近赤外分光法

近赤外分光法（NIRS）は、電磁スペクトルの近赤外領域（780 nm～2500 nm）を利用する分光法です。 ^{[ 1 ]}一般的な用途としては、血糖値、パルスオキシメトリー、機能的神経画像、スポーツ医学、エリートスポーツトレーニング、人間工学、リハビリテーション、新生児研究、脳コンピューターインターフェース、泌尿器科（膀胱収縮）、神経学（神経血管カップリング）などの医療および生理学的診断と研究があります。また、医薬品、食品および農薬の品質管理、大気化学、燃焼伝播などの他の分野にも応用されています。  

近赤外分光法は、分子の倍音と組み合わせ振動に基づいています。^{[ 2 ]}倍音と組み合わせ振動は基本振動に比べて強度が低いため、近赤外領域でのモル吸光係数は通常非常に小さいです。 ^{[ 3 ]} (近赤外吸収帯は通常、対応する中赤外の基本吸収帯よりも 10 ～ 100 倍弱いです。) ^{[ 4 ]}吸収が低いため、近赤外放射は中赤外放射よりも試料の奥深くまで浸透します。^{[ 5 ]}したがって、近赤外分光法は特に感度の高い技術ではありませんが、試料の前処理をほとんど、あるいは全く行わずにバルク材料をプローブするのに非常に役立ちます。

近赤外領域で観測される分子の倍音および結合バンドは通常非常に幅広く、複雑なスペクトルを生じます。そのため、特定の化学成分に特定の特性を割り当てることは困難な場合があります。目的の化学情報を抽出するために、多変量（複数の変数）校正技術（例えば、主成分分析、部分最小二乗法、または人工ニューラルネットワーク）がよく用いられます。近赤外分析法では、校正サンプルセットの慎重な開発と多変量校正技術の適用が不可欠です。^{[ 6 ]}

近赤外線エネルギーの発見は19世紀のウィリアム・ハーシェルによるものとされているが^{[ 7 ]} 、最初の産業応用は1950年代に始まった。初期の応用では、NIRSは紫外線（UV）、可視光（Vis）、中赤外線（MIR）分光計など、他の波長を使用する他の光学機器へのアドオンユニットとしてのみ使用されていた。1980年代には、単体のスタンドアロンNIRSシステムが利用可能になった。

1980年代、カール・ノリス（米国農務省ベルツビルにある計測機器研究所に勤務）は、農産物の品質評価に近赤外分光法を用いる方法を先駆的に開発しました。それ以来、その用途は食品や農業から化学、ポリマー、石油産業、製薬産業、生物医学、環境分析へと拡大しています。^{[ 8 ]}

1980年代半ばの光ファイバー技術の導入と1990年代初頭のモノクロメーター検出器の開発により、NIRSは科学研究のためのより強力なツールとなった。この方法は、物理学、生理学、医学など、多くの科学分野で使用されてきた。NIRSが患者のモニタリングのための医療ツールとして使用されるようになったのはここ数十年のことであり、いわゆるfNIRSの最初の臨床応用は1994年に行われた。 ^{[ 9 ]}

近赤外（NIR）分光法の計測装置は、紫外可視および中赤外領域の計測装置と類似しています。光源、検出器、および分散素子（プリズム、あるいはより一般的には回折格子など）を備え、異なる波長における強度を記録します。干渉計を用いたフーリエ変換NIR装置も一般的で、特に波長が約1000 nmを超える場合に用いられます。試料によっては、反射または透過のいずれかでスペクトルを測定できます。 

分析用途における近赤外線広帯域光源としては、一般的に白熱電球や石英ハロゲン電球がよく用いられます。発光ダイオード（LED）も使用可能です。高精度分光法においては、波長走査レーザーや周波数コムが近年強力な光源として注目されていますが、データ取得に時間がかかる場合もあります。レーザーを用いる場合、分散素子を用いない単一の検出器で十分な場合もあります。

使用する検出器の種類は、主に測定対象の波長範囲によって決まります。シリコンベースのCCDは近赤外線（NIR）領域の短波長側に適していますが、ほとんどの波長範囲（1000  nm以上）では感度が十分ではありません。InGaAsおよびPbSデバイスは、1100 nm以上の波長においてより適しており、量子効率も高くなっています。シリコンベースとInGaAsの検出器を同じ装置に組み合わせることが可能です。このような装置では、紫外可視スペクトルと近赤外線スペクトルを「同時に」記録できます。

近赤外線での化学イメージングを目的とした装置では、音響光学可変フィルターを備えた2Dアレイ検出器が使用される場合がある。複数の画像を異なる狭い波長帯域で連続的に記録することができる。^{[ 10 ]}

市販のUV/vis分光計の多くは、近赤外線領域（おそらく900 nm程度まで）のスペクトルを記録できる 。同様に、一部の中赤外線分光計の測定範囲は近赤外線領域まで及ぶ場合がある。これらの分光計では、近赤外線波長用の検出器は、多くの場合、その分光計の「主」測定範囲用の検出器と同じである。

近赤外分光法を分析手法として用いるようになったのは、中赤外分光法を近赤外領域に拡張したからではなく、独自に発展したからである。その顕著な例として、中赤外分光法ではスペクトル表示に波数（cm⁻¹ ）を用いるのに対し、近^{赤外分光法では}紫外可視分光法と同様に波長（nm ）を用いる点が挙げられる。吸収帯を特定の結合タイプに割り当てることに依存していた初期の赤外分光法の実践者は、測定対象の結合領域の複雑さに悩まされていた。しかし、定量ツールとしては、結合領域におけるモル吸光度が低いため、吸収極大が「スケール内」に保たれ、試料前処理をほとんど必要とせずに定量分析が可能であった。これらの複雑なスペクトルから定量情報を抽出するために用いられる手法は、分析化学者には馴染みがなく、学界では疑念の目で見られていた。

一般的に、定量的近赤外分析は、参照法によって分析対象物質の濃度が決定されている校正用サンプル群を選択し、化学計量ツールを用いて様々なスペクトル特性とこれらの濃度との相関関係を見つけることによって行われます。次に、参照法によって値が決定されているが校正には含まれていない検証セットのサンプルの分析対象物質の値を予測するために校正を使用することで、校正が検証されます。検証済みの校正は、サンプルの値を予測するために使用されます。スペクトルの複雑さは、多変量校正を使用することで克服されます。最もよく使用される2つのツールは、多波長線形回帰と部分最小二乗法です。

近赤外分光法の典型的な応用例としては、食品、医薬品、燃焼生成物の分析、および天文学分光法の主要な分野などが挙げられる。

医療用途

NIRSの医学における応用は、微小循環内のヘモグロビンの酸素飽和度に関する情報を提供する能力に重点が置かれている。^{[ 19 ]}広義には、脳（脳NIRS）または末梢組織（末梢NIRS）の酸素化と微小血管機能を評価するために使用できる。

脳内NIRS

脳の特定領域が活性化されると、その領域の局所的な血流量が急速に変化します。光イメージングは​​、光吸収係数の測定によって血液ヘモグロビンレベルを継続的にモニタリングすることで、脳の特定領域の位置と活動を測定できます。^{[ 20 ] [ 21 ]}

NIRSは、スキャナーを頭部の4箇所に置くことで、頭蓋内出血の可能性のある症例を迅速にスクリーニングするツールとして使用できます。外傷のない患者では、脳は近赤外線を均等に吸収します。外傷による内出血がある場合、血液が1箇所に集中し、近赤外線が他の場所よりも多く吸収されるため、スキャナーがそれを検出します。^{[ 22 ]}

いわゆる機能的NIRSは、認知心理学の分野でfMRI技術の部分的な代替として、神経活動に関連する血液ヘモグロビン濃度の変化を検出することにより、ヒト被験者の頭蓋骨をそのままにして脳機能を非侵襲的に評価するために使用できます。^{[ 23 ]} NIRSは乳幼児にも使用でき、fMRI装置よりもはるかに持ち運びやすく、ワイヤレス機器も利用可能であるため、自由に動く被験者での調査も可能です。^{[ 24 ] [ 25 ]}しかし、NIRSは皮質組織のスキャンにしか使用できないのに対し、fMRIは脳全体の活性化を測定できるため、NIRSはfMRIを完全に代替することはできません。単独および組み合わせたNIRS/MRI測定の分析のための特別なパブリックドメインの統計ツールボックスが開発されています。^{[ 26 ]}

人間の皮質の機能マッピングへの応用は、機能的NIRS（fNIRS）または拡散光トモグラフィー（DOT）と呼ばれます。^{[ 27 ]}拡散光トモグラフィーという用語は、3次元NIRSに使用されます。NIRS、NIRI、およびDOTという用語はしばしば互換的に使用されますが、いくつかの違いがあります。NIRSとDOT/NIRIの最も重要な違いは、DOT/NIRIは主に複数の測定点から組織の光学的特性の変化を同時に検出して、特定の領域上のマップまたは画像の形で結果を表示するために使用されるのに対し、NIRSは最大でいくつかの特定の点について絶対値で定量的データを提供するということです。後者は、たとえば筋肉[28]、乳房、腫瘍[29]などの他の組織を調査するためにも使用されます。NIRSは、^{筋肉の血流}、^血液量、酸素消費量、再酸素化率、および筋肉の回復時間を定量化するために使用できます。^{[ 28 ]}

複数の波長と時間分解（周波数または時間領域）および/または空間分解法を用いることにより、血流、体積、および絶対組織飽和度（${\displaystyle StO_{2}}$または組織飽和指数（TSI））を定量化できます。^{[ 30 ]} NIRS法によるオキシメトリーの応用分野には、神経科学、人間工学、リハビリテーション、脳コンピューターインターフェース、泌尿器科、血液循環に影響を与える疾患（末梢血管疾患など）の検出、乳がんの検出と評価、スポーツ医学におけるトレーニングの最適化などがあります。

インドシアニングリーン（ICG）のボーラス注射と併用したNIRSの使用は、脳血流量^{[ 31 ] [ 32 ]}および脳酸素消費代謝率（CMRO2）^{[ 33 ]}の測定に用いられてきた。 また、CMRO2はNIRS/MRI測定の組み合わせで計算できることも示されている^{[ 34 ]} 。さらに、広帯域NIRSを使用してミトコンドリアの別の発色団であるシトクロムcオキシダーゼを分解することで代謝を調べることができる^{[ 35 ] 。}

NIRSは、心臓手術後の患者管理を支援するため、小児集中治療において使用され始めています。NIRSは、心拍出量によって決まる静脈血酸素飽和度（SVO2）だけでなく、その他のパラメータ（FiO2、ヘモグロビン、酸素摂取量）も測定できます。そのため、NIRS検査は集中治療医に心拍出量の推定値を提供します。NIRSは非侵襲的で痛みがなく、電離放射線を使用しないため、患者にも好まれています。

光コヒーレンストモグラフィー（OCT）は、低倍率顕微鏡と同等の高解像度で3D画像を取得できる近赤外線（NIR）医療画像技術です。光コヒーレンスを用いて光子の経路長を測定することで、OCTは生体組織の画像を構築し、組織形態を鮮明に観察することができます。技術的な違いから、OCTは組織表面から1～2mm下の画像しか取得できませんが、この制限にもかかわらず、OCTは特に網膜や眼の前眼部、冠状動脈の画像化において 、確立された医療画像技術となっています。

ニューロフィードバックの一種である脳血流測定法（HEG）は、近赤外線技術を用いて脳活動、特に前頭葉の活動を測定し、その領域の脳活動を訓練することを目的としている。

NIRS/NIRI/DOT/OCTの機器開発はここ数年で飛躍的に進歩しており、特に定量化、イメージング、小型化の面で顕著である。^{[ 30 ]}

末梢NIRS

末梢微小血管機能は、近赤外分光法（NIRS）を用いて評価できる。組織中のヘモグロビン酸素飽和度（StO2）は、組織灌流に関する情報を提供する。微小血管機能の評価には、血管閉塞試験（VOT）を用いることができる。末梢NIRSモニタリングの一般的な部位としては、母指球、前腕、ふくらはぎの筋肉などが挙げられる。

• Kouli, M.: 「近赤外分光法を用いた成人における脳血流の非侵襲的測定に関する実験的研究」 博士論文、ミュンヘン工科大学、2001年12月。
• Raghavachari, R. 編. 2001.バイオテクノロジーにおける近赤外線応用、Marcel-Dekker、ニューヨーク、NY。
• Workman, J.; Weyer, L. 2007. Practical Guide to Interpretive Near-Infrared Spectroscopy , CRC Press-Taylor & Francis Group, Boca Raton, FL.

• NIR分光法（Wayback Machineに2015年1月12日にアーカイブ済み） NIR分光法ニュース