3种气管插管头位上气道CT三维图像的比较分析

魏 薇 黄施伟 裘毅敏 陈莲华 李士通

(上海交通大学附属第一人民医院麻醉科 上海 200080)

3种气管插管头位上气道CT三维图像的比较分析

魏 薇 黄施伟 裘毅敏 陈莲华△李士通

(上海交通大学附属第一人民医院麻醉科 上海 200080)

目的 对3种不同头位的上气道CT图像进行三维重建,从经典三轴线理论和气管插管的立体空间两个角度比较分析,为优化气管插管头位提供解剖依据。方法 1例健康女性志愿者在平卧位、后仰位、嗅物位下分别行上气道CT平扫,并三维重建上气道模型。在CT影像上标记口轴(the axis of the mouth,MA)、咽轴(the pharyngeal axis,PA)、喉轴(the laryngeal axis,LA)的轴线位置并测量口-咽轴(M-P)、口-喉轴(M-L)、喉-咽轴(L-P)之间的交角。标记通过寰椎平面的直线(A),通过枕骨下缘平面的直线(O),测量A-O线相交的锐角。根据CT图像重建上气道三维模型,选取口腔和口咽腔区域,计算口腔和口咽腔体积(Vo和Vp)。结果 3种体位下口-咽-喉三轴线交角总和(L-P+M-P+M-L)在平卧位>后仰位>嗅物位;喉-咽轴交角在平卧位≈嗅物位<后仰位;口-咽轴交角在嗅物位<后仰位<平卧位;口-喉轴交角在后仰位<嗅物位<平卧位。A-O角在嗅物位≈后仰位<平卧位。口和口咽腔体积均在平卧位<嗅物位<后仰位,其中嗅物位约为平卧位的1.57倍;后仰位约为平卧位的2倍。结论 嗅物位时口-咽-喉三轴线最接近于重叠,最有利于喉镜显露声门;后仰位时口和口咽腔体积最大,有更多的气管插管操作空间。

三维重建; 上气道; CT; 头位; 气管插管

使用直接喉镜气管插管时,为了达到最佳视野,头颈的位置是很重要的。不恰当的头位会使喉部结构暴露不清,导致插管时间延长甚至插管失败[1]。气道有3个视轴:口轴、咽轴和喉轴,这3个视轴越接近重叠,越有利于直接喉镜下声门显露[2]。早在1930年,MaGill[3]指出,将头摆放成类似于“站立时闻空气”的体位可使鼻至声门段的气流最“自由”地通过。1944年,Bannister等[4]阐述了嗅物位可以使三轴尽量重叠,较其他体位更具解剖学优势。此后,麻醉医师普遍选择嗅物位作为插管标准头位,长期以来的临床实践及一些临床实验也支持这个观点。Prakash等[5]将546名全麻患者随机分成嗅物位和单纯头后仰位行麻醉诱导,认为嗅物位更利于气管插管。然而,一些学者用影像学技术来分析嗅物位解剖结构上的优势,却得到了不同的结果。Adnet等[6]用MRI影像比较口、咽、喉三轴线的位置关系,嗅物位并不能使三轴线重叠。而Greenland等[7]对MRI影像进行分析后认为嗅物位是直接喉镜插管的最佳选择。Takenaka等[8]通过X片分析,认为嗅物位更利于直接喉镜暴露声门。本研究拟采用1例志愿者3种不同头位的上气道CT资料,将口、咽、喉三轴线与寰枕关节、颈部的屈曲和伸展综合分析;同时行上气道三维重建,计算口、咽腔体积。二维及三维图像分析相结合,为气管插管时最佳头位的选择提供较为全面的解剖学依据。

资 料 和 方 法

研究对象 健康成年女性志愿者1例,年龄25岁,身高173 cm,体重62 kg,体重指数(BMI) 20.7 kg/m2,ASA I级。Mallampati评级Ⅰ级(Ⅰ级:张口可见悬雍垂、腭咽弓、软腭;Ⅱ级:悬雍垂被舌面遮盖,只可见腭咽弓、软腭;Ⅲ级:只可见软腭;Ⅳ级:仅见硬腭[9])。

设备和方法 本项目经上海交通大学附属第一人民医院伦理委员会批准。志愿者在清醒状态下行头颈部CT扫描,共扫描3种头位(图1):(1)平卧位:自然平卧于CT扫描台,口鼻同时平静呼吸;(2)后仰位:平卧,肩部垫高约7 cm,头后仰,颈部最大伸展,口鼻同时平静呼吸;(3)嗅物位:平卧,头部垫高约10 cm,做嗅闻空气动作(颈部屈曲,与躯干约呈35°,头部寰枕关节尽量伸展,使面部与水平面约呈15°[1])。CT平扫采用GE Hispeed CT/I机,扫描层厚5 mm,间距5 mm,120 kV,230 mAs。扫描范围自眶下至第1胸椎。扫描后获得的图像以DICOM格式存储,刻制光盘保存。

将DICOM格式CT影像数据导入Mimics 15.0医学图像软件(比利时Materialise公司),选择呼吸道阈值,选取整个上气道,建立蒙罩,对其进行区域增长、编辑、光滑处理后,建立上呼吸道三维模型。

分别在CT图像上标记口轴(MA,平行于硬腭的直线)、咽轴(PA,经过C1和C2颈椎前缘的直线)和喉轴(LA,经过环状软骨平面和会厌基底平面中心的直线)的轴线[6](图2),通过测量3条轴线的交角,比较不同头位下这3条线的位置,同时与既往文献结果作比较。在CT图像上标记通过寰椎平面的直线,记为A线;通过枕骨下缘平面的直线,记为O线,测量A线与O线的相交而成的锐角A-O,代表寰枕关节角度,A-O值越小,寰枕关节伸展度越大(图3)。

在Mimics软件中,分别选取口腔和口咽腔区域(定义口腔体积为Vo,从上下切牙至软腭悬雍垂;咽腔体积为Vp,从软腭悬雍垂至会厌下缘)。自动计算口腔、口咽腔的体积(图4)。

图2 平卧位、后仰位、嗅物位CT图像的口、咽、喉三轴线Fig 2 Three upper airway axes in neutral,extension and sniffing positions

图3 平卧位、后仰位、嗅物位的寰枕关节的角度Fig 3 The angle of occipito-alanto joint in neutral,extension and sniffing position

图4 平卧位、后仰位、嗅物位CT重建的上气道三维模型Fig 4 The 3D reconstructed model of upper airway in neutral,extension and sniffing position

结 果

口轴、咽轴、喉轴3条轴线夹角及其与寰枕关节角度(A-O)的关系 各种头位下,三轴线交角见表1;3条轴线重叠程度见图2,各交角的值越小,相应的两条轴线重叠程度越高。喉-咽轴交角L-P在平卧和嗅物位时接近,分别为8°和10°;当变成后仰位时,增加近1倍,为20°。口-咽轴交角M-P在嗅物位时最小,为58°;在后仰时增加了0.2倍,为70°;在平卧位增加了0.6倍,为93°。口-喉轴交角M-L,在后仰时最小,为50°;嗅物位增加了0.36倍,为68°;在平卧位增加了0.7倍,为85°。三轴线交角的总和M-L-P在平卧位最大,为186°;在后仰和嗅物位时接近,分别为140°和136°。寰枕关节角度A-O在平卧位最大,为27°;在后仰和嗅物位时相近,分别为20°和18°(图3)。A-O值大时,其对应的M-P、M-L值也大(表1)。

表1 3种头位下3条轴线的交角(°)及寰枕关节角度(A-O)Tab 1 Angles of 3 axes and A-O in 3 head positions

3种头位下口腔和口咽腔的体积 平卧位、后仰位、嗅物位CT重建的上气道三维模型见图4,不同头位口腔和口咽腔体积见表2。平卧位时,口腔和口咽腔体积都是最小的;当变成后仰位时,口腔和口咽腔体积是平卧位的2倍;而嗅物位时,口腔体积是平卧位的近1.5倍,口咽腔体积是平卧位的近1.67倍。口腔和口咽腔体积总和在后仰位约为平卧位的2倍,在嗅物位约为平卧位的1.57倍,即后仰位>嗅物位>平卧位。

表2 3种头位下口腔和口咽腔体积Tab 2 The volume of oral and oropharyngeal cavity in 3 head positions (mm3)

Vo:The volume of oral;Vp:The volume of oropharyngeal.

讨 论

从20世纪20年代起,麻醉医师就气管插管头位的摆放进行了各种临床观察研究。MaGill[3]指出外科医师行气管镜检查时所用的极度后仰位,在气管插管时非但不必要,还常常使喉镜暴露声门困难而增加插管难度。随着直接喉镜暴露声门三轴线重叠理论的提出[4],嗅物位作为标准插管体位被广泛接受,在几乎所有的麻醉学著作中均被提及。

近年来,随着各种影像学技术的发展,很多报道从不同角度客观地阐述不同麻醉头位的解剖结构特点。Adnet等[6]在MRI影像上标记MA、LA和PA,测量并比较分析三轴线的夹角,结果在清醒、气道解剖正常的人群中,3种头位均不能使三轴线重叠;而且后仰位和嗅物位口、咽、喉三轴线的位置关系并无显著差异,因而认为将嗅物位作为气管插管的最佳头位并无明显解剖学上的优势。Takenaka等[8]对比X片中口轴、咽轴与枕骨底部、第2颈椎平面的位置关系,来比较不同头位寰枕关节伸展度,以及寰枕关节伸展度对喉镜暴露视野的影响,这比单纯分析三视轴的位置关系更全面,但X片软组织显影不理想,无法将喉轴线一并讨论。Greenland等[7]在MRI影像上标出气流从口至声门的通路,分析不同头位这条气流通路的改变,并测算了气流通路曲线与视线轴围成区域的面积,用来反映气道的畅通程度。这标志着关于气管插管头位的研究从线到面,变得“立体化”。三轴线理论研究中三轴线的位置均有明确的解剖定位标记,具有客观性、可重复性;而Greenland等[7]研究中标记的气流通路是一条曲线,无明确的解剖定位,曲线位置形态受标记者主观影响较大,结果的准确性值得商榷。

本研究通过采集CT影像学数据,进行了上气道模型的三维立体重建。3种不同体位下口轴、咽轴、喉的轴线夹角数值与Adnet等[6]的测量结果相符,证明了影像学研究的可重复性。经典三轴线理论认为,嗅物位包含两个动作:颈部的屈曲和寰枕部的伸展。颈部屈曲可使咽轴和喉轴接近于重叠;寰枕部伸展可使口轴接近其他两轴,这样三轴接近重叠,插管者可更清晰地看到喉部结构[2]。本例中,喉-咽轴交角平卧位和嗅物位接近,而后仰位增大了约1倍。平卧位颈部自然中立状态与嗅物位颈部屈曲状态比较,咽轴-喉轴位置几乎无变化,不能证明颈部屈曲更有利于咽轴和喉轴的重叠,而后仰位颈部伸展使咽-喉轴交角明显增大,因而颈部过分伸展不利于咽轴和喉轴重叠。口-咽轴交角在嗅物位最小,在后仰位增大了0.2倍;在平卧位最大,约为嗅物位的1.6倍。口-喉轴交角后在仰位最小,在嗅物位增加了0.36倍,在平卧增加了0.7倍。口-咽轴交角和口-喉轴交角在平卧位的值均明显大于后仰位和嗅物位,说明嗅物位和后仰位均利于口轴向咽轴、喉轴两轴线重叠。三轴线交角的总和在嗅物位与后仰位相近,分别为136°和140°;在平卧位为186°,明显大于另两个头位,说明平卧位口-咽-喉三轴线重叠程度最差,是最不利于喉镜显露的头位。本研究测量所得寰枕关节角度在后仰位和嗅物位相近且小于平卧位。由于该角度越大,寰枕关节伸展程度就越小,平卧位寰枕关节角度最大,其口-咽和口-喉交角值也最大,进一步证明了平卧位寰枕关节伸展度小,不利于口轴向咽轴、喉轴两轴线重叠,因而是最不利于喉镜显露的体位。嗅物位和后仰位的寰枕关节伸展度相近,其口轴与咽轴、喉轴交角也相近。嗅物位时颈部屈曲,寰枕关节伸展;后仰位颈部伸展,寰枕关节也伸展;嗅物位和后仰位最大的差异是颈部屈伸的不同。我们的结果虽无法证明嗅物位颈部屈曲更有利于咽轴-喉轴重叠,但可以证明后仰位颈部伸展不利于咽轴-喉轴重叠;寰枕关节伸展有利于口轴向咽轴、喉轴这两条轴线重叠,而嗅物位和后仰位寰枕的关节伸展程度均优于平卧位。将口-咽-喉三轴线关系和寰枕关节伸展度结合考虑,我们推测直接喉镜气管插管时,嗅物位是最有利于喉镜显露的体位,后仰位其次,平卧位最差。这个推论与Greenland等[7]和Takenaka等[8]的结论相同。与Takenaka等[8]有区别的是,未见本例嗅物位寰枕关节伸展度明显大于后仰位;推测嗅物位优于后仰位的原因是嗅物位时颈部屈曲比后仰位时颈部伸展,更利于咽轴-喉轴的重叠。

本研究根据CT图像三维重建上气道模型,分别测得3种体位下口咽腔和口腔的体积。平卧位时口腔和口咽腔体积都是最小的;嗅物位时口腔体积约为平卧位的1.5倍,口咽腔体积约为平卧位的1.67倍;而后仰位时,口腔和口咽腔体积约为平卧位的2倍。因此,无论是颈部屈曲、寰枕关节伸展的嗅物位,还是颈部伸展、寰枕关节伸展的后仰位,均使口腔和口咽腔体积增大,其中后仰位时口腔和口咽腔体积的增加程度最大。口腔中的舌是肌性器官,咽也是一个肌性管道,软腭部分的口咽结构缺少骨性支架的支撑,因此气道的开放程度取决于口咽部肌肉的相对位置和活动度。头颈部位置的改变可使相应肌群的相对位置和体积发生变化,从而使口咽腔体积发生变化。尽管后仰位时三视轴线的重叠度不及嗅物位,但口腔和口咽腔体积却增加最多,可能意味着有更大的气管插管操作空间,从而更有利于气管插管。Adnet等[10]在一项对456名患者的研究中指出,常规情况气管插管在嗅物位与单纯头后仰位相比并无优势;而在肥胖和头后仰受限的患者中嗅物位有优势。根据本研究结果分析,嗅物位较后仰位更利于三轴线重叠,即嗅物位有利于喉镜暴露声门;而后仰位时口腔、咽腔体积大于嗅物位,即后仰位有更大的气管插管操作空间。气管插管的操作有两个关键动作:喉镜暴露声门和将气管导管通过声门送入气管。研究者倾向于嗅物位气管插管是因为嗅物位利于喉镜暴露声门[5]。然而,若能增大口、咽腔这块狭小的操作空间,将喉镜片置入口腔以及将气管导管送入气管内会变得容易许多。Kim等[11]在一项临床试验中发现,气管插管时使患者维持头后仰姿势会减少牙齿与喉镜片的碰擦,同时不影响喉镜视野暴露。因此,在不存在肥胖和头后仰受限的患者中,嗅物位能提供更好的喉镜显露视野,而后仰位能提供更大的操作空间,哪种头位更具有优势需要取决于操作者的经验。

文献报道关于气管插管头位的研究均局限在二维平面,侧重点在于头位对喉镜显露声门的影响,本研究的不同之处在于同时考虑不同头位对喉镜显露声门和气管插管操作空间的影响。从二维到三维的进展能更立体化地分析上气道解剖学信息,研究上气道空间对气管插管操作的影响有更大的临床使用价值。本研究是在清醒状态下获取志愿者的上气道CT影像,而在麻醉肌松状态下,口、口咽腔的软组织解剖结构会受到麻醉深度和肌松程度的影像,因而本研究结果不能完全反映麻醉肌松状态下的上气道空间情况,结果仅能为临床提供一定的参考。本研究另一个不足之处是依据健康志愿者的个案数据提出一个推测,是否能代表国人人群特征尚需大样本统计研究。然而,本研究从三维空间角度来分析气管插管体位,结果依然能为麻醉气道管理的研究提供一个新的视角和方法。

综上所述,本研究通过1例志愿者3种不同气管插管的头位CT图像采集,重建三维气道,结合经典三轴线理论和气管插管操作的立体空间进行综合分析,由此推测:嗅物位时口-咽-喉三轴线趋于重叠,最有利于喉镜显露声门;后仰位时口、口咽腔体积最大,有更大的气管插管操作空间。

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The comparative analysis for 3D CT images of upper airway in 3 different head positions for tracheal intubation

WEI Wei, HUANG Shi-wei, QIU Yi-min, CHEN Lian-hua△, LI Shi-tong

(DepartmentofAnesthesiology,theFirstPeople′sHospital,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200080,China)

Objective To evaluate the effect of different head positions on both the alignment of three upper airway axes and the space for the procedure of tracheal intubation by 3D CT imaging to build on anatomic evidence for optimizing tracheal intubation position. Methods One female volunteer underwent CT scanning in 3 anatomic supine positions:neutral,head extension and sniffing.The axis of the mouth (MA),the pharyngeal axis (PA) and the laryngeal axis (LA) were made on each scan to measure the various angles between these axes,which were marked as M-P,L-P and M-L.The reference lines for the occiput (O) and the atlas (A) were marked to measure the acute angle between them (A-O).Three-dimensional models of the upper airway were reconstructed from the CT scan images.The area of mouth and oropharynx were selected to calculate the volume of oral cavity (Vo) and oropharyngeal cavity (Vp). Results The comparison for the total values of the 3 angles (L-P+M-P+M-L) was:neutral > extension > sniffing position.The comparison for the L-P angle:neutral≈sniffing < extension; The M-P angle:sniffing

3D reconstruction; upper airway; CT; head position; tracheal intubation

R 614.2

A

10.3969/j.issn.1672-8467.2015.02.017

2014-10-11;编辑:王蔚)

上海市第一人民医院教育研究课题重点项目(201405)

△Corresponding author E-mail:chenlianhua1991@aliyun.com

*This work was supported by the Key Project of the Educational Research Foundation from the First People’s Hospital,Shanghai Jiaotong University (201405).