麻醉中的喉罩‑咽喉腔形态变化研究——基于交互式医学图像控制系统的三维可视化模型构建

2021
05/04

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古麻今醉
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为了深入研究LMA漏气的原因,本研究利用MIMICS软件针对在LMA置入后的PLC‑LMA形态变化,通过3D建模方式来研究PLC与LMA的形变情况。



廖红霞 陈立强 张天剑 盛春欢

上海市静安区市北医院麻醉科 200435

国际麻醉学与复苏杂志,2021,42(04):374-379.

DOI:10.3760/cma.j.cn321761-20200916‑00257

 基金项目 

上海市卫生健康委员会科研课题(201940453)

ORIGINAL ARTICLES

【论著】

喉罩(LMA)自面世以来,在全身麻醉的呼吸道管理中的使用越来越频繁,它操作简单,对血流动力学刺激小,麻醉复苏快,术后并发症少,具有很多气管导管无法比拟的优点。但它仍无法取代气管导管,主要原因是LMA仍存在一定的漏气发生率,这个缺陷制约了LMA在麻醉领域中的使用。


为了深入研究LMA漏气的原因,本研究利用MIMICS软件针对在LMA置入后的PLC‑LMA形态变化,通过3D建模方式来研究PLC与LMA的形变情况。


 

1 资料与方法

     

本研究选择3名志愿者N1、N2、N3,分别插入4#、3#、5#三种型号充满状态的双腔LMA进行喉部的三维重建,通过重建将建立6个模型,分别是志愿者N1的正常PLC(PLC1)、PLC1置入LMA(4#LMA)的复合模型PLC1‑LMA,N2的正常PLC(PLC2)、PLC2置入LMA后的复合模型PLC2‑LMA(3#LMA),N3的正常PLC(PLC3)、PLC3置入LMA后的复合模型PLC3‑LMA(5#LMA)。志愿者体征及置入LMA型号见表1。


另外还对3种型号的LMA进行三维建模。利用模型进行观察、测量和对比,以获取PLC在置入LMA后解剖形态的变化,以及LMA、PLC之间间隙的分布。

 

1.1 CT数据采集

以志愿者N1建构PLC1/PLC1‑LMA模型为主要内容,介绍建模流程。N1数据采集的对象是一名女性志愿者,体重55 kg、身高160 cm,ASA分级Ⅰ级、心功能1级、无咽喉部疾病和解剖异常。本次试验于2020年4月在上海市静安区市北医院CT室完成。


本次数据采集需要进行两次颈部扫描。第1次扫描在静脉麻醉前,第2次在静脉麻醉插入LMA后。其流程如下:


1.1.1 设置CT参数

CT机设置的参数如下:120 kV、30 mA,扫描厚度1 mm,面内分辨率0.75 mm×0.75 mm,矩阵512×512。


1.1.2 颈部CT扫描

第1次扫描在麻醉前进行,目的是对LMA和志愿者颈部CT进行扫描,以获取对照模型PLC1的数据。

随后进行第2次扫描,对插入LMA的咽喉进行扫描,获取PLC1‑LMA模型数据,流程如下:① 首先建立静脉通路,生命体征监护。② 志愿者吞咽达克罗宁利多卡因胶浆,对咽喉部进行表面麻醉,使用面罩吸入100%浓度氧气。③ 麻醉诱导,分别先后缓慢静脉注射利多卡因40 mg、丙泊酚2.6 mg/kg、瑞芬太尼0.7 μg/kg。④ 当受试者无咳嗽、无体动、下颌完全松弛、声门处于开放状态时,由一名LMA使用经验超过5年的麻醉医师将满气状态(30 ml)的4#LMA置入PLC(其余两种型号LMA将在另外两组建模中展示)。⑤ LMA插入PLC后接呼吸机,麻醉维持采用丙泊酚靶浓度3 mg/L持续静脉微量泵注。⑥ 在志愿者自主呼吸恢复后需要脱除螺纹管,以方便CT扫描;此后志愿者在保留LMA的状态下进行CT扫描,过程持续2~3 min。此过程中密切关注志愿者SpO2和胸廓起伏,SpO2如有下降,则停止扫描,使用呼吸气囊辅助呼吸,等待SpO2正常后继续进行扫描。本次扫描过程没有出现SpO2下降现象。⑦ CT扫描结束后,等待志愿者清醒,拔出LMA,结束本次数据采集。


1.2 模型构建

为了观察LMA置入PLC后LMA和PLC组织的形变,分别对颈部的骨组织(颈椎、舌骨、甲状软骨、下颌骨)进行重建,还将对骨组织包绕的中空的PLC进行建模,流程如下:首先将CT断层图像导入MIMICS后确定颈部建模的区域;其次通过调节对比度将各个组织凸显出来;然后通过调整阈值和区域增长将不同的目标组织赋予不同颜色;之后,通过蒙板编辑对区域内的颈椎影像逐层修改完善;最后进行计算获得组织三维模型。


以颈椎建模为例,具体介绍建模过程。首先赋予阈值,选择颈椎阈值为216~307,在这样的阈值下,颈椎和其他组织最大程度得到区分,然后选择建模的区域。本次建模区域为颈部上缘达第一颈椎棘突、下缘平第六至第七颈椎、前缘平下颌骨前缘、后缘达颈椎棘突后缘,这样可以缩小建模范围,避免浪费算力,此后,进行区域增长。对区域内的所有颈椎组织上色,本次颈椎颜色为黄色;如果在上色后,发现其他组织(如舌骨)也呈现黄色。那么说明颈椎和舌骨存在连接,通过蒙板编辑逐层对颈椎进行编辑修改,目的是分离舌骨和颈椎的联系,使得颈椎形态更为独立、完整。最后,对获得的颈椎蒙板进行计算,获取颈椎三维模型(图1)。

 
 

1.3 模型测量和重合对照

利用软件中的测量工具可以对模型的径线进行测量,将置入LMA前后的PLC进行重合对照(图3、图4)。

 
 

2 结 果

     

对另外两位志愿者N2和N3,将2种型号LMA进行建模后,获取另外两组模型结果(PLC2‑LMA和PLC3‑LMA组)。见图4。

 

2.1 形 态

由于LMA弹性作用,3组PLC‑LMA模型中舌骨大角距离都被扩张,N1由33.02 mm到38.54 mm;N2由36.77 mm到42.79 mm,N3由39.42 mm到59.85 mm;N1中甲状软骨上角的距离,从原本的33.83 mm扩大到42.01 mm,N2从原本的34.72 mm扩大到42.58 mm ,N3从原本的40.57 mm扩大到46.59 mm;N1 PLC形态变化非常大,容积由本来的7 617 mm3扩大到46 442 mm3,N2由4 727 mm3扩大到38 370 mm3,N3由25 583 mm3扩大到84 731 mm3。见图2~图4。


2.2 位 移

通过模型重合对照,可以看到:PLC体积很小,但是由于置入LMA的体积远大于PLC体积(差距4~9倍),插入LMA后,PLC形变非常大,这也说明PLC有较强的可塑性。正是如此,最终PLC几乎扩张成LMA的形态;100%充气状态下LMA插入PLC后,受到咽喉部骨性组织以及PLC软组织的挤压时,LMA产生了形变,气囊受到挤压,向中间弯曲。同时,舌骨和甲状软骨由于反作用力的作用,产生了位移和形变。整个PLC插入后形变的过程是几种弹性材料在力学上的平衡过程。根据弹性定律f=kx可知,位移越大,弹力越大。舌骨、甲状软骨受到喉罩弹力,位移方向朝向颈前部和胃部;根据反作用力定律,喉罩受到相反方向的挤压。因此,喉罩往背侧移动,受到脊柱的弹力,方向朝向颈前。脊柱、舌骨、甲状软骨的合力方向朝向口咽端,如果肌力较大,则可使喉罩挤出咽喉腔所以喉罩需要器械固定,防止脱落。见图5。

 

2.3 漏气点

LMA目的是将声门与PLC其他地方阻隔,这样通气时才能不产生泄露,通过PLC‑LMA模型可以看出,LMA气囊表面不存在间隙,因此可以直观地判断建模的过程中不存在联通外界的漏气,这个结果与当时临床测量的结果相符。


这次模型的间隙主要集中在LMA梨状隐窝处和LMA口咽端,在背侧也存在少量间隙。因此,气道气流可以从LMA气囊口咽端的凹陷处通过口咽或鼻咽逸出,或者从声门经过梨状隐窝到LMA背侧,然后从背侧上行至口咽、鼻咽泄露。见图6、图7。


从3组模型看,声门位置在舌骨以下(图3、图4),建议LMA在构造上需要进行修改,减少舌骨以上的LMA气囊体积,这样可以减少舌骨到口咽端LMA形变的概率;增加LMA背部气囊体积,减少气体从背侧泄露的概率。可以进一步推测:在全身麻醉中,如果将LMA气囊持续抽气,LMA气囊体积减少,与PLC产生的挤压减少,气囊与咽前壁间隙不断增大,某个时间点前壁间隙将扩大,直到联通气道和口咽端,产生气体泄露。而最早出现的区域可能是梨状隐窝处和LMA口咽端(图6、图7)。

 
 
 

3 讨 论

     

在本次重建PLC‑LMA模型的试验中,使用的相关技术有:颈部CT扫描过程中保留自主呼吸的麻醉技术,以及利用MIMICS软件重建颈部各个组织的技术。


通过3次模型结果,得出以下几点结论:

① 从形态上可知:由于骨组织的材料属性和PLC软组织不同,因此当LMA置入时,它们受到LMA的弹性挤压,产生的形变也不同,PLC的形变最大,甲状软骨次之,舌骨再次之。这个结果为选择LMA型号提供了参考,同时也验证了在很多临床试验中,利用舌骨作为PLC宽度依据的科学性。


② 通过将PLC‑LMA模型拟合后,发现由于LMA的气囊弹性扩张作用,使得上颌骨和脊柱的夹角略增大,舌骨、甲状软骨、环状软骨、主支气管都向颈前部和胃部移动。因此,这解释了颈部肌肉是否松弛对LMA是存在影响的。当颈部肌肉存在很大张力时,舌骨、甲状软骨以及环状软骨将阻碍LMA进入PLC,或者即使进入,也将对LMA产生挤压,导致较大形变,这是漏气产生的主要原因之一。


③ LMA的背侧是间隙最大的地方,其次在梨状隐窝和口咽端。LMA靠近口咽凹陷处、梨状隐窝处时,需要较好的密封。梨状隐窝是LMA难以密封的重点区域之一,此处的密封需要高度关注。


另外,在本次建模过程中,由于甲状软骨骨密度较低,CT扫描后,影像不够清晰,因此修建甲状软骨模型并不理想,但不影响最终结论。

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关键词:
LMA,PLC,模型,舌骨

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