمييز ما إذا كان تركيز الأكسجين المقاس محمولًا بواسطة الهيموغلوبين أو الميوجلوبين. فالأطوال الموجية التي يمكنها التمييز بين Hb وMb لا تستطيع اختراق النسيج بعمق كافٍ.