使用反射光学法评估猪气囊中的拉力

抽象的

气管在呼吸和吞咽过程中提供各种功能。在需要部分切除的情况下，治疗可能涉及气管的健康末端的吻合。吻合术中的张力不应超过1000克。估计气管中张力的传统方法非常侵入。这项工作的目的是开发一种致力于估计气管张力的非侵入性光学系统体内。使用光源和光电传感器设计光学系统。为了确定光源最合适的波长，进行光声光谱研究。为了测试该系统，将尸体猪气管安装在通用试验机上，并进行三个高达30mm伸长的拉伸试验。在0,10,20和30mm伸长率下测量光学响应。观察到指数响应，从而调整光学电压 - 响应曲线，得出三个指数方程以将电压与光学响应相关联。我们可以得出结论，所提出的光学系统能够非侵入地估计尸体猪气管的张力。

1.介绍

气管具有解剖结构，可以实现其功能。它具有由肌肉和结缔组织连接的软骨环结构，使其在呼吸时保持开放;其结构还为吞咽，颈部移动性和语音提供弹性[1]。在需要去除受良性或恶性医疗条件影响的气管部分的手术中，有必要重新建立气道并保持管的连续性。重建气管的最简单方法涉及切除受影响的细分，其次是气管的未受影响末端的吻合。在患有气管长度占气象长度的病变的成年人中，两端可以在切除后立即连接[2]。在儿童的情况下，可以安全地删除高达40％的人[3.]。嵌段切除端到端吻合术是在没有先前的疤痕时选择的选择[4.]。

吻合术后的Postrestion和重建并发症罕见，但可能是严重的[5.那6.]。吻合术的并发症包括附着，狭窄和分离部位的肉芽组织存在，这可能意味着缔结吻合术的灾难性失败。其他作者已经确定了重新进食，早期，糖尿病，切除大于4厘米，并且在切除之前的气管切开术存在作为吻合术并发症的危险因素[7.]。缝合线的张力可能导致吻合术中的狭窄[3.那7.]。在先前的尸体研究中，建立了最大推荐切除术为4.5厘米，这对应于1,000克的张力[8.那9.]。在经验中学习了确定吻合术中可接受紧张的能力，因为没有直接的方法来衡量它体内。在本作工作中，光学系统用于估计猪模型中的张力体外。为了确定在光学系统中用于猪气管的适当波长，进行了一种光声研究。一旦确定了波长，就开发了一种设备以发射适当波长的光，使得光电传感器可以捕获反射光的强度。在通用试验机中进行渐进式伸长率的猪气管中估计张力，而光学装置同时用于间接测量气管上的张力。该设备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。光声光谱学

光声光谱允许我们确定具有最小光学吸收的入射光的波长[10.]。要研究的样品被置于圆柱形封闭金属电池中，该电池覆盖有石英窗，以最小化紫外线或红外光的吸收。样品上的入射光以固定频率调制，F（17 Hz），旋转盘具有径向凹槽（斩波器）。光进入顶部的电池，横向放置麦克风，如图所示1。数字2显示用于光声研究的实验设备。

1,000 W XE灯用作光源;其光束集中在单色仪上，以获得单色光束。通过光纤将光束施加到样品上。使用计算机程序获得样品的光学吸收光谱，该计算机程序通过调节单色镜通过限定的波长范围而获得。作为入射波长的函数获得光声信号。测试了两种猪气管样品。同时处理获取的数据，并示出了对应于吸收光谱的图表。

2.2。光学系统的开发

光学系统必须满足以下设计要求：（一世）便携的（ii）易于使用（iii）足够敏感以测量反射光强度的小变化（iv）通过分叉光纤整合光传输（v）最小化环境光源产生的噪音

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。反射光由分叉光纤的第二路径引导至光电传感器。电子耦合卡与Arduino微控制器通信，以测量光电传感器电压的变化并显示光学响应测量。数字3.示出了光学装置的框图。

2.3。生物力学张力测试和光学响应的​​测量

获得了没有明显疾病的年轻成年猪的尸体气管样品。在获得样品的4小时内测试样品，在此期间它保持在生理溶液中的时间。保持对应于纤维纤维管的区段;除去肺，Carina，食道，Cricoid和甲状腺软骨。测试长度，在这种情况下，支撑件之间的距离为100 mm。通用Instron试验机型号4502（Instron Corp，Norwood，MA，USA）以恒定的速度从0到30毫米伸长率。光学设备安装在试验机旁边，并将样品的光学响应记录在0,10,20和30mm伸长率（图中4.）。使用相同的样品和相同的实验设置，使用相同的样品和测量光学响应的​​拉伸试验和测量。

结果

小组织样品从两个尸嘌呤猪气囊中取出并安装在光声电池中。使用上述光声光谱仪设备确定它们的光学吸收光谱作为波长的函数。观察到光学吸收在较低波长下较高并且逐渐降低和渐近（图5.）。我们观察到在700nm后测量的吸收中有高峰，因此我们选择了650nm的波长，这对应于红色。

使用该波长，可以选择光学系统的合适光电传感器，以测量气管张力。我们选择了TSL 257光电晶体管（AMS AG，Premstaetten，Austria），其在300到1,100nm之间的波长和0到70°C之间的温度。

在与0至30mm的同一野生猪气管样品上进行张力试验三次。在三次测试中，观察到图表显示了类似的指数趋势;第一个（T1）显示出从7.5mm伸长的刚度，但测试T2和T3显示出非常相似的行为（图6.）。

桌子1显示从张力试验获得的负载结果，其中光学系统在0,10,20和30mm的伸长率下测量的值（相当于0％，10％，20％和30％）。请注意，曲线具有非线性行为。指数（同种异数）的非线性调整是使用原始软件版本8.0（Origin Lab Corp.，Northampton，Ma，USA）进行的，如图所示7.。获得以下等式：

4。讨论

气管是由软骨环形成的解剖结构，其满足各种功能。如果去除段，则重建气管的最简单方法是气管的健康末端的吻合。气管的延伸限制了这种技术的使用，因为对吻合术的过度张力会导致分离或狭窄。已经确定，张力不应超过吻合术的末端超过1,000克。通常通过估算气管上的张力体外与尸体标本的破坏性测试[11.那12.]。在本作工作中，设计光学系统以非侵入地测量气管中的张力，从而允许所提出的系统可能用于临床环境中。

首先，进行光声光谱研究以确定两种猪尸体气管样品的光学吸收光谱。基于此信息，选择了650nm的红色光源。开发系统由650nm光源组成，使用激光二极管和捕获反射光的光电传感器施加。为了校准系统，获得尸体猪气管并进行张力，而使用光学系统以测量相应的光学响应。

这些测试在同一猪气管样品上进行了三次。获得了与光学响应相关的张力的等式。曲线遵循指数趋势，并且它们的方程具有非常相似的值。如果我们将0.05 n到15 n的负载值分配给上述等式，我们将具有图中所示的图表8.。

本研究的一个局限性是使用单一猪气管样品。然而，本作工作的目的是证明光学系统可以以非侵入性方式测量气管的张力。为了建立在人类患者中使用该系统所需的校准曲线，必须使用经过张力试验的新鲜人尸尸气管和使用光学系统测量的几种测试。

该系统可用于临床实践，以在切除后重建气管时做出决定。如果没有预先存在的纤维化，终端末端吻合术是最简单的重建形式[4.];该程序要求张力不过度[8.那9.]。一旦该系统已经正确校准，人们可以决定何时使用终端终端吻合和何时使用其他技术[1]。

5。结论

所提出的光学系统能够以非侵入性方式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可从相应的作者获得。

利益冲突

提交人声明没有利益冲突。

致谢

作者希望对ESM-IPN的学生服务负责人的Griselda FrancoSánchez表示赞赏，用于编辑本文中使用的图形材料。

参考

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2. H.C.Grillo，“The Trachea的重建：在连续100个案件中经验，”胸部，卷。28，不。6，PP。667-679,1973。查看在：出版商网站|谷歌学术
3. A. A. Del Orimier，M. R. Harrison，K. Hardy，L. J. Howell，以及N. S. Adzick，“婴儿和儿童的气管支气管障碍物”手术史，卷。212，没有。3，pp。277-289,1990。查看在：出版商网站|谷歌学术
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