用反射光学方法评估猪气管的张力

摘要

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.]．

吻合术后的切除和重建并发症并不常见，但可能很严重[5.那6.]．吻合口附着处出现肉芽组织、狭窄、分离等并发症，可能预示着吻合口的灾难性失败。其他作者认为再手术、年龄小、糖尿病、切除大于4cm、切除前行气管切开术是吻合口并发症的危险因素[7.]．缝合线张力可能导致吻合口狭窄[3.那7.]．在之前的尸体研究中，已经确定推荐的最大切除面积是4.5 cm，相当于1000 g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．本文利用光学系统对猪模型的张力进行了估计体外．为了确定用于猪气管光学系统的适当波长，进行了光声研究。一旦确定了波长，就会开发出一种能发出适当波长的光的装置，这样光传感器就能捕捉到反射光的强度。在通用测试机上对猪气管拉伸后的张力进行了估计，同时利用光学装置间接测量了气管上的张力。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。光声光谱

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.]．待研究的样品被放置在一个封闭的圆柱形金属电池中，电池上覆盖着石英窗，以减少紫外线或红外光的吸收。入射到样品上的光以固定频率调制，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。

采用1000w Xe灯作为光源;它的光束被聚焦到单色器上，以获得单色光束。该光束通过光纤照射到样品上。样品的光学吸收光谱是通过计算机程序，通过调整单色器扫描一个确定的波长范围来获得的。得到了光声信号与入射波长的函数关系。对两份猪气管样本进行了检测。同时对采集到的数据进行处理，得到与吸收光谱对应的曲线图。

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(2)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。激光击中样品后被反射。所述分叉光纤的第二路径将所述反射光引导到光传感器。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。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响应测量

一个没有明显疾病的年轻成年猪的尸体气管样本被获得。在获得样品后的4小时内对样品进行测试，在此期间，将样品保存在生理溶液中。保留纤维软骨管对应的节段;切除肺、隆突、食道、环状软骨和甲状腺软骨。测试长度，在这种情况下是支架之间的距离，为100毫米。4502型万能Instron试验机(Instron Corp, Norwood, MA, USA)在恒定速度下从0到30 mm伸长率。光学设备安装在试验机旁边，记录试样在0、10、20、30 mm伸长率下的光响应(图)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

我们从两具尸体的猪气管中提取了小的组织样本，并将其安装在光声细胞中。利用上述光声光谱仪设备测定了它们的光吸收光谱作为波长的函数。可以观察到，在较低波长处，光吸收较高，并逐渐渐近减小(图5.）.我们观察到在700 nm后测量的吸收中有高峰，所以我们选择了650 nm的波长，对应红色。

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。

从0到30毫米的同一尸体猪气管标本进行了三次拉伸试验。在这三次测试中，观察到图表显示出相似的指数趋势;第一个(T1)在7.5 mm的伸长率下表现出更高的刚度，但试验T2和T3表现出非常相似的行为(图1)6.）.

表格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

气管是由软骨环组成的解剖结构，具有多种功能。如果切除一段，重建气管最简单的方法是对健康的气管末端进行吻合。气管的延伸限制了该技术的使用，因为吻合处的过度张力会导致分离或狭窄。已经确定，在接合的两端张力不应超过1,000克。估计气管的张力通常由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.．

这项研究的一个局限性是只使用了一个猪的气管样本。然而，本研究的目的是证明光学系统可以以非侵入性的方式测量气管的张力。为了建立在人类病人身上使用该系统所需的校准曲线，必须使用经过张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.];这个程序要求张力不要太大[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

该光学系统能够以一种非侵入性的方式估计死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。

的利益冲突

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。

参考文献

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