反射光学法评价猪气管张力

摘要

气管在呼吸和吞咽过程中起着多种作用。在需要部分切除的情况下，治疗可能涉及气管健康端的吻合。吻合口张力不应超过1000 g。传统的估计气管张力的方法具有很强的侵入性。这项工作的目的是发展一个无创的光学系统，专门用来估计气管的张力体内.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.

一。介绍

气管有一个解剖结构，允许它执行其功能。它有一个由肌肉和结缔组织连接的软骨环结构，允许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个]. 在需要切除受良性或恶性疾病影响的一段气管的手术中，必须重建气道并保持导管的连续性。重建气管最简单的方法是切除受影响的部分，然后再吻合未受影响的气管末端。对于病变影响气管长度小于50%的成人，切除后可以立即连接两端[2个]. 如果是儿童，最多40%可以安全移除[三]. 无疤痕时可选择端对端吻合术[4个]。

吻合后的切除和重建并发症并不常见，但可能很严重[5个,6个]. 吻合术的并发症包括附着、狭窄和分离处有肉芽组织，这可能意味着吻合术的灾难性失败。其他作者认为再手术、年龄小、糖尿病、大于4 cm的切除术和术前气管切开术是吻合并发症的危险因素[7个]. 缝合线上的张力可能导致吻合口狭窄[三,7个]. 在以前的尸体研究中，确定了推荐的最大切除率为4.5 cm，相当于1000 g的张力[八,9个]。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. 本文利用光学系统来估计猪模型的张力体外. 为了确定猪气管光学系统中使用的合适波长，进行了光声研究。一旦确定了波长，就开发了一种以适当波长发光的装置，这样光传感器就可以捕捉反射光的强度。在万能试验机上，用光学装置间接测量了猪气管的张力，并对其进行了测量。该装置可用于测量吻合过程中的张力体内气管。

2。材料和方法

2.1条。光声光谱

光声光谱学使我们能够确定入射光的波长，它具有最小的光吸收[10个]. 将要研究的样品放置在一个圆柱形的封闭金属电池中，电池上覆盖有石英窗，以尽量减少紫外线或红外线的吸收。样品上的入射光以固定频率调制，f型(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 Figure1个. 数字2个显示了用于光声研究的实验设备。

A 1,000 W Xe lamp was used as the light source; its beam was focused onto the monochromator in order to obtain a monochromatic light beam. That light beam was applied to the sample via optical fiber. The optical absorption spectrum of the sample was obtained using a computer program which sweeps through a defined range of wavelengths by adjusting the monochromator. The photoacoustic signal was obtained as a function of the incident wavelength. Two samples of porcine trachea were tested. The acquired data were processed simultaneously, and the graph corresponding to the absorption spectrum is shown.

2.2条。光学系统的发展

光学系统必须满足以下设计要求：（一世）便携式（ⅱ）使用方便（三）足够灵敏以测量反射光的强度小的变化（四）通过分叉光纤集成的光的透射（五）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。激光击中样品并被反射。反射光由分叉光纤的第二条路径引导至光传感器。电子耦合卡与Arduino微控制器板通信，以测量光传感器的电压变化并显示光响应测量值。数字三显示了光学设备的框图。

2.3条。生物力学张力测试及光响应测量

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 (Figure4个). 使用相同的样品和相同的实验装置进行了三次拉伸试验和光学响应测量。

三。结果

取两具猪气管标本，置于光声细胞内。利用上述光声光谱仪设备测定了它们的光吸收光谱与波长的函数关系。观察到，在较低的波长下，光吸收较高，并且逐渐和渐进地减小（图5个）。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.

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.

在同一具0～30 mm猪气管标本上进行三次张力试验。在三个试验中，观察到图形显示出相似的指数趋势；第一个试验（T1）显示出从7.5 mm的延伸率开始的较高刚度，但试验T2和T3显示出非常相似的行为（图6个）。

桌子1个shows 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 Figure7个. 得到以下方程：

四。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体外尸体破坏性试验[11个,德意志北方银行]。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。

这些试验在同一个猪气管样本上进行了三次。得到了张力与光学响应的关系式。曲线遵循指数趋势，其方程具有非常相似的值。如果我们将0.05 N到15 N的荷载值赋给上述方程式，我们将得到如图所示的图表八.

这项研究的一个局限性是使用单一的猪气管样本。然而，本研究的目的是证明光学系统可以无创地测量气管的张力。为了建立在人类患者中使用该系统所需的校准曲线，必须使用新鲜的人体尸体气管进行几项测试，这些气管接受张力测试，并使用光学系统进行测量。

该系统可用于临床手术后气管重建的决策。如果没有预先存在的纤维化，末端吻合是最简单的重建方式[4个]；此程序要求张力不要过大[八,9个]。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个]。

5个。结论

所提出的光学系统能够无创地估计尸体猪气管的张力体外模型。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求从相应的作者处获得。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

致谢

作者对ESM-IPN学生服务部负责人格里塞尔达·弗兰科·桑切斯编辑本文中使用的图形材料表示感谢。

参考

1. M、 Den Hondt和J.J.Vranckx，“气管缺损的重建”材料科学杂志：医学材料，第28卷，第2期，第24-34页，2017年。查看位置：发布者网站|谷歌学术
2. H. C.格里洛，“气管重建：在100个连续例临床分析”胸部，第28卷，第6期，第667-6791973页。查看位置：发布者网站|谷歌学术
3. A、 A.Del Orimier，M.R.Harrison，K.Hardy，L.J.Howell和N.S.Adzick，“婴幼儿气管支气管阻塞”外科学年鉴卷。212，没有。3，第277-289，1990。查看位置：发布者网站|谷歌学术
4. H、 C.Grillo，“气管置换术”胸外科年鉴，第49卷，第6期，第864-8651990页。查看位置：发布者网站|谷歌学术
5. L.库兰德，A. L. Brunteau，C. Martigne和C. Meriot，“防治并发症和气管切除吻合术的后遗症，”国际外科，第67卷，第3期，第235-239页，1982年。查看位置：谷歌学术
6. H. C.格里洛，P. Zannini，和F. Michelassi，“气管重建的并发症，”该中华胸心血管外科杂志，第91卷，第3期，第322-3281986页。查看位置：发布者网站|谷歌学术
7. C、 D.Wright，H.C.Grillo，J.C.Wain等人，“气管切除术后吻合口并发症：预后因素和处理”该中华胸心血管外科杂志卷。128，没有。5，第731-739，2004。查看位置：发布者网站|谷歌学术
8. H. C.格里洛，E.F迪格南，T.三浦和J. G.斯坎内尔，“广泛切除和纵隔气管的重建无假体或移植物：在人的解剖学研究，”该中华胸心血管外科杂志，第48卷，第5期，第741-7491964页。查看位置：发布者网站|谷歌学术
9. J、 B.Mulliken和H.C.Grillo，“一期吻合气管切除术的限度”该中华胸心血管外科杂志卷。55，没有。3，第418-421，1968。查看位置：发布者网站|谷歌学术
10. C、 “光声光谱及其在光合作用研究中的应用，”光合作用研究，第5卷，第1期，第29-46页，1984年。查看位置：发布者网站|谷歌学术
11. A、 D.Meyer，H.E.Bishop和S.Peters，“人体气管的生物力学特性”耳鼻咽喉 - 头颈外科卷。88，没有。4，第409-411，1980。查看位置：发布者网站|谷歌学术
12. O.特拉贝尔西，A.P。德尔帕洛马尔，J. L.洛佩兹维拉洛博斯，A. Ginel和M.Doblaré，“实验表征和人类气管的机械特性的本构模拟，”医学工程与物理卷。32，没有。1期，第76-82，2010。查看位置：发布者网站|谷歌学术

版权

版权所有©2020 Pedro A.LomelíA等人。这是一篇在知识共享署名许可协议，它允许在任何媒体中不受限制地使用、分发和复制，前提是正确引用了原始作品。