建立人工气道的新技术-环甲膜穿刺反向引导气管切开术动物实验

陈犹白，王 珊，张海钟

解放军医学院，北京 100853；2卫计委卫生发展研究中心，北京 100191；3解放军总医院 口腔颌面外科，北京 100853

基础研究论著

建立人工气道的新技术-环甲膜穿刺反向引导气管切开术动物实验

陈犹白1，王 珊2，张海钟3

解放军医学院，北京 100853；2卫计委卫生发展研究中心，北京 100191；3解放军总医院 口腔颌面外科，北京 100853

目的 介绍环甲膜穿刺反向引导气管切开术(cricothyroid membrane puncture directed tracheostomy，CMPDT)及其在建立人工气道中的应用。方法 将6只小型猪麻醉后建立低氧血症模型。应用环甲膜穿刺反向引导气管切开术建立人工气道，分别记录手术开始至通气供氧和手术开始至气管插管的手术时间，监测并记录血氧饱和度等多参数心电监护仪指标，利用纤维支气管镜观察气管内壁损伤等术中并发症。术后常规饲养小型猪1年，观察并记录术后近期和远期并发症。结果 所有小型猪(6/6)均快速通气并成功建立人工气道，从实验开始至成功通气的时间为(18±5) s，从实验开始至成功插管的时间为(174±34) s。1只中量出血；1只发生气管内壁的轻微划伤，伤口表浅，长度约2 mm，未见术后近期和远期并发症。结论 动物实验证实CMPDT是一项快速、安全、有效的气管切开技术，有望成为一项新的外科人工气道技术。

人工气道；气管切开术；动物实验；环甲膜切开术；气管插管

目前常用的外科气道技术主要有环甲膜切开术和气管切开术(surgical tracheostomy，ST)。环甲膜切开术操作简便，手术时间短，易于掌握，但是经环甲膜处长期带管可能损伤环状软骨，引发声门下狭窄等并发症[1]。根据现行的气道管理指南[2-4]，如患者情况紧急，应首选环甲膜切开术，术后如需长期插管则等待病情稳定后再行气管切开术，以避免环甲膜处长期带管损伤环状软骨，导致远期气管狭窄。但是此类患者需接受二次手术，增加了相关的手术风险、费用和住院时间[3-4]。为了达到既能快速供氧又能一次性建立人工气道、避免二次手术的目的，我们发明了一种新式外科气道技术-环甲膜穿刺反向引导气管切开术(cricoid membrane puncture directed tracheostomy，CMPDT)及相关器械套装。目前国内外尚无类似研究。本研究通过建立小型猪低氧血症模型，采用CMPDT技术建立气道，记录其操作时间、恢复通气效果和并发症，评估应用CMPDT建立人工气道的可行性和优缺点。

材料和方法

1实验动物 本实验经解放军总医院道德和伦理委员会批准，全部实验在解放军总医院动物实验中心进行。购自中国农业大学的6只小型猪作为实验对象，所有小型猪均为同一种属，均为雄性，年龄(180±12) d，体质量(15.6±1.8) kg。

2实验仪器 CMPDT器械套装国家发明专利号：200510116861.7；200520130338.5。专利名称“环甲膜穿刺反向引导管和与其配套使用的撑开钳”，包括环甲膜穿刺管、撑开钳、连接管、储气囊、打气筒等，由张海钟设计，清华大学精密仪器研究所生产(图1)。

