Origines de la spectroscopie proche infrarouge (NIRS)

La NIRS a commencé avec un article publié par Frans Jöbsis dans Science (1977). Jöbsis y a rapporté que les tissus biologiques sont relativement transparents à la lumière dans la région du proche infrarouge (700-1300 nm). Il est donc possible de faire passer suffisamment de photons à travers les organes pour un suivi in situ. Dans cette région du proche infrarouge, l’hémoglobine — y compris ses deux principales formes, l’oxyhémoglobine (O2Hb) et la désoxyhémoglobine (HHb) — présente une absorption dépendante de l’oxygène. L’hémoglobine est considérée comme le principal chromophore des tissus biologiques absorbant la lumière dans cette région du proche infrarouge. 

Les principes scientifiques

Si l’absorption est connue, la loi de Beer-Lambert peut être utilisée pour calculer l’absorption du chromophore. La loi de Lambert-Beer est donnée par : ODλ = Log (I0/I) = ελ * c * L

ODλ est un facteur sans dimension connu sous le nom de densité optique du milieu, I0 est la lumière incidente, I la lumière transmise, ελ le coefficient d’extinction du chromophore (en µM-1•cm-1), c la concentration (en µM) du chromophore, L la distance (en cm) entre les points d’entrée et de sortie de la lumière et λ la longueur d’onde utilisée (en nm).

La loi de Beer-Lambert est destinée à être utilisée dans un milieu transparent et non diffusant. Lorsqu’elle est appliquée à un milieu diffusant, par exemple un tissu biologique, un facteur de correction sans dimension de la longueur du trajet doit être incorporé. Ce facteur, parfois appelé facteur de longueur de trajet différentiel (DPF), tient compte de l’augmentation de la longueur du trajet optique due à la diffusion dans le tissu. La loi de Beer-Lambert modifiée pour un milieu diffusant est donnée par : Δc = ΔODλ / (ελ * L * DPF)

Où ODλ représente les pertes optiques indépendantes de l’oxygène dues à la diffusion et à l’absorption dans le tissu. En supposant que ODλ reste constant pendant une mesure NIRS, nous pouvons convertir la variation de densité optique en variation de concentration.

Cette équation est valable pour un milieu contenant un seul chromophore. S’il y a plusieurs chromophores, nous devons mesurer au moins autant de longueurs d’onde qu’il y a de chromophores présents. Cela donne un ensemble d’équations linéaires. La résolution de cet ensemble conduit à l’algorithme utilisé dans la plupart des systèmes NIRS. Un milieu diffusant permet de
mesurer l’absorption avec la source et le détecteur du proche infrarouge placés parallèlement l’un à l’autre. Cela offre la possibilité de mesurer l’oxygénation dans des tissus plus volumineux, par exemple les muscles et le cerveau, à l’aide d’un équipement NIRS.

Algorithme NIRS

La définition de l’algorithme utilisé par la NIRS nécessite les coefficients d’extinction spectraux des différents chromophores. Les spectres des deux principaux chromophores, l’O2Hb et la HHb.

La somme de l’O2Hb et de la HHb est une mesure du volume sanguin total (tHb) dans le tissu. Le tissu musculaire contient deux autres chromophores : l’oxymyoglobine et la désoxymyoglobine (O2Mb et HMb). Afin de distinguer l’hémoglobine de la myoglobine dans le tissu musculaire, les spectres doivent être suffisamment différents. Malheureusement, ce n’est pas le cas dans la région du proche infrarouge du spectre. Cela signifie que la NIRS ne peut pas distinguer si la concentration d’oxygène mesurée est transportée par l’hémoglobine ou la myoglobine. Les longueurs d’onde permettant de distinguer l’Hb et la Mb ne peuvent pas pénétrer suffisamment profondément dans le tissu.