บทความ / Article
ทฤษฎีของ NIRS: Near infrared Spectoscopy
มี.ค.
Near-Infrared Spectroscopy คืออะไร
Near Infrared Spectoscopy (NIRS) เป็นเทคนิคซึ่งผลิตภัณฑ์ของ Artinis เช่น Oxymon และ Brite ใช้ในการวัดปริมาณของฮีโมโกลบิน ที่อยู่ในเนื้อเยื่อของมนุษย์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของแสง คลื่นความยาวใกล้กับอินฟราเรด ในการผ่านไปยังเนื้อเยื่อของร่างกาย ซึ่งการดูดกลืนลำแสงของเนื้อเยื่อนั้น จะสามามรรถบ่งบอกคุณลักษณะของฮีโมโกลบิน ที่อยู่ภายในเนื้อเยื่อได้
ในการใช้คลื่นแสงที่มีความยาวคลื่นแตกต่างกันนั้น จะสามารถทำการวัดการเปลี่ยนแปลงระดับความเข้มข้นของฮีโมโกลบินได้อย่างต่อเนื่อง
เทคนิคของ NIRS นั้น มีข้อดีและสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ดังนี้
- การวัดไม่ยุ่งยาก สามารถนำไปใช้ในห้องปฏิบัติการหรือ การลงภาคสนามได้
- สามารถเข้าถึงได้ง่าย ไม่ต้องใช้อุปกรณ์ที่มีความสลับซับซ้อน
- สามารถวัดได้อย่างต่อเนื่อง คนที่ใช้ไม่จำเป็นต้องมีเทคนิค หรือ ทักษะที่สูง
ทำไมต้องเลือกใช้เทคนิค NIRS
เซลล์ต่างๆในอวัยวะต่างๆของร่างกายนั้น จะมีองค์ประกอบที่มีความต้องการออกซิเจนไปเลี้ยงเซลล์ แต่อย่างไรก็ตาม ร่างกายสามารถเก็บกักออกซิเจนได้น้อยมาก ดังนั้น ระบบไหลเวียนโลหิตจึงมีหน้าที่ในการนำออกซิเจน ไปเลี้ยงเซลล์ เนื้อเยื่อ และอวัยวะต่างๆของร่างกาย ซึ่งถ้าหากมีปัจจัยก่อกวนเกิดขึ้น การเปลี่ยนแปลงของปริมาณออกซิเจนในเนื้อเยื่อก็จะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว
การใช้ลำแสงช่วงความยาวใกล้เคียงกับแสงอินฟราเรด NIRS นั้น เป็นเครื่องมือหนึ่งที่ใช้ในการประเมินสภาวะของออกซิเจน และการไหลเวียนของเลือด ในอวัยวะต่างๆ เช่น กล้ามเนื้อ และ สมอง เป็นต้น
NIRS เริ่มต้นได้อย่างไร
เทคนิคของ NIRS นั้นเริ่มต้นในปี 1977 โดย Frans Jobsis ซึ่งเขาได้รายงานว่า ในเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิต นั้น จะมีการเปลี่ยนแปลงเมื่อได้รับแสงความยาวคลื่นใกล้กับอินฟราเนด (70-1300 นาโนเมตร) ดังนั้น เมื่อเราส่งลำแสงนั้นเข้าไปในเนื้อเยื่อ หรือ อวัยวะต่างๆ เราก็จะสามารถวัดปริมาณฮีโมโกลบิน ในอวัยวะ หรือ เนื้อเยื่อนั้นๆได้ โดยฮีโมโกลบินนั้นแบ่งออกเป็นสองชนิดได้แก่ ออกซีฮีโมโกลบิน และ ดีออกซีฮีโมโกลบิน ซึ่งแตกต่างกันตรงที่การนำออกซิเจนนั่นเอง ซึ่งฮีโมโกลบินนั้น จะดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่นใกล้เคียงกับอินฟราเรด
ในการดูดกลืนแสงนั้น เรารู้จักทฤษฎีของ Lamber-Beer Law ซึ่งใช้ในการคำนวณปริมาณการดูดกลืนแสง
โดยค่า OD นั้นเป็นองค์ประกอบความหนาแน่นเชิงแสงของตัวกลาง I0 คือแสงตกกระทบ I คือแสงที่ส่องผ่าน ελ ค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์ของโครโมฟอร์ (ใน µM-1•cm-1) c คือความเข้มข้น (ใน µM) ของ โครโมฟอร์, L ระยะทาง (ซม.) ระหว่างจุดเข้าและออกของแสง และ λ คือความยาวคลื่นที่ใช้ (หน่วยนาโนเมตร)
กฎแลมเบิร์ต-เบียร์มีวัตถุประสงค์เพื่อใช้ในตัวกลางที่โปร่งใสและไม่กระจาย เมื่อนำไปใช้กับสื่อการกระเจิง (รูปที่ 1.1) เช่น เนื้อเยื่อชีวภาพจะต้องรวมปัจจัยการแก้ไขความยาวเส้นทางไร้มิติ ปัจจัยนี้ ซึ่งบางครั้งเรียกว่าปัจจัยความยาวเส้นทางที่แตกต่างกัน (DPF) มีส่วนทำให้ความยาวเส้นทางแสงเพิ่มขึ้นเนื่องจากการกระเจิงในเนื้อเยื่อตามกฎของ Lamber-Beer
โดยที่ ODλ แสดงถึงการดูดกลืนแสงที่ไม่ขึ้นกับออกซิเจนเนื่องจากการกระเจิงและการดูดซับในเนื้อเยื่อ สมมติว่า ODλ เป็นค่าคงที่ระหว่างการวัด NIRS เราสามารถแปลงการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของแสงเป็นการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น
ถ้าโครโมฟอร์เกี่ยวข้องกันมากขึ้น เราต้องวัดความยาวคลื่นอย่างน้อยเท่ากับจำนวนโครโมฟอร์ที่มีอยู่ ส่งผลให้ได้ชุดสมการเชิงเส้น วิธีแก้ปัญหาของชุดนี้นำไปสู่อัลกอริทึมที่ใช้ในระบบ NIRS ส่วนใหญ่ ตัวกลางกระเจิงทำให้สามารถวัดการดูดกลืนแสงด้วยแหล่งกำเนิดอินฟราเรดใกล้และตัวตรวจจับขนานกัน (รูปที่ 1.1) เป็นโอกาสในการวัดปริมาณออกซิเจนในเนื้อเยื่อที่ใหญ่ขึ้นเช่น กล้ามเนื้อและสมองโดยใช้อุปกรณ์ NIRS
อัลกอริทึม NIRS
การกำหนดอัลกอริทึมที่ใช้โดย NIRS ต้องการค่าสัมประสิทธิ์ของสเปกตรัมของโครโมฟอร์ต่างๆ สเปกตรัมของโครโมฟอร์หลักสองชนิดคือออกซี่ฮีโมโกลบิน O2Hb และดิออกซีฮีโมโกลบิน HHb
ผลรวมของ O2Hb และ HHb คือการวัดปริมาตรเลือดทั้งหมด (tHb) ในเนื้อเยื่อ เนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อประกอบด้วยโครโมฟอร์อีก 2 โครโมโซม: ออกซี- และดีออกซีฮีโมโกลบิน (O2Mb และ HMb) ในการแยกแยะระหว่างเฮโมโกลบินและไมโอโกลบินในเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อ สเปกตรัมต้องแตกต่างกันพอสมควร น่าเสียดายที่นี่ไม่ใช่กรณีในพื้นที่อินฟราเรดใกล้ของสเปกตรัม ซึ่งหมายความว่า NIRS ไม่สามารถแยกแยะได้ว่าความเข้มข้นของออกซิเจนที่วัดได้นั้นส่งผ่านเฮโมโกลบินหรือไมโอโกลบิน ความยาวคลื่นที่สามารถแยกแยะ Hb และ Mb นั้นไม่สามารถเจาะลงไปในเนื้อเยื่อได้ลึกพอ
ความแตกต่างระหว่าง NIRS กับการวัดออกซิเจนในเลือดคืออะไร?
เทคนิคของ NIRS ใกล้เคียงนั้นมีความคล้ายคลึงอย่างมากกับเทคนิคการวัดค่าออกซิเจนในเลือดของชีพจรความแตกต่างที่สำคัญคือเนื้อเยื่อที่ใช้ในการสุ่มตัวอย่าง การวัดค่าออกซิเจนในเลือดและชีพจร (Oxygen Saturation) จะคำนวณเปอร์เซ็นต์ของฮีโมโกลบินที่เติมออกซิเจนเฉพาะในเลือดแดง แต่ การใช้เทคนิคของ NIRS คำนวณการเปลี่ยนแปลงของ oxy- และ ในเนื้อเยื่อที่อยู่ในบริเวณที่ทำการวัด (เส้นเลือดฝอย Capillary) ซึ่งประกอบด้วยเลือดแดงและเลือดดำ สรุปก็คือ NIRS วัดทั้งในหลอดเลือดแดงและดำโดยใช้หลายความยาวคลื่นเพราะการดูดกลืนแสงของออกซีฮีโมโกลบินและ ดีออกซี่ฮีโมโกลบินนั้น จะตอบสนองต่อความยาวแสงที่ช่วงคลื่นแตกต่างกัน ส่วน O2 Sat วัดเฉพาะหลอดเลือดแดงโดยใช้ความยางคลื่นเดียว
