几何学模拟分析应用于困难气道预测的可行性研究

姚卫东，徐建玲，王 斌，承萍萍，曹晶晶，于 悦，唐心愿，王茗芳

(皖南医学院第一附属医院 弋矶山医院 1.麻醉科；2.安徽省临床医学(重症呼吸)研究中心，安徽 芜湖 241001)

困难气道指临床医师在气道管理、气管插管中遇到困难，此时患者面临窒息缺氧的风险，精准的筛查是避免困难气道危害的有效方法[1-3]。现有筛查方法大多基于体表解剖标志测量和评估，准确性较低，难以满足临床需求[2-5]。困难气道的形成与上气道解剖及关节功能的变化有关[6-8]，具有多因素决定的特点，且因素间可能具有尚未明确的互相作用关系。传统的困难气道评估方法难以反映这些解剖因素、关节功能因素间的互相作用关系，以及这些互相作用对困难气道形成的影响。本研究对上气道解剖进行几何学建模，并应用几何学方法模拟上气道解剖及关节功能因素间的几何学相互作用，对困难气道进行预测，期望找到新型气道评估方法。

1 资料与方法

1.1 几何学分析模型建立及计算机软件功能设置 该工作由研究团队联合数学专家、计算机技术专家共同完成。根据上气道解剖特点及喉镜检查显露声门的操作方法，建立上气道几何学模型。首先，建立不同尺寸的头颈部矢状面解剖几何学模拟图形库，下颌、舌体、喉则根据患者的头颈部实测尺寸独立建立模型库。选取符合某特定患者头颈部矢状面尺寸大小的头颈矢状面几何图形和下颌、舌体、喉几何模拟图形，通过计算机软件编程控制，实现在二维平面上对这些图形的控制，如位移、旋转、变形等。其次，建立相应几何图形在喉镜检查时的运动、变形规则。如图1A所示，喉镜检查时，头上下轴线会产生后仰偏转，下颌旋转张口，并被喉镜向前下方向提拉移位，舌体会被压缩，声门得以显露。其中头后仰角度定义为头上下轴线与躯干上下轴线的夹角；下颌旋转角度由张口度决定；下颌受喉镜提拉向前下(相对患者身体)位移距离受髁状突活动度决定；舌体厚度及喉镜检查下压缩比例基于前期研究设置；喉及声门的大小设定为固定值：喉的前后径，男性为2.5cm，女性为2.2cm；喉及声门位置，由仰头嗅物位时的甲颏距离决定；舌骨位置由仰头嗅物位的舌颏距离决定。利用计算机软件程序，实现上述位移、形变的计算机模拟，并实现对声门视野的计算(图1B、C)。声门视野定义为：视线经上切牙尖、舌体表面向声门延伸，如与声门相交，取相交点与声门最后点的距离，取正值；如不能与声门相交，取声门最后点距视线的距离，取负值。

本研究应用计算机技术编制应用软件，实现信息的输入界面的设置、算法的植入和结果的输出。软件系统整体架构：通过HTML5网页实现信息的输入，相应信息通过网络传入中央服务器，调用相关程序进行计算，计算结果通过HTML5页面返回到终端设备(图1B、C)。

A.几何学作用分析示意图；B.参数输入界面；C.结果输出界面。

1.2 该方法筛查困难气道效果的验证 经弋矶山医院伦理委员会批准，回顾检索100名需气管插管的择期手术全身麻醉成人患者，查阅每位患者术前气道评估与解剖测量资料。参数内容包括性别、年龄、体质量、张口度、Mallampati分级、甲颏距离、仰头角度是否受限、咬上唇分级、舌体厚度、舌颏距离、颞颌关节活动度[4,7-11]。在应用页面输入相关参数，记录输出结果。检索麻醉医师记录的气管插管时声门的可见程度及是否困难气道。根据Cormack-Lehane分级[12]，得分为3或4分为困难喉镜显露。插管困难定义为有经验的麻醉医师插管尝试3次以上，或尝试时间>10 min，或更换可视喉镜等高级插管设备[1-2]。主要观察结果为软件计算的声门视野预测困难喉镜显露的受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic curve，ROC)曲线下面积(area under the curve，AUC)。

2 结果

2.1 几何学分析模型建立及计算机软件开发 经研究团队与数学专家和计算机技术专家充分沟通与合作，成功进行了上气道几何学分析模拟模型的建立和相关计算机软件的开发。通过HTML5页面实现了在微信公众服务号(爱气道AI Airway)实施信息输入与计算的功能(技术发明专利：ZL202011249295.8，软件著作权：软著登字第6849951)。

经应用测试显示，输入单个患者的信息所需时间约为90 s，在4G移动网络运行条件下，返回计算结果的时间约4 s。使用和计算效能结果符合设计预期。

2.2 计算声门视野预测困难气道的性能验证

2.2.1 患者基本资料 本研究成功检索到100例患者数据，男性48例，女性52例，平均年龄(50.2±14.1)岁。困难喉镜显露20例(其中困难插管4例)。困难喉镜显露组患者计算的声门视野低于非困难喉镜显露组(P<0.001)。与非困难喉镜显露患者相比，困难喉镜显露患者具有较小的甲颏距离、张口度、颞颌关节活动度和舌颏距离(P<0.05)，具有较高的BMI、舌体厚度和仰头角度受限的比例(P<0.05)，见表1。

表1 患者基本资料

2.2.2 各因素与困难喉镜显露的相关性 相关性分析显示，计算声门视野与喉镜显露分级呈负相关(r=-0.560，P<0.001)，与困难喉镜显露呈负相关(r=-0.591，P<0.001)。与困难喉镜显露正相关的因素有BMI、舌体厚度、仰头角度受限(P<0.05)，其他负相关的因素有甲颏距离、张口度、颞颌关节活动度、舌颏距离(P<0.05)，见表2。

表2 各变量与困难喉镜显露相关性分析

2.2.3 各因素预测困难喉镜显露的Logistic回归分析及ROC曲线分析 根据单因素分析结果，P<0.10的变量均纳入多因素Logistic回归分析(逐步法)。结果显示，较低的计算声门视野和张口度为独立危险因素(P<0.05)，见表3。ROC曲线分析显示，计算所得声门视野降低预测困难喉镜显露的AUC为0.93(95%CI：0.86～0.97)，在≤3 mm的阳性标准下，灵敏度为85.0%(95%CI：62.1%～96.8%)，特异度为91.3%(95%CI：82.8%～96.4%)。张口度降低预测困难喉镜显露的AUC为0.82(95%CI：0.73～0.89)，在≤39 mm的阳性标准下，灵敏度为80.0%(95%CI：56.3%～94.3%)，特异度为67.5%(95%CI：56.1%～77.6%)，见图2。

表3 困难喉镜显露的多因素Logistic回归(逐步法)分析

图2 计算声门视野及张口度预测困难喉镜显露的ROC分析及AUC

3 讨论

在本研究中，我们成功地建立了基于几何学模拟分析的方法模拟喉镜检查的声门视野结果。相关软件运行稳定，计算结果符合设计预期。结果显示这一预测困难气道的新方法具有技术上的可行性。传统困难气道预测筛查方法大多是基于体表解剖标志、关节功能[2,4]或这些参数组成的量表[9,14-15]，而本研究探索的方法在技术路线上有着明显的不同。尽管同样使用了多因素评估，但如何利用这些多因素信息，则是本研究方法不同于传统方法之处。本研究的新方法探索了如何利用解剖参数间的几何学互相作用关系进一步提高困难气道预测性能。

在临床效果验证的研究中，我们成功地检索到需要的病例信息，并把这些信息输入到软件系统进行计算，软件均成功地执行了相关指令，计算并返回了相应结果，整个系统运行稳定。在模拟计算结果与真实观察结果的统计比较分析中，我们得到了两者具有较高相关性的预期结果。显示该新型困难气道预测筛查方法具有一定的有效性和潜在优势。

困难气道的精准预测一直是业内的难点[2,4]。虽然经过几十年的发展，但现状并不令人满意。无论是单个因素的评估，还是多个因素的联合应用，其预测精度均较有限。多因素的应用还给临床带来更多障碍，如繁琐的评估方法使医生的临床应用依从性大大下降，进一步降低了困难气道评估的临床作用[4,9,14]。本研究中软件计算需要的参数较多，可能给临床应用带来困难。更大的困难为因素间的几何学演算，这些演算几乎是人工计算不可能完成的任务。本研究中，我们应用数据采集输入页面来实现便捷化的数据管理，应用中心服务器解决算力问题，使新方法的应用成为可能。

人工智能、机器学习技术在医学中逐渐显示出强大的力量[16]。本研究方法虽然深度使用了计算机技术，但尚未涉及到人工智能算法。机器学习是否能进一步提高困难气道筛查性能，将是值得我们未来探索的方向。

本研究尚有一定的局限性，如回顾性的病例资料可能会产生未知的偏倚，素间的几何学作用算法尚有优化的空间，应该还存在与困难气道密切相关但尚未明确的因素。该方法的优化仍需要大量工作。

综上所述，我们尝试了一种基于多因素几何学分析模拟的困难气道筛查的新方法，初步研究显示该方法具有较好的可行性和有效性。