Cómo comenzó la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS)

La NIRS comenzó con un artículo publicado por Frans Jöbsis en Science (1977); Jöbsis informó que los tejidos biológicos son relativamente transparentes a la luz en la región del infrarrojo cercano (700-1300 nm). Por lo tanto, es posible transmitir suficientes fotones a través de los órganos para el monitoreo in situ. En esta región del infrarrojo cercano, la hemoglobina -incluidas sus dos variantes principales, la oxihemoglobina (O2Hb) y la desoxihemoglobina (HHb)- exhibe una absorción dependiente del oxígeno. Se asume que la hemoglobina es el principal cromóforo en el tejido biológico que absorbe la luz en esta región del infrarrojo cercano.

La ciencia

Si se conoce la absorción, se puede utilizar la ley de Beer-Lambert para calcular la absorción del cromóforo. La ley de Lambert-Beer se define como: ODλ = Log (I0/I) = ελ * c * L

ODλ es un factor adimensional conocido como densidad óptica del medio, I0 es la luz incidente, I la luz transmitida, ελ el coeficiente de extinción del cromóforo (en µM-1•cm-1), c es la concentración (en µM) del cromóforo, L la distancia (en cm) entre los puntos de entrada y salida de la luz, y λ es la longitud de onda utilizada (en nm).

La ley de Beer-Lambert está diseñada para ser utilizada en un medio transparente y no dispersivo. Cuando se aplica a un medio dispersivo, por ejemplo, tejido biológico, debe incorporarse un factor de corrección de longitud de camino óptico adimensional. Este factor, a veces llamado factor de camino diferencial (DPF), tiene en cuenta el aumento en la longitud del camino óptico debido a la dispersión en el tejido. La ley de Beer-Lambert modificada para un medio dispersivo se define como: Δc = ΔODλ / (ελ * L * DPF)

Donde ODλ representa las pérdidas ópticas independientes del oxígeno debidas a la dispersión y absorción en el tejido. Suponiendo que ODλ es constante durante una medición de NIRS, podemos convertir el cambio en la densidad óptica en un cambio en la concentración.

Esta ecuación es válida para un medio con un solo cromóforo. Si intervienen más cromóforos, necesitamos medir al menos tantas longitudes de onda como cromóforos presentes. Esto resulta en un sistema de ecuaciones lineales. La solución de este sistema conduce al algoritmo utilizado en la mayoría de los sistemas NIRS. Un medio dispersivo hace posible medir la absorción con la fuente de infrarrojo cercano y el detector paralelos entre sí. Esto ofrece la oportunidad de medir la oxigenación en tejidos más grandes, por ejemplo, músculos y cerebro, utilizando equipos NIRS.

Algoritmo NIRS

Definir el algoritmo utilizado por NIRS requiere los coeficientes de extinción espectral de los diversos cromóforos. Los espectros de los dos cromóforos principales, O2Hb y HHb.

La suma de O2Hb y HHb es una medida del volumen sanguíneo total (tHb) en el tejido. El tejido muscular contiene dos cromóforos adicionales: la oxi- y desoximioglobina (O2Mb y HMb). Para distinguir entre la hemoglobina y la mioglobina en el tejido muscular, los espectros deben ser suficientemente diferentes. Lamentablemente, este no es el caso en la región del espectro del infrarrojo cercano. Esto significa que la NIRS no puede distinguir si la concentración de oxígeno medida es transportada por la hemoglobina o la mioglobina. Las longitudes de onda que pueden distinguir la Hb y la Mb no son capaces de penetrar el tejido lo suficientemente profundo.