3实验步骤 小型猪术前禁食12 h，无需禁水。术前5 ～ 10 min肌肉注射氯胺酮9 mg/kg和速眠新Ⅱ0.1 ml/kg，麻醉满意后备皮、消毒，连接多参数心电监护仪(Philips IntelliVue MP60，Amsterdam，Netherlands)，术中持续监测并记录小型猪心电图(electrocardiogram，ECG)、心率(heart rate，HR)、血压(blood pressure，BP)、血氧饱和度(SpO2)等生命体征的变化。将气管插管套于纤维支气管镜外(Olympus LF-DP，Tokyo，Japan)，下段涂抹液体石蜡，在纤维支气管镜引导下进行气管插管。术中由医师B操作纤维支气管镜观察并记录气管内壁损伤等并发症，术者A则盲于纤维支气管镜屏幕，以排除其对操作的指导。实验开始后堵塞气管插管，待小型猪的血氧饱和度下降至80%时(t0)，将气管插管拔出至环甲膜以上的位置。手术开始，术者站于小型猪的左侧，用左手成功定位环甲膜，右手握持穿刺管手柄，将穿刺管尖端朝向小型猪尾部刺入环甲膜处皮肤，经环甲膜进入气管(图2A)。用注射器抽取少量0.9%氯化钠注射液，插入穿刺管尾部，拉开注射器活塞，见有气泡则可确定穿刺管尖端进入气管(图2B)。挤压气囊，小型猪胸部随气囊挤压起伏，且SpO2持续升高，确认通气有效(t1)。旋转手腕将穿刺管沿气管长轴推进，穿刺管尖端一般在第3 ～ 4软骨环间穿出气管。左手协助固定周围皮肤，用力使穿刺管尖端刺出皮肤(图2C)。旋下穿刺管尖端，露出管内腔(图2D)，将扩张钳非工作侧钳喙插入管腔，牢固后将穿刺管沿原路退回气管，引导扩张钳进入气管(图2E)。撑开扩张钳，利用工作侧锋利的刀刃扩张造口。操作时注意保证撑开方向处于中线位置，不要向两侧偏移(图2F)。造口完成后，撤除扩张钳，用吸痰软管将气管内的血液等分泌物等吸净，再次将穿刺管穿出皮肤，套入气管切开套管(Vitaltec Rota-Trach，Taiwan，China)(图2G)，同样方法引导气管切开套管进入气管并充气固定，确定套管处于气管内后，从环甲膜穿刺孔缓慢拔除穿刺管(图2H)。环甲膜处创口无需缝合，贴Urgosterile无菌黏性敷料(URGO，Chenove，France)，手术完成(t2)。整个操作过程中间断挤压气囊，以维持小型猪血氧饱和度等生命体征平稳。

表1 手术并发症定义Tab. 1 Defnitions of operation-related complications

图 1 环甲膜穿刺反向引导气管切开组件套装A： 儿童用穿刺管； B： 成人用穿刺管； C： 撑开钳； D： 气囊； E： 普通气管插管； F：注射器Fig. 1 Cricothyroid membrane puncture directed tracheostomy kit A: Puncture tube for children; B: Puncture tube for adults; C: Dilatational forceps; D: Air bag; E: Cuffed tracheal tube; F: Syringe

图 2 CMPDT手术步骤A：手术开始，定位环甲膜，将穿刺管尖端刺穿环甲膜进入气管； B：确定进入气管；C：穿刺管尖端从气管内向外刺出皮肤；D：旋下穿刺管尖端；E：将扩张钳非工作侧插入管腔，穿刺管后退引导扩张钳进入气管； F：扩张造口；G：同样方法引导气管套管进入气管； H：吸出气管内血液等分泌物，固定气管套管，手术结束Fig. 2 Detailed procedure of CMPDT A: Identify the cricothyroid membrane and penetrate through the membrane into trachea with the puncture tube; B: Certifcation of the access to trachea; C: Tip of puncture tube pierced out from inside to outside of the trachea; D: Twist off the tip; E: Insert the tip of the no-edge jaw of the dilatational forceps into puncture tube lumen and retract the puncture tube to trachea which also guides the tip of forceps into trachea; F: Dilate to expand stoma; G: Intubate the tracheostomy tube; H: Suck out blood and secretions in the trachea then stabilize the tracheostomy tube

图 3 6只小型猪血氧饱和度随时间变化趋势图Fig. 3 Time-elapsed trend of SpO2in 6 minipigs

图 4 纤维支气管镜下所见：穿刺管刺入气管时(A)视野清晰未见明显出血及气管内壁损伤，扩张钳造口时(B)可见出血但量较少Fig. 4 View of intraoperative fber bronchoscope：No bleeding or tracheal wall damage was seen when penetrating the trachea with puncture tube (A); There was minor bleeding in dilating process (B)

4观察指标 记录t0- t1- t2的手术时间。术后7 d后拔管，常规饲养动物1年，饲养条件及饮食与术前无差异，记录术后近期并发症(术后2周内)和术后远期并发症(术后2周～ 1年)。各项并发症及程度的定义详见表1。

结 果

1手术效果 所有小型猪(6/6)均建立了人工气道并通气成功。术中ECG、HR、BP等生命体征未见明显波动，血氧饱和度SpO2从t1时即开始上升，后一直维持在94%以上(图3)，术中若见下降可持续挤压气囊。

2手术时间 手术时间t0- t1为(18±5) s，t0- t2为(174±34) s。

3手术并发症 通过纤维支气管镜可见穿刺管从环甲膜刺入气管后尖端即朝上，气管内视野清晰，无明显出血。扩张钳造口时略有出血，但出血量较少(图4)，其中5只少量出血，1只中量出血。未见假性通道形成和喉部软骨损伤，但1只发生气管内壁的轻微划伤，伤口表浅，长度约2 mm。术后观察未发生其他并发症。

