فانتوم بافت ریه با تقلید از خواص نوری ریوی

فانتوم بافت ریه با تقلید از خواص نوری ریوی، رطوبت نسبی و دما: ابزاری برای تجزیه و تحلیل تغییرات در جذب گاز اکسیژن برای حجم های مختلف باد شده

خلاصه

اهمیت: گاز در طیف‌سنجی جذبی رسانه‌های پراکنده (GASMAS) سنجش گاز غیرتهاجمی را در بدن ممکن می‌سازد. این به عنوان ابزاری برای تشخیص و نظارت بر شرایط تنفسی در نوزادان در حال توسعه است. مدل‌های فانتوم با ویژگی‌های مرتبط با ترجمه بالینی فناوری GASMAS برای درک چالش‌های فنی و کاربردهای بالقوه این تکنیک ضروری هستند. فانتوم‌های پیشرفته‌ای که برای این منظور طراحی شده‌اند، روی خواص نوری و هندسه انسانی قفسه سینه متمرکز شده‌اند و به قرارگیری، طراحی و بهینه‌سازی منبع آشکارساز کمک می‌کنند. فانتوم ریه که از آناتومی آلوئولی تقلید می کند به دلیل پیچیدگی ذاتی بافت در مدل های موجود گنجانده نشده است. ما یک مدل ساده ارائه می‌کنیم که آلوئول‌های متورم تعبیه‌شده در فانتوم ریه را بازسازی می‌کند.

هدف: هدف از این مطالعه ساخت یک مدل ریه با ساختارهای پر از هوا با تقلید از آلوئول های متورم احاطه شده توسط فانتوم نوری با خواص نوری دقیق (μa  =  0.50  cm  -   1 و

μ

"

س

=

5.4

سانتی متر

-

1

) و پارامترهای فیزیولوژیکی [37 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی 100٪ (RH)]، و برای کنترل حجم هوا در فانتوم برای نشان دادن امکان GASMAS در حس کردن تغییرات در حجم هوای ریوی.

رویکرد: مدل ریه با استفاده از ساختار مویرگی با اندازه مشابه واحدهای آلوئولی ساخته شد. بخشی از مویرگ‌ها با فانتوم نوری ریه مایع پر شدند تا پراکندگی و جذب را دوباره ایجاد کنند، در حالی که مویرگ‌های خالی هوای پر از آلوئول را تقلید کردند. آرایه مویرگی در داخل یک محفظه سفارشی قرار داده شد که دمای ریوی و RH را حفظ می کرد. هندسه محفظه اجازه قرار دادن سر لیزر و آشکارساز یک سیستم رومیزی GASMAS (MicroLab Dual O2  /  H2O)، برای آزمایش تغییرات حجم مدل ریه در هندسه انتقال را می دهد.

نتایج: مدل بافت ریه با محدوده حجم هوا از 6.89  ×  10  −  7  m3 تا 1.80  ×  10  −        3 m3 ساخته شد. دو مجموعه اندازه گیری، با 10 پیکربندی مختلف مویرگی، برای افزایش یا کاهش تدریجی (در مراحل 3.93  ×  10  −  8   m3) حجم هوا در مدل ریه ترتیب داده شد. اکتساب داده GASMAS مربوطه برای هر دو مجموعه داده انجام شد. حداکثر سیگنال جذب برای پیکربندی هایی با بیشترین تعداد مویرگ های پر از هوا به دست آمد و زمانی که فضاهای هوا با مویرگ های پر شده با فانتوم نوری مایع جایگزین شدند، به تدریج کاهش یافت. مطالعات بیشتر برای تعریف حداقل و حداکثر حجم هوای قابل اندازه‌گیری با دستگاه‌های مبتنی بر GASMAS برای هندسه‌های مختلف منبع – آشکارساز ضروری است.

نتیجه‌گیری: خواص نوری و ساختار بافت از ناحیه تنفسی با استفاده از یک آرایه مویرگی ساده‌شده غوطه‌ور در یک محفظه محیط کنترل‌شده در دمای ریوی و RH مدل‌سازی شده‌اند. امکان اندازه گیری تغییرات حجم با تکنیک GASMAS ثابت شده است و کاربرد احتمالی جدید فناوری GASMAS در درمان و تشخیص تنفسی را بیان می کند.

1. معرفی

ترجمه فناوری های مبتنی بر نور به کلینیک در دهه های گذشته در حال رشد بوده است. ابزارهای بیوفوتونیک نسبت بیشتری از روش های تشخیصی و درمانی نسل بعدی را به خود اختصاص می دهند، با توجه به اینکه آنها اطلاعات عملکرد و ترکیب بافت را با حداقل تهاجم ارائه می دهند. یکی از چالش‌های اصلی در پیشرفت دستگاه‌های پزشکی مبتنی بر بیوفوتونیکی، تبدیل سیگنال‌ها به اطلاعات مفید است که می‌تواند به پزشکان در درمان و تشخیص بیماری‌ها کمک کند.1 در این کار، ما به درک کاربرد بالقوه یک نور موجود کمک می‌کنیم. فناوری مبتنی بر ارزیابی حجم هوای موضعی در بافت ریه

1.1. فیزیولوژی تنفسی و ارتباط بالینی حجم ریوی

سیستم تنفسی از راه های هوایی رسانا و تنفسی تشکیل شده است (شکل 1). راه های هوایی رسانا فاقد آلوئول هستند و در تبادل گاز نقشی ندارند. عملکرد اصلی آنها هدایت، تمیز کردن، گرم کردن و مرطوب کردن هوا تا دمای 37 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی 100٪ (RH) در حین رسیدن به کیسه های آلوئولی است. 2 مجاری تنفسی بیشتر ریه را تشکیل می دهند و منطقه ای است که در آن تبادل گاز رخ می دهد و توسط میلیون ها آلوئول تشکیل شده است.

∼

0.3

میلی متر

 در قطر هر کدام).3