计算机辅助技术应用于困难气道评估的方法及优势

气道管理是麻醉学领域的一个重要内容，麻醉医师也被称为气道管理者，而困难气道是每一个麻醉医师必须面对并且必须处理的一种紧急情况。多年来世界各地麻醉医师总结出了多种困难气道预测方法，各有其优势和不足，并且也不断提出了新的预测方法。近年来发展起来的计算机辅助医学技术已将外科学带入可视化、精细化阶段，并且在麻醉学领域也有了一定的探索和发展，其中三维模型重建技术运用于困难气道相关研究已取得初步成效，但并不完善，而更多的是将该技术运用于声学和骨关节学的研究。如果能将这项技术进一步完善后运用于困难气道的研究，将其可视化、精细化，必将促进新的困难气道评估方法的产生，从而加强麻醉医师对困难气道的处理能力，制订更加安全、可靠的气道管理策略。此外，气管插管时咽喉部各个方位的应力、应变的生物力学分析也依赖于完善的气道模型的建立。现就计算机辅助技术应用于困难气道的分析和研究新的困难气道评估手段的探索以及困难气道相关生物力学的发展趋势进行综述。

1.计算机辅助技术在医学领域的应用

计算机辅助外科是集医学、机械、材料学、计算机技术、信息管理、网络技术、通讯技术等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，它已成为当今国内外医学生物技术领域中日益重要的带头学科。计算机技术由于可精确处理数据信息的优点，已被应用于基础医学的相关研究，近年来也被广泛应用于神经外科、口腔领面外科、骨科等多个学科，涉及模拟手术过程、骨关节重建、假体制造、骨软骨模型重建等多个方面。

1.1计算机辅助技术在基础医学上的应用

利用计算机技术，可以进行分子水平的精确计算，这对于细微生物结构、细胞学和基因学的研究非常有效。Daniel等就尝试利用显微计算机控制下的人工合成基因转录与表达的回路技术和克隆技术在活细胞中进行研究，并且得益于该技术对基因表达的精细控制，此项研究对疾病诊疗的新方法的产生提供了无限可能，受到了医学界广泛关注。另一方面，Aslanidi等利用磁共振技术重建了三维虚拟人心房模型，并且研究了心房颤动时心肌细胞兴奋传播的三维过程，成功搭建了一个研究心律失常的新平台，为今后其他更为复杂类型的心律失常的研究奠定了坚实的基础。在药理学方面，国外一项关于多奈哌齐治疗轻中度阿尔茨海默病作用的研究中，利用计算机量化的适用于人类的莫里斯水迷宫法测量多奈哌齐的疗效，结果证实，此方法具有评估疗效的潜能，这一结果表明，计算机辅助技术用于药理学的研究同样具有很大价值。

1.2 计算机辅助技术在临床医学上的应用

通过计算机采集数字化的影像信息，通过媒介体输入计算机工作站，经运算处理后重建三维模型影像，可便于手术医师在此影像基础上进行术前计划并模拟手术进程，动态观察各方位的手术入路以及相关参数。利用重建的模型，不仅可以用于观察、学习，更能在大量相关数据及软件技术支持下进行医学行为的模拟，甚至是高危手术的模拟。钟柳花等提出利用磁共振体层图像可重建包含复杂内容的人体三维模型，相较于几何法重建模型，建模速度快，且等效程度相当，而市场上常用的医学仿真软件可以同时完成模型计算与重建，无疑更增加了建模效率。在所有人体复杂架构的模型重建中，骨关节相关的模型重建技术已经比较成熟，这也正是模型重建最能发挥作用的方面，即不但可以模拟正常骨关节的运动情况，又可以模拟损伤或病变后的运动情况，进而制订治疗计划，甚至模拟不同治疗方案处理后的骨或关节活动情况。关于模型重建在高危手术中的应用，殷文聪和乔爱科就利用计算机辅助手段建立升-腹和锁-腹两种方式的旁路移植模型，进行流固耦合数值模拟计算，最后得出升-腹旁路移植方式对通腔和盲腔两种假腔型式主动脉夹层有更好的治疗效果，借助数值模拟的结果可以更好地解释旁路移植手术对主动脉夹层的影响，并确立旁路移植手术的科学有效性和临床实用性，而借助血流模型可以分析动脉血管里瞬间变化的血流动力学，模拟出多种极为接近生理状态下血流动力学的状态。由此可见，借助模型重建可以进行许多正常情况下很难完成的研究，具有很重要的意义和巨大的发展潜力。利用全数字超声引导可视人工流产系统行高危人工流产术，可以减少出血量、避免吸宫不全、穿孔及减少不良反应，特别是减少对子宫内膜的损伤和远期并发症，为基层医务人员在行高危妊娠人工流产手术中的提供了安全保障。而将3D打印技术与计算机辅助模型重建技术相结合，可以重建极为接近真实的人体器官或组织模型，将该模型运用于临床教学，尤其是在骨科教学中，可以更加直观地展现骨关节的结构特点，讲解手术骨钉的进钉点、角度、方向等。在口腔医学牙冠的模拟和定性分析中，基于计算机技术的三维定量、定性分析技术相较于二维复制技术，无信息丢失，并且完整地保留了牙冠表面结构，而利用计算机辅助技术设计制作光弹模型的方法用于义齿种植，可方便地将模型用于分析种植体-骨界面应力变化分布，相较于传统技术有很大发展空间。可见，计算机辅助技术无论在基础医学还是在临床医学，运用都非常广泛，并且有效、实用。

2.困难气道评估方法及现状

困难气道是指，一个受过正规培训的有资历的临床麻醉医师，在面罩通气和（或）气管插管时遇到困难的一种临床情况。据国外有统计资料显示，气管插管失败率为(5～35)/1000；插管失败而无法用面罩通气发生率为（0.01～2.0)/1000；因插管技术操作不当或错误，导致插管期间严重缺氧和二氧化碳蓄积，并继发心室纤颤或心搏骤停、脑缺氧而死亡者，约占麻醉死亡总例数的30%。此外，即使有很好的喉部暴露视野，仍然有气管插管失败的可能。所以对于困难气道的早期预测和评估显得尤为重要。

2.1 困难气道的评估方法

目前较常用的困难气道评估方法包括：①张口度；②上下唇咬合试验；③甲颏间距；④胸颏间距；⑤下领骨长度；⑥颈部活动度；⑦马氏分级；⑧科马克-利汉试验；⑨威尔逊综合评估法；⑩身高-甲颏间距比例等，此外，气道相关病史、麻醉插管史、家族史状况及相关影像学检查也应考虑在内。尽管有如此多的困难气道预测方法，但是每一种预测方法都有其局限性。早在2005年就有一项来自于美国的荟萃分析，针对35个临床研究50760例无气道相关疾病的手术患者，通过一定的手段预测困难气道，预测手段包括马氏分级、甲额距离、张口度、威尔逊综合评估法等多个预测方法，结果表明各指标单独用于预测困难气道的成功率非常有限。近年来国内也有运用多种困难气道预测方法进行术前预测的研究，得出的结论是，上下唇咬合试验的敏感性和阳性预测值在几神评估方法中是最高的，但仍有较大误差，临床应用仍需要多种方法联合使用。但是综合评估法并不一定能提高困难气道的准确率——一项在美国休斯敦城赫尔曼纪念医院进行的研究表明，运用含多种困难气道评估指标的综合评估方法对低年资麻醉住院医师进行培训，仍无法有效提高其对困难气道预测准确率。此外，急诊患者的气道管理更为紧急，对困难气道的评估必须要作出及时、有效的判断，并且做好充足的应对准备，因为一旦第一次插管失败，接下来的气管插管成功率会显著降低。可见，目前临床常用的困难气道预测方法或者繁琐，或则不够准确，或者不利于对于低年资医师的培训，仍存在很大安全隐患，并且对于科研、教学的价值非常有限。

2.2 新的困难气道评估方法

近年来也不断有新的困难气道评估方法产生，各有其优势和不足。其中改良的马氏评估法是比较流行的评估方法，但是国外一项对177088例患者的研究表明，改良的马氏评估法单独用于困难气道预测的价值非常有限，仍需要其他评估方法配合，但这无疑又增加了评估的繁琐性。而对于急诊患者常用的LEMON法(Look,Evaluate,Mallampatiscore,Obstruction,Neckmobility)也有了改良，并且已被研究证实，改良后的LEMON法对于预测急诊患者困难气道具有高的敏感性和阴性预测价值，但并未证实此法的普遍使用性。来自韩国的一项研究设计了一个包含7个主要评估指标在内的综合气道评分，得出结论：当综合气道评分>6或上唇咬合试验（upperlipbitetest，ULBT)分II级是预测困难气道的有效指标，但是该评估过程过于繁琐。Cuendet等通过采集人类面部信息设计出一套自动的困难气道识别系统，该系统是将人类面部信息扫描后输入电脑，除去不必要的组织重新构图，通过计算机分析分类对比，从而得出来一个自动化的人类面部信息分析系统来预测困难气道。尽管其精确性还未得到广泛认可，但也是新的困难气道预测方法的探索，并且引入了“全自动”的概念，这也表达了人们对于简便易行且易用的困难气道预测方法的迫切需要。新的困难气道评估方法逐渐展现其优势，这也表明人们对于困难气道的理解越来越全面，而逐渐兴起的计算机辅助技术在困难气道的研究中也逐渐展现出独特的优势。

3.计算机辅助技术于困难气道评估的优势

人体气道最直观的形态学特点可以利用影像学技术得到清晰的表现，无论X线、B超、CT、磁共振等，都可以不同程度地表现出人体气道不同方面的特点。计算机技术辅助下的困难气道的研究，主要原理是将数字化的影像学信息通过软件分析和计算，逆向重建包括口、咽、喉、气管及周围软组织在内的气道模型。

3.1 建立气道三维有限元模型

有限元法是计算力学中的一种重要的方法，基本原理是将一个由无限个质点构成并且有无限个自由度的连续体划分成有限个小单元体所组成的集合体，单元之间以节点相连，单元之间的相互作用力通过节点传递，称节点力，每个单元的物质特性及节点的载荷、边界条件明确后，通过节点位移与节点力之间的关系式计算出每个单元的刚度矩阵。若干个单元的刚度矩阵集合成构件的总刚度矩阵，并通过数学形式表达出来。

Honda等利用磁共振对人体软组织很强的识别能力的优势重建了气道三维有限元模型，详细描述了包括声门上咽腔、梨状隐窝及下咽腔在内的咽喉部组织特性及解剖学特点，无论对于人类的发声还是困难气道的研究，都有很高的借鉴价值。耿清胜等利用CT重建了模拟气管插管体位下的气道模型，直接测量相关指标进行困难气道的预测，并以威尔逊综合评分法做参照，最终得出口腔截面积、咽腔截面积、上气道总面积的95%置信区间最小值，是预测困难气道的有效定量指标。这种量化的客观指标相较于常规的评估方法，排除了主观干扰，并且有望成为新的困难气道评估方法。但是缺陷也比较明显，①对于软组织的识别和成像，磁共振有着绝对的优势，单使用CT技术无法精确的重建喉周软组织，将基于CT重建的气道模型应用于困难气道的研究，本身就存在限制；②成人气道在喉咽部及会厌上下有很大的可变性，正常体位和最大限度头后仰位（即气管插管时的体位）时气道的形态结构都会发生变化，仅仅研究单一体位下的影像学三维模型，很难做到全面评估困难气道；③该实验中所使用的三维模型重建方法是利用CT自有程序进行体积重建，并非专业的三维模型重建工具，所得模型质量不高。这些都有改进的空间，也为今后更为完善的气道三维有限元模型重建奠定了基础。

3.2 基于气道三维有限元模型的困难气道分析

利用气道三维有限元模型，可以最大限度重现人体气道的解剖结构，麻醉医师可以根据直接获得的图像进行多种方法的测量、分析和评价，对患者气道状况作出全面的评估；可以从模型中获得气道各层面的横断面、矢状位、冠状位的图像，真正做到全面评价气道；可以直接进行结构力学仿真分析，模拟在各种负荷或外力（如气管插管、颈部包块压迫等）条件下的各方向应力、应变分布，是一种简单高效的实验方法，可为临床应用提供科学的评价依据和新的思路。其优势在于，一般的力学研究手段不能直接应用于人体，因此所获得的实验结果并不能很精确，而三维有限元模型可以突破这一障碍，通过计算机软件设计更精确地分析生物力学，对于气道容积分布、手术操作过程的模拟和手术方案的优化有着重要作用。

4.小结

目前气道重建的研究并不完整，而麻醉学领域的困难气道要兼顾声门上和声门下气道。通过图像处理技术，运用逆向工程进行完整的气道重建，对困难气道的研究必将具有深远的意义和价值，并且有望得出一套简单可行的困难气道预测公式或者开发一种软件及移动终端应用程序，便于麻醉医师通过简单方法精确地预测被检者困难气道的可能性，从而制订安全、可靠的困难气道处理计划，大大增加气道管理的安全性，并且所得模型对于气管插管时的生物力学分析，同样具有非常大的研究价值和开发潜能。当然，困难气道的管理不止于困难气道的预测和气管插管，困难气道患者的拔管处理也非常重要，这也需要更进一步的研究。

作者：冯肖肖(综述），陈文栋，马莉（审校）(昆明医科大学第一附属医院麻醉科，昆明 650032)