讨 论

1909年Jackson[5]首次报道气管切开术，19世纪50年代机械通气和ICU的出现和发展，使ST的适应证从最初的缓解急性呼吸道阻塞扩展为长时间人工通气的选择性手段等，这种改变促使ST逐渐成为建立人工气道最常用的外科方法[6]，并被急诊科、麻醉科、耳鼻喉头颈外科和口腔颌面外科等相关专业医生所掌握。我们发现，环甲膜切开术与ST的成功率不存在显著差异，但其并发症发生率远高于ST[7]。究其原因，可能与目前ST的广泛应用使得医师对其较为熟悉有关。除ST外，目前常用的气管切开术还包括经皮扩张气管切开术(percutaneous dilational tracheostomy，PDT)及其改进方法等[8-12]。但是不管是哪种气管切开术，其手术时间较长，不适合建立紧急气道[13-15]。

我们曾于2010年和2011年分别进行了CMPDT的预实验[16-17]，第一次采用了6只小型猪和6只杂种犬，其中1只小型猪为活体，其余为新鲜尸体。第二次又采用了6只小型猪和6只杂种犬，其中3只为活体，其余为新鲜尸体。虽然尸体实验无法评估CMPDT的并发症，但仍可作为经济的手段研究手术时间。本实验仅采用了6只活体小型猪，样本量较小，增加样本量可以增强实验说服力。

本实验中CMPDT的总手术时长为(174±34) s，但是恢复供氧仅需(18±5) s。从实验中记录的血氧饱和度曲线可以看出，在恢复通气供氧后小型猪的血氧饱和度明显回升，并很快达到术前水平，证明CMPDT技术可以在较快时间内恢复通气供氧。CMPDT借鉴了Griggs经皮扩张技术的扩张方法，同样使用特殊的扩张钳扩张造口，但是经皮扩张技术的造口由外而内，CMPDT是由内而外，从而避免了PDT技术造口时可能造成的气管内壁损伤。本实验中1只小型猪发生了表浅气管内壁划伤，并非是由于穿刺管的尖端导致，而是由于扩张钳钳喙稍尖锐，进入气管时没有掌握好力度，突然落空导致划伤了气管内壁。针对上述问题，我们准备将穿刺管和扩张钳均标上刻度，以判断器械进入组织内深度。同时将扩张钳的钳喙做得圆钝，避免进入过深时钳喙戳伤气管后壁。

CMPDT的优点：1)器械套装携带方便，技术操作简单，实施快速；2)不需要患者头过度后仰，可以应用于疑似有颈椎损伤的患者；3)造口定位容易；4)先穿刺通气以保证患者的生命，为后续操作赢得充足时间，再气管造口以获得充足稳定的气道；5)通气效果明显；6)出血等并发症较少；7)所有操作可一人单独完成，适合入院前急救等人手短缺情况。CMPDT也有较明显缺点，即在环甲膜穿刺处产生了多余创口，虽然较小，无需缝合等处理即可自然愈合，但仍有感染及引发呼吸道炎症的风险。

根据之前的研究结果[16-17]，我们对穿刺管的长度、弧度、穿刺弧部分的弦长等参数进行了改进，针对儿童和成人的颈部和气管解剖差异制作了两套不同型号的穿刺管[18]，以满足不同年龄段的需要。本动物实验采用小型猪作为实验对象，因为猪与人类喉部和气管的解剖具有较高的相似性，但是小型猪皮肤至气管深度(2 ～ 3 cm)比人类深(最短距离仅1.5 ～ 2 cm)，皮肤质地也更为坚韧，推测当CMPDT应用于人体时将获得更短的操作时间。

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17 陈犹白，张海钟．战创伤急救中快速建立气道的新型气管切开装置［J］.解放军医学院学报，2013，06（6）：625-627．

18 Elliott D， Baker PA， Scott MR， et al. Accuracy of surface landmark identification for cannula cricothyroidotomy［J］. Anaesthesia，2010， 65（9）： 889-894.

A novel technique for airway cricothyroid membrane puncture directed tracheostomy: Preliminary experiment in minipigs

CHEN Youbai1, WANG Shan2, ZHANG Haizhong3
Chinese PLA Medical School, Beijing 100853, China;2China National Health Development Research Center, Beijing 100191, China;3Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

ZHANG Haizhong. Email: zhanghz301@gmail.com

Objective To introduce a novel technique for tracheostomy: cricothyroid membrane puncture directed tracheostomy CMPDT) and its application in airway establishment. Methods Six minipigs were endotracheal intubated after anesthesia. Tracheal tube was blocked deliberately to simulate a hypoxia situation. CMPDT was used to establish airway when SpO2decreased o 80%. Operation time from start (t0) to successful ventilation (t1) and to successful intