JSPEC [光谱的 2314-4939 2314-4920 Hindawi出版 10.1155 /七百八十一万六千九百六十九分之二千〇二十○ 7816969 研究论文 用反射光学方法评价猪气管的拉力 https://orcid.org/0000-0002-6379-4827 Lomeli-Mejia 佩德罗A. 1 https://orcid.org/0000-0002-4329-5449 克鲁兹-奥雷阿沃罗 阿尔弗雷多 2 https://orcid.org/0000-0002-6969-0965 Araujo-Monsalvo 维克多·M。 1 Lopez-Sanchez 阿尔贝托。 3. Huerta-Azuara 安德烈斯 3. Aguirre-Palome 水晶 3. https://orcid.org/0000-0001-8922-7006 Dominguez-Hernandez 维克多·M。 1 都拉佐 亚历山德拉 1 德的LaboratorioBiomecánica 国家研究所Rehabilitación“路易斯·吉列尔莫·伊瓦拉伊瓦拉” 14389年墨西哥城 墨西哥 inr.gob.mx 2 Departamento德运动 CINVESTAV-IPN 墨西哥城07360 墨西哥 cinvestav.mx 3. 学府de蒙特雷 校园德城墨西哥 墨西哥城14380 墨西哥 tec.mx 2020 21 3. 2020 2020 11 11 2019 21 01 2020 11 02 2020 21 3. 2020 2020 版权所有:Pedro A. lomely - mejia等人 这是一篇在知识共享署名许可下发布的开放访问的文章,该许可允许在任何媒介上不受限制地使用、发布和复制,只要原稿被正确引用。

在呼吸和吞咽时,气管有多种功能。在需要部分切除的情况下,治疗可能包括吻合气管的健康端。吻合口张力不应超过1000克。传统的评估气管张力的方法是有创性的。这项工作的目的是开发一种用于估计气管张力的无创光学系统 体内。一种光学系统,是使用光源和光传感器的设计。以确定用于所述光源的最合适的波长,进行了光声光谱研究。To test the system, a cadaveric pig trachea was mounted on a universal testing machine, and it was subjected to three tensile tests of up to 30 mm elongation. The optical response was measured at 0, 10, 20, and 30 mm elongation. An exponential response was observed so that the optical voltage-response curves were adjusted, and three exponential equations were derived to correlate the voltage with the optical response. We can conclude that the proposed optical system is able to noninvasively estimate the tension of a cadaveric porcine trachea.

1.介绍

气管的解剖结构使它能够执行其功能。它有一个由肌肉和结缔组织连接的软骨环结构,使它在呼吸时保持开放;它的结构还为吞咽、颈部活动和说话提供弹性[ 1]。在手术中,由于良、恶性医疗条件的影响,需要切除气管的一段,就需要重建气道,维持气管的连续性。重建气管最简单的方法是切除受影响的气管段,然后吻合未受影响的气管末端。对于病变长度小于气管长度50%的成人,切除后可立即将气管两端连接[ 2]。如果是儿童,最多可安全取出40% [ 3.]。当既往无瘢痕时,行端到端吻合术是首选的治疗方法[ 4]。

以下吻合Postresection和重建的并发症是罕见的,但可能是严重[ 5, 6]。吻合的并发症包括附着处肉芽组织的存在,狭窄和分离,这可能意味着吻合的灾难性失败。其他作者认为再手术、年龄小、糖尿病、切除大于4cm、切除前存在气管切开等是发生吻合并发症的危险因素[ 7]。缝线张力可能导致吻合口狭窄[ 3., 7]。在以往的尸体研究中,建议切除的最大值为4.5 cm,相当于张力为1000 g [ 8, 9]。确定在吻合可接受张力的能力与经验教训,因为没有衡量它没有直接的方法 体内。在目前的工作中,一个光学系统被用来估计张力在猪模型 体外。为了确定在用于猪气管的光学系统中使用的适当的波长,进行了光声研究。一旦波长已经确定,一个装置被开发在适当波长发射光,使得光传感器可以捕获反射光的强度。张力估计在万能试验机进行渐进伸长猪气管,而所述光学装置被同时使用来间接测量在气管中的张力。此装置可用于在吻合操作期间测量的张力 体内气管。

2。材料和方法 2.1。光声光谱

光声光谱学允许我们确定具有最小光吸收的入射光的波长[ 10]。待研究样品被放置在一个封闭的圆柱形金属容器中,容器上覆盖着石英窗,以减少对紫外线或红外光的吸收。入射光被调制到一个固定的频率, f(17 Hz), by a rotating disk having a radial groove (chopper). Light enters the cell at the top, and a microphone is placed laterally, as shown in Figure 1。数字 2显示了用于光声研究的实验设备。

光声池。

光声光谱学实验装置。

光源为1000w氙灯;它的光束被聚焦到单色器上,以获得单色光束。该光束通过光纤被应用到样品上。样品的光学吸收光谱是通过计算机程序获得的,该程序通过调整单色仪扫描确定的波长范围。光声信号作为入射波长的函数得到。检测了两个猪气管样本。同时对采集到的数据进行处理,并绘制出相应的吸收光谱图。

2.2。光学系统的发展

光学系统必须满足以下设计要求:

可移植的

易于使用的

足够灵敏以测量反射光的强度小的变化

通过分叉光纤集成的光的透射

最小化噪声的环境光源产生

该装置包含耦合到分叉光纤的激光光源。激光击中样品并反射。反射光由分岔光纤的第二路径引导到感光元件。电子耦合卡与Arduino微控制器板通信,测量光传感器电压的变化,并显示光响应测量结果。数字 3.显示光学装置的框图。

测量猪气管模型中因张力引起的光学响应的原型的框图。

2.3。生物力学张力测试和光学反应测量

得到没有明显的疾病的年轻成年猪尸体气管的样品。将样品4小时获得样品,在此期间它被保存在生理溶液中测试。对应于纤维软骨管段被保存;肺,气管隆突,食管,环状软骨和甲状软骨被拆除。The testing length, in this case the distance between supports, was 100 mm. A universal Instron testing machine model 4502 (Instron Corp, Norwood, MA, USA) was used at a constant speed of 20 mm/min from 0 to 30 mm elongation. Optical equipment was mounted next to the test machine, and the optical response of the sample was recorded at 0, 10, 20, and 30 mm elongation (Figure 4)。用相同的试样和相同的实验装置进行了三次拉伸试验和光学响应测量。

测试在万能试验机气管的安排。

3.结果

小组织样本从两个尸体猪气管和安装在光声细胞。利用上述光声光谱仪设备,确定了它们的光吸收光谱随波长的变化。观察到,光吸收在较低的波长较高,并逐渐渐近地减少(图) 5)。We observed that there are high peaks in the absorption measured after 700 nm, so we chose a wavelength of 650 nm, which corresponds to the red color.

两具猪尸体气管样品在不同波长下的吸光度测定。

使用这种波长,这是可能的,以便测量气管张力来选择用于光学系统中的光电传感器适合。We selected the TSL 257 phototransistor (ams AG, Premstaetten, Austria), which operates at wavelengths between 300 and 1,100 nm and temperatures between 0 to 70°C.

对同一尸体猪气管标本进行了3次拉力试验,试验范围为0 ~ 30mm。在三次检验中,观察到图形显示了相似的指数趋势;第一个(T1)显示了7.5 mm延伸后的更高刚度,但是T2和T3测试显示了非常相似的行为(图) 6)。

猪气管试样三种拉力试验的载荷-伸长图。

表格 1shows the load results obtained from the tension test with the values measured by the optical system at 0, 10, 20, and 30 mm of elongation (equivalent to 0%, 10%, 20%, and 30%). Note that the curves have a nonlinear behavior. An exponential (allometric) nonlinear adjustment was made using Origin software version 8.0 (Origin Lab Corp., Northampton, MA, USA), as shown in Figure 7。得到以下方程: (1) Y = 95.76 X 0.0481 , T 1 Y = 96.24 X 0.0357 , T 2 , Y = 95.91 X 0.0356 , T 3.

负载和响应的光敏元件的延伸率为0%,10%,20%和30%。

延伸率(%) 测试1 测试2 测试3
负载(N) 光传感器(MV) 负载(N) 光传感器(MV) 负载(N) 光传感器(MV)
0 0 96.0 0 88.7 0 83.8
10 2.8 100.6 2.1 98.1 1.3. 96.1
20. 15.2 109.1 3.2 101.2 2.4 99.9
30. 43.5 114.9 33.8 109.0 30.9 108.2

在T1 (a)(标准误差= 0.1215)、T2 (b)(标准误差= 1.0912)和T3 (c)(标准误差= 0.9940)测试中,加载图形与指数调节光传感器的响应的对比。

4.讨论

气管是履行多种功能软骨环形成的解剖结构。如果一段被删除,重建气管的最简单的方法是气管的健康两端吻合。气管的延伸限制了该技术的使用,因为在吻合过大的张力会导致分离或狭窄。It has been established that the tension should not exceed 1,000 g at the ends subjected to anastomosis. Estimating tension on the trachea is usually done by 体外尸体标本的破坏性试验[ 11, 12]。在目前的工作中,光学系统被设计成非侵入性地测量在气管中的张力,从而允许所提出的系统以潜在地在临床环境中使用。

首先,将光声光谱进行了研究,来确定两个猪尸体气管样品的光吸收光谱。基于该信息,选择了650纳米红色光源。所开发的系统包括一个650纳米的光源,这是使用一个激光二极管和一个光电传感器,其捕获反射光的施加。为了校准系统,获得并进行张力尸体猪气管,而光学系统是用来测量相应的光学响应。

这些测试在相同的猪气管样本上做了三次。得到了张力与光响应的关系式。曲线遵循指数趋势,它们的方程有非常相似的值。如果我们为上述方程分配0.05 N到15 N的负载值,我们将得到如图所示的图形 8

Response of the three proposed equations with load values from 0.05 N to 15 N.

这项研究的一个局限性是使用了单个猪气管样本。然而,目前工作的目的是证明光学系统可以无创的方式测量气管张力。为了建立在人体病人身上使用该系统所需的校准曲线,需要使用经过拉力测试的新鲜人体尸体气管进行几项测试,并使用光学系统进行测量。

该系统可应用于临床,为气管切除术后重建提供决策依据。如果没有纤维化,末端-末端吻合术是最简单的重建形式[ 4];这个过程要求张力不要过大[ 8, 9]。一旦该系统已经适当地校准,一个可以决定何时使用端子间吻合来重建以及何时使用其它技术[ 1]。

5.结论

所提出的光学系统能够以一种无创的方式估计死猪气管的张力 体外模型。

数据可用性

支持本研究结果的数据可从通讯作者处获得。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者想对ESM-IPN的学生服务主管Griselda Franco Sanchez表示感谢,感谢他编辑了本文中使用的图形材料。

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