幾何學(xué)模擬分析應(yīng)用于困難氣道預(yù)測的可行性研究

姚衛(wèi)東，徐建玲，王 斌，承萍萍，曹晶晶，于 悅，唐心愿，王茗芳

(皖南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院 弋磯山醫(yī)院 1.麻醉科；2.安徽省臨床醫(yī)學(xué)(重癥呼吸)研究中心，安徽 蕪湖 241001)

困難氣道指臨床醫(yī)師在氣道管理、氣管插管中遇到困難，此時(shí)患者面臨窒息缺氧的風(fēng)險(xiǎn)，精準(zhǔn)的篩查是避免困難氣道危害的有效方法[1-3]?，F(xiàn)有篩查方法大多基于體表解剖標(biāo)志測量和評估，準(zhǔn)確性較低，難以滿足臨床需求[2-5]。困難氣道的形成與上氣道解剖及關(guān)節(jié)功能的變化有關(guān)[6-8]，具有多因素決定的特點(diǎn)，且因素間可能具有尚未明確的互相作用關(guān)系。傳統(tǒng)的困難氣道評估方法難以反映這些解剖因素、關(guān)節(jié)功能因素間的互相作用關(guān)系，以及這些互相作用對困難氣道形成的影響。本研究對上氣道解剖進(jìn)行幾何學(xué)建模，并應(yīng)用幾何學(xué)方法模擬上氣道解剖及關(guān)節(jié)功能因素間的幾何學(xué)相互作用，對困難氣道進(jìn)行預(yù)測，期望找到新型氣道評估方法。

1 資料與方法

1.1 幾何學(xué)分析模型建立及計(jì)算機(jī)軟件功能設(shè)置 該工作由研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合數(shù)學(xué)專家、計(jì)算機(jī)技術(shù)專家共同完成。根據(jù)上氣道解剖特點(diǎn)及喉鏡檢查顯露聲門的操作方法，建立上氣道幾何學(xué)模型。首先，建立不同尺寸的頭頸部矢狀面解剖幾何學(xué)模擬圖形庫，下頜、舌體、喉則根據(jù)患者的頭頸部實(shí)測尺寸獨(dú)立建立模型庫。選取符合某特定患者頭頸部矢狀面尺寸大小的頭頸矢狀面幾何圖形和下頜、舌體、喉幾何模擬圖形，通過計(jì)算機(jī)軟件編程控制，實(shí)現(xiàn)在二維平面上對這些圖形的控制，如位移、旋轉(zhuǎn)、變形等。其次，建立相應(yīng)幾何圖形在喉鏡檢查時(shí)的運(yùn)動、變形規(guī)則。如圖1A所示，喉鏡檢查時(shí)，頭上下軸線會產(chǎn)生后仰偏轉(zhuǎn)，下頜旋轉(zhuǎn)張口，并被喉鏡向前下方向提拉移位，舌體會被壓縮，聲門得以顯露。其中頭后仰角度定義為頭上下軸線與軀干上下軸線的夾角；下頜旋轉(zhuǎn)角度由張口度決定；下頜受喉鏡提拉向前下(相對患者身體)位移距離受髁狀突活動度決定；舌體厚度及喉鏡檢查下壓縮比例基于前期研究設(shè)置；喉及聲門的大小設(shè)定為固定值：喉的前后徑，男性為2.5cm，女性為2.2cm；喉及聲門位置，由仰頭嗅物位時(shí)的甲頦距離決定；舌骨位置由仰頭嗅物位的舌頦距離決定。利用計(jì)算機(jī)軟件程序，實(shí)現(xiàn)上述位移、形變的計(jì)算機(jī)模擬，并實(shí)現(xiàn)對聲門視野的計(jì)算(圖1B、C)。聲門視野定義為：視線經(jīng)上切牙尖、舌體表面向聲門延伸，如與聲門相交，取相交點(diǎn)與聲門最后點(diǎn)的距離，取正值；如不能與聲門相交，取聲門最后點(diǎn)距視線的距離，取負(fù)值。

本研究應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)編制應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)信息的輸入界面的設(shè)置、算法的植入和結(jié)果的輸出。軟件系統(tǒng)整體架構(gòu)：通過HTML5網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)信息的輸入，相應(yīng)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳入中央服務(wù)器，調(diào)用相關(guān)程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果通過HTML5頁面返回到終端設(shè)備(圖1B、C)。

A.幾何學(xué)作用分析示意圖；B.參數(shù)輸入界面；C.結(jié)果輸出界面。

1.2 該方法篩查困難氣道效果的驗(yàn)證 經(jīng)弋磯山醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，回顧檢索100名需氣管插管的擇期手術(shù)全身麻醉成人患者，查閱每位患者術(shù)前氣道評估與解剖測量資料。參數(shù)內(nèi)容包括性別、年齡、體質(zhì)量、張口度、Mallampati分級、甲頦距離、仰頭角度是否受限、咬上唇分級、舌體厚度、舌頦距離、顳頜關(guān)節(jié)活動度[4,7-11]。在應(yīng)用頁面輸入相關(guān)參數(shù)，記錄輸出結(jié)果。檢索麻醉醫(yī)師記錄的氣管插管時(shí)聲門的可見程度及是否困難氣道。根據(jù)Cormack-Lehane分級[12]，得分為3或4分為困難喉鏡顯露。插管困難定義為有經(jīng)驗(yàn)的麻醉醫(yī)師插管嘗試3次以上，或嘗試時(shí)間>10 min，或更換可視喉鏡等高級插管設(shè)備[1-2]。主要觀察結(jié)果為軟件計(jì)算的聲門視野預(yù)測困難喉鏡顯露的受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve，ROC)曲線下面積(area under the curve，AUC)。

2 結(jié)果

2.1 幾何學(xué)分析模型建立及計(jì)算機(jī)軟件開發(fā) 經(jīng)研究團(tuán)隊(duì)與數(shù)學(xué)專家和計(jì)算機(jī)技術(shù)專家充分溝通與合作，成功進(jìn)行了上氣道幾何學(xué)分析模擬模型的建立和相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)。通過HTML5頁面實(shí)現(xiàn)了在微信公眾服務(wù)號(愛氣道AI Airway)實(shí)施信息輸入與計(jì)算的功能(技術(shù)發(fā)明專利：ZL202011249295.8，軟件著作權(quán)：軟著登字第6849951)。

經(jīng)應(yīng)用測試顯示，輸入單個患者的信息所需時(shí)間約為90 s，在4G移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行條件下，返回計(jì)算結(jié)果的時(shí)間約4 s。使用和計(jì)算效能結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

2.2 計(jì)算聲門視野預(yù)測困難氣道的性能驗(yàn)證

2.2.1 患者基本資料 本研究成功檢索到100例患者數(shù)據(jù)，男性48例，女性52例，平均年齡(50.2±14.1)歲。困難喉鏡顯露20例(其中困難插管4例)。困難喉鏡顯露組患者計(jì)算的聲門視野低于非困難喉鏡顯露組(P<0.001)。與非困難喉鏡顯露患者相比，困難喉鏡顯露患者具有較小的甲頦距離、張口度、顳頜關(guān)節(jié)活動度和舌頦距離(P<0.05)，具有較高的BMI、舌體厚度和仰頭角度受限的比例(P<0.05)，見表1。

表1 患者基本資料

2.2.2 各因素與困難喉鏡顯露的相關(guān)性 相關(guān)性分析顯示，計(jì)算聲門視野與喉鏡顯露分級呈負(fù)相關(guān)(r=-0.560，P<0.001)，與困難喉鏡顯露呈負(fù)相關(guān)(r=-0.591，P<0.001)。與困難喉鏡顯露正相關(guān)的因素有BMI、舌體厚度、仰頭角度受限(P<0.05)，其他負(fù)相關(guān)的因素有甲頦距離、張口度、顳頜關(guān)節(jié)活動度、舌頦距離(P<0.05)，見表2。

表2 各變量與困難喉鏡顯露相關(guān)性分析

2.2.3 各因素預(yù)測困難喉鏡顯露的Logistic回歸分析及ROC曲線分析 根據(jù)單因素分析結(jié)果，P<0.10的變量均納入多因素Logistic回歸分析(逐步法)。結(jié)果顯示，較低的計(jì)算聲門視野和張口度為獨(dú)立危險(xiǎn)因素(P<0.05)，見表3。ROC曲線分析顯示，計(jì)算所得聲門視野降低預(yù)測困難喉鏡顯露的AUC為0.93(95%CI：0.86～0.97)，在≤3 mm的陽性標(biāo)準(zhǔn)下，靈敏度為85.0%(95%CI：62.1%～96.8%)，特異度為91.3%(95%CI：82.8%～96.4%)。張口度降低預(yù)測困難喉鏡顯露的AUC為0.82(95%CI：0.73～0.89)，在≤39 mm的陽性標(biāo)準(zhǔn)下，靈敏度為80.0%(95%CI：56.3%～94.3%)，特異度為67.5%(95%CI：56.1%～77.6%)，見圖2。

表3 困難喉鏡顯露的多因素Logistic回歸(逐步法)分析

圖2 計(jì)算聲門視野及張口度預(yù)測困難喉鏡顯露的ROC分析及AUC

3 討論

在本研究中，我們成功地建立了基于幾何學(xué)模擬分析的方法模擬喉鏡檢查的聲門視野結(jié)果。相關(guān)軟件運(yùn)行穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期。結(jié)果顯示這一預(yù)測困難氣道的新方法具有技術(shù)上的可行性。傳統(tǒng)困難氣道預(yù)測篩查方法大多是基于體表解剖標(biāo)志、關(guān)節(jié)功能[2,4]或這些參數(shù)組成的量表[9,14-15]，而本研究探索的方法在技術(shù)路線上有著明顯的不同。盡管同樣使用了多因素評估，但如何利用這些多因素信息，則是本研究方法不同于傳統(tǒng)方法之處。本研究的新方法探索了如何利用解剖參數(shù)間的幾何學(xué)互相作用關(guān)系進(jìn)一步提高困難氣道預(yù)測性能。

在臨床效果驗(yàn)證的研究中，我們成功地檢索到需要的病例信息，并把這些信息輸入到軟件系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，軟件均成功地執(zhí)行了相關(guān)指令，計(jì)算并返回了相應(yīng)結(jié)果，整個系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。在模擬計(jì)算結(jié)果與真實(shí)觀察結(jié)果的統(tǒng)計(jì)比較分析中，我們得到了兩者具有較高相關(guān)性的預(yù)期結(jié)果。顯示該新型困難氣道預(yù)測篩查方法具有一定的有效性和潛在優(yōu)勢。

困難氣道的精準(zhǔn)預(yù)測一直是業(yè)內(nèi)的難點(diǎn)[2,4]。雖然經(jīng)過幾十年的發(fā)展，但現(xiàn)狀并不令人滿意。無論是單個因素的評估，還是多個因素的聯(lián)合應(yīng)用，其預(yù)測精度均較有限。多因素的應(yīng)用還給臨床帶來更多障礙，如繁瑣的評估方法使醫(yī)生的臨床應(yīng)用依從性大大下降，進(jìn)一步降低了困難氣道評估的臨床作用[4,9,14]。本研究中軟件計(jì)算需要的參數(shù)較多，可能給臨床應(yīng)用帶來困難。更大的困難為因素間的幾何學(xué)演算，這些演算幾乎是人工計(jì)算不可能完成的任務(wù)。本研究中，我們應(yīng)用數(shù)據(jù)采集輸入頁面來實(shí)現(xiàn)便捷化的數(shù)據(jù)管理，應(yīng)用中心服務(wù)器解決算力問題，使新方法的應(yīng)用成為可能。

人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中逐漸顯示出強(qiáng)大的力量[16]。本研究方法雖然深度使用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，但尚未涉及到人工智能算法。機(jī)器學(xué)習(xí)是否能進(jìn)一步提高困難氣道篩查性能，將是值得我們未來探索的方向。

本研究尚有一定的局限性，如回顧性的病例資料可能會產(chǎn)生未知的偏倚，素間的幾何學(xué)作用算法尚有優(yōu)化的空間，應(yīng)該還存在與困難氣道密切相關(guān)但尚未明確的因素。該方法的優(yōu)化仍需要大量工作。

綜上所述，我們嘗試了一種基于多因素幾何學(xué)分析模擬的困難氣道篩查的新方法，初步研究顯示該方法具有較好的可行性和有效性。