Bir maddenin temel özelliklerinin ve karmaşık özelliklerinin, söz konusu maddeden geçen radyasyonun gözlemlenmesi yoluyla ölçülmesi yeni bir kavram değildir X-ışını görüntüleme günümüzde tıp uygulamasında yaygındır. Görünür ve düz kızılötesi elektromanyetik (EM) spektrum aralığında görüntülemeye benzer şekilde, NIRS görüntüleme yöntemi doku özellikleri hakkında bilgi elde etmek için yakın kızılötesi aralığın ışığını kullanır.
Şu anda, kalp atış hızı ölçümleri ve glikoz seviyesi ölçümleri için yaygın olarak kullanılan “optik” (çoğunlukla yakın kızılötesi – 2100–2400 nm dalga uzunluğu aralığı) pulsometre bulunmaktadır. Daha “derin” biyolojik parametreler elde etmek için araştırma rutin olarak uygulanmaya başlamaktadır, örneğin kalp ameliyatları sırasında ve bir sonraki adım olarak BCI’lerde serebral oksijenasyonun ölçülmesi gibi.
Nispeten, insan vücudunun dokuları tarafından düşük radyasyon emilimi, yakın kızılötesi aralığın ayırt edici bir özelliğidir. Sonuç olarak, NIR ışığı için daha büyük penetrasyon derinlikleri gözlemlenebilir( birkaç santimetreye kadar (maksimum 3-5 cm)Bu nedenle, bazı biyolojik doku türleri, belirli bir dereceye kadar, adlandırılmış spektrum aralığı için neredeyse şeffaftır. Bununla birlikte, dokularda ışık yayılımı sırasında elastik saçılma süreçleri çok güçlüdür ve diğer yandan penetrasyon derinliklerini sınırlar.
Bu koşullarda, ışın zayıflaması ağırlıklı olarak izotropizasyon ve yetişkin insanlar üzerinde yapılan ölçümlerle açıklanabilir, örneğin yalnızca “yansıyan ışıkta” mümkündür. Bazı durumlarda “nüfuz eden ışık” ölçümleri hala mümkündür. Örneğin bebeklerde doğum beyin hasarını teşhis etmek için NIRS yöntemi uygulanabilir ve NIRS ekipmanının dedektörleri bebek başının zıt (ışık kaynaklarına göre) tarafına yerleştirilebilir. Bu, bebeklerin kemiklerinin, cildinin ve kafatası kapaklarının daha yüksek optik şeffaflığı nedeniyle mümkündür. Bununla birlikte, yukarıda bahsedilen davanın, çeşitli nedenlerden dolayı kesinlikle bir “BCI başvurusu” olmadığını kabul etmek gerekir.
Tüm bu faktörler ve genellikle biyolojik maddenin optik yoğunluğunun nispeten büyük değeri, küçük (fMRI’da mm boyutlu vokseller gibi) sondalama hacimlerinin keskin, kontrastlı ve hassas görüntülerini elde etme yeteneğimizi sınırlar. Bununla birlikte, bunun yalnızca bugünün tekniği ve teknolojisi için geçerli olduğu gerçeğini vurgulanmalıdır. Bununla birlikte, biraz büyük hacimlerde (genellikle birkaç santimetre küp) kromofor konsantrasyon dağılımının tahmini elde edilebilir ve böylece hedeflenen dokuda kimyasal dağılımının görüntüsü elde edilebilir. Bu, çeşitli BCI türleri dahil birçok uygulama için yeterlidir.
Kromoforların seçimi (yani fizyolojik olarak ilgili maddeler), belirli bir ekipmanda yerleşik ışık kaynaklarının dalga boyuna bağlıdır. Belirli bir dalga boyu, belirli biyolojik doku için yapısal olarak önemli olan, ışığın kromatofor ile tercih edilen etkileşimini garanti eder. Fizyolojik açıdan en önemli kromoforlar arasında hemoglobin, glikoz, miyoglobin ve sitokrom-c-oksidaz adlandırılabilir. BCI’lar için de geçerli olan NIRS tıbbi cihazlarının ezici çoğunluğu, serebral hemodinamik ölçüm amaçları için tasarlanmıştır. Bu cihazlar, hedef oksijeni giderilmiş hemoglobin ve oksi-hemoglobin için 735-760 ve 810-860 nm dalga boylu ışık kaynaklarını uygun şekilde kullanır ve sürekli dalga deneysel paradigması olarak adlandırılan bu paradigmayı kullanır; kaynaklar tarafından üretilen ilk güce kıyasla
İstisnalar olmasına rağmen zaman gecikmeleri, faz ve frekans parametresi değişiklikleri ihmal edilir. “Sürekli dalga” cihazı, oksi- ve deoksihemoglobin konsantrasyon değişikliklerinin “görüntülerini” veya dağılım haritalarını oluşturmaya izin verir ve doku oksijenasyon indeksi (TOI) ve normalleştirilmiş toplam hemoglobin indeksini (nTHI) ölçer. Böylesi bir hemodinamik aktivite gözlemlerinin NIRS’yi fMRI BOLD ile ne kadar yakından ilişkilendirdiğine dikkat edilmelidir. Her iki yöntem de kan oksijenasyon seviyelerini kendi yöntemleriyle ölçer.
NIRS cihazlarının kendisi genellikle bir ve birkaç onlarca ışık kaynağı ve dedektörden oluşur. Olası her bir “kaynak dedektörü” çifti bilgilendirici bir “kanal” oluşturur veya oluşturmaz; yani yoğun nöral aktivitenin meydana gelip gelmediği bölgeden geçip geçmediği ve kaynak-optod ışığının dokulardan geçip geçip geçmediği. Analog-dijital dönüştürücü (ADC), dedektörlerin çıkışını ve filtreleme ve ön işlemeden sonra, genellikle kalp atışını, solunum yavaş dalgalarını ve diğer fizyolojik olmayan artefaktları ve hacmin hemodinamiğiyle ilgili bilgileri filtrelemek için hareketli ortalama filtre şeklinde gerçekleştirilir. Seçili kaynak dedektör optod. 
pozisyonuna göre arasında ve biraz derinlikte ”, analize hazır. Kaçınılmaz olarak kaynaktan detektöre giden yolda, Radyasyonun bir kısmı dokularda kaybolacak ve asla detektöre girmeyecektir. Hedef hacimden yaygın olarak yansıtılan diğer kısım zayıflayacak ve niceliksel olarak tahmin edilebileceği dedektöre girecektir.
Kaynakların ve dedektörlerin, aralarındaki mesafe kafa derisi yüzeyinde yaklaşık 3 cm olduğunda, insan beyninin kortikal alanlarının aktivasyonunu tespit etmek için yeterli olan 3-5 cm’lik bir sondalama derinliği sağlar, ancak bu dolaylı olarak meydana gelir. metabolik etkiler. Yoğun nöral aktivite (genellikle arka plandaki aktiviteden çok farklıdır) oksijen verilmesi, bunun nöronlar tarafından emilmesi ve metabolik ürünlerin boşaltılmasıyla birlikte bir süreçtir. Böyle bir faaliyetin yorumlanması, pratik olarak herhangi bir BCI için temeldir.
Öte yandan, böyle bir kurulum EEG ölçümlerinin NIRS ile paralel olarak ve NIRS kanallarının doğrudan yakınında yapılmasına izin verir. Bu, hibrit BCI’lar oluşturmak için bir anahtardır. Prensip olarak, hibrit BCI’larda, yalnızca ve sadece EEG uygulanamaz, ancak EEG en popüler, basit, erişilebilirdir ve teknik olarak genellikle NIRS cihazlarının işleyişini hiçbir şekilde bozmaz ve bunun tersi de geçerlidir.
Maddede ışığın yayılmasını tanımlayan tüm yöntemler arasında, en az ikisinin farkına varılması gerekir. Birincisi, radyatif transfer denklemi (RTE) (ve difüzyon yaklaşımı gibi çeşitli yaklaşımları) kesindir, ancak ele alınması zordur ve nispeten karmaşık problem türleri için çözülmesi neredeyse imkansızdır. İkincisi, diğer yandan, ışık ve radyasyonun basitleştirilmiş tanımı için özel olarak “tasarlanmış” fenomenolojik “değiştirilmiş Beer-Lambert yasası”, genel olarak bulanık ortamlardadır. NIR ışığı bakış açısından beyin ve örtüleri, güçlü bulanık özelliklere sahip olanlar olarak düşünülebilir.
Bu nedenle, yasa, ilk ışın demetindeki zayıflamanın, hem oksi- hem deoksihemoglobin ve diğerleri gibi her kimyasal veya kromofor için özel sabitler olarak değerlendirilen yok olma katsayılarının değerine bağlı olduğunu belirtir. Fotonları yaymanın bireysel saçılma eylemleri nedeniyle, giriş noktasından bulanık ortamdan çıkış noktasına kadar olan yolları eğriseldir. Sözde diferansiyel yol faktörü (DPF), bu fenomenin değiştirilmiş Beer-Lambert yasasında tanımlanması amacına hizmet eder. Söz konusu kanun dikkatli kullanılmalı ve bahsedilen katsayıların değiştiği sınırlara biraz dikkat edilmelidir. Nöral doku çok zengin kan mikrosirkülasyonuna sahiptir, gözlem için istenen bu kan akışları ölçeğinde değiştirilmiş Beer-Lambert yasasını yapan, daha ziyade kaba bir yaklaşım gibi görünmektedir.
Gerçekte, hemoglobin molekülleri ile NIR-ışık etkileşim süreci çok daha karmaşıktır. Örneğin, hemoglobinin kendisi karmaşık bir moleküler yapıya sahiptir ve bu nedenle ışık saçılımını ve absorpsiyonunu etkiler (saçılma partikülleri form faktörü). Ek olarak, hemoglobin molekülleri serbest kan elementleri değildir, ancak dinamik olarak değişen yapılandırılmış parçacıklara dahil edilirler, kan dolaşımında kaotik olarak hareket eden ve dolayısıyla kendi form özelliklerine sahip olan eritrositlerdir. Mikro düzeydeki tüm bu faktörler saçılma ve soğurma süreçlerinde önemli rol oynarlar, ancak günümüzün modern ekipmanların izin verdiği gözlemlenebilir ölçeklerde (doğrusal boyutlarda 1-5 cm), neredeyse hiç anlamlı olarak adlandırılamazlar. Bu, değiştirilmiş Beer-Lambert yasasını tanımlanan sorunlar sınıfına uygulanabilir kılar.
NIR spektrumunda kafatası tomografisi şu anda, özellikle burada ele alınan BCI’lerin uygulanması bağlamında, neredeyse yaygın olarak uygulanmamaktadır. Bu tür durumların nedenleri arasında kalitesizlik, zıtlık talep eden görüntü çözünürlüğü ve diğer bazı genel kısıtlamalar bulunmaktadır. Teknolojinin kendisi umut verici olmasına ve bazı optik tomografi ekipmanı parçalarının mevcut olmasına rağmen, önemli bir karmaşıklıkla açıklanabilir ve yine de NIR dalga uzunluğunda elde edilen tomografik görüntü işlemenin matematiksel yöntemleriyle ve bazı teknik zorluklarla yeterince geliştirilememiştir. Bununla birlikte, sorunun çözümüne yönelik bazı yaklaşımlar mevcuttur (örneğin, bkz. Diffüz optik tomografi veya DOT vb.gibi)
Bilimsel ekipmanların, matematiksel ve teknik ölçüm yöntemlerinin devam eden mükemmellik süreci, şimdi daha önce gözlemlenmesi imkansız olan bazı sinyal özelliklerinin tespit edilmesini sağlıyor. Özellikle, daha önce temelde EEG aracılığıyla uyarılmış potansiyelleri tespit etmek için geliştirilen yöntemler olan NIRS üzerinde tabiri caizse “taşınabilirlik” üzerine yapılan bazı araştırmalar vardır. Bu tür araştırmalar arasında, yazarlar açısından potansiyelleri uyandıran düşük gecikmeli EEG’nin optik analogu olan hızlı optik sinyallerin (FOS) kaydına ilişkin raporlar görülebilir. Bu tür fenomenin güvenilir kayıt tekniği, uyarılmış potansiyel paradigmaya dayalı NIRS BCI oluşturulmasına izin verecektir.
Alandaki temel araştırmaları işaretlemek de gereklidir. Buna iyi bir örnek, NIRS ile yürütülen bağlantı üzerine araştırma yapar. Belirli görevler için uygulanan ekipmanın oluşturulması sırasında her zaman gerekli olan ek verileri sağlayabilir, örneğin inme sonrası veya nörotravma hastaları için, beyin aktivite modellerinin ciddi değişikliklere uğradığı klinikler ve sağlıklı BCI kullanıcılarıdır. Genel olarak, farklı korteks bölgelerinin bağlanabilirliği üzerine araştırma, sadece BCI görevine özgü aktiviteyi kaydeden NIRS kanal gruplarının tespit edilmesine değildir. Aynı zamanda, örneğin, bilgilendirici olarak nispeten yüksek gürültü seviyelerine sahip kanalların varsayılmasına da izin verir ve böylece tanımlanması için daha fazla bilgi üretirken, etkinlik modelini ve dolayısıyla BCI sistem performansını artırır.
Bu aynı zamanda kayıt yöntemine bakılmaksızın da geçerlidir: NIRS, EEG, vb. Belirli BCI sisteminin geliştirme aşamasındaki (test etme ve belirli bir grup kişiye veya tek bir kullanıcıya uyarlama) bağlanabilirlik hakkındaki bilgiler, örneğin, Kanal seçimi gibi hesaplama açısından zor olan bu süreci kolaylaştırır. Bu, bilgilendirici veya daha az bilgilendirici veri çıkışı olan kanallara dahil etme ve / veya değerlendirme dışında bırakma anlamına gelir. Aksi takdirde, kanal seçim prosedürü, genellikle zaman alan bazı karmaşık arama algoritmalarının yürütülmesini gerektirir. Bu tür ilgili kanal seçimi süreci, BCI hedef durum sınıflandırılabilirliğini arttırır, çünkü eldeki görevle ilgili en bilgilendirici kanalları örneklemektedir.
Dinlenme durumu bağlantı araştırması, korteks bölgelerinin karşılıklı ilişkilerinin anlaşılması için gerekli yaklaşım ve yöntemlerin geliştirilmesine izin verdiği için de faydalıdır. Benzer şekilde, işlevsel bağlantı araştırması, bazı görev performansı sırasında karşılıklı ilişkilerin anlaşılmasına izin verir. Kayıtlı aktivite kalıpları, doğaları gereği sabit değildir. Akıcı ve sürekli bir değişim geçirirler. Böylece, mekânsal ve zamansal ilişkilerinin anlaşılması; yani bağlanabilirlik, muhtemelen zihinsel görevin yürütülmesi sırasında değişen sınırları tahmin etmeye veya en azından işaretlemeye izin verecektir.
Sonuç olarak, böyle bir değerlendirme, genel olarak BCI işlevselliğini ve stabilitesini artırmaya izin verebilir. Bağlantı araştırması için iyi bir firma yöntemi olarak, bağımsız bileşen analizini (ICA) adlandırmak gerekir. Tüm verileri uzamsal ve geçici olarak bağımsız bir bileşen kümesine ayırabilen ICA, böylece yararlı, bilgilendirici verilerin gürültüden ve yapay nesnelerden (göz hareketleri tarafından üretilen okülografik eserler gibi) ayrılmasına izin verir ve BCI performansını artırır. Elektriksel veya metabolik, yani NIRS kayıtlı aktiviteyi spesifik bir serebral korteks bölgesine ve dolayısıyla zihinsel bir duruma daha iyi veya daha kesin bir şekilde ilişkilendirmek için kullanılabilir. Örneğin, lokalizasyonu esas olarak motor bölgelere odaklanan ICA bileşeni, ilişki yoluyla bazı motor eylemlerin veya motor eylem hayal gücünün bir yansıması olarak görülebilir.
Alternatif olarak, Broca bölgesinde lokalize olan ICA bileşenleri akustik algının sinyalini verir. Diğerlerinin yanı sıra, işleme yöntemleri, uzamsal ve zamansal olarak yerelleştirilmiş bileşenlerde sinyal ayırma için yararlı yöntemler olabilir veya belirli süreç güdümlü bileşenler için, deneysel mod ayrıştırma yönteminden ve modifikasyonlarından söz edilmelidir. Araştırmadaki bağlantı sorunu ile ilgili olarak, tekrarlayan transkraniyal manyetik stimülasyonun daha invazif bir önlem olarak kullanıldığına dikkat edilmelidir.
Temel araştırmalardan ve optiklerin beyin araştırmalarındaki rolünden bahsetmişken, optogenetikten bahsetmek gerekir. Bu genetiği değiştirilmiş sinir dokularını aktive etmek veya gözlemlemek için ışığı (bazı durumlarda NIR aralığında) kullanan hızla gelişen alandır. Bu ilginç ve hızla gelişen alanların yanı sıra, geleneksel NIRS tabanlı ve hibrit BCI’da evrim için bolca yer olduğunu söylemek gerçeklikten uzak olmayacaktır. NIRS tabanlı BCI ve görüntüleme teknolojisinin birçok avantajı vardır. Bunlar arasında, invaziv olmama, kullanıcılar için güvenlik, taşınabilirlik ve son sırada değil – örneğin fMRI kurulumlarına kıyasla oldukça düşük fiyat olarak adlandırılabilir.
Kaynakça:
https://www.researchgate.net/publication/8218746_Methods_for_measuring_the_infrared_spectra_of_biological_cells
https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/infrared-spectroscopy
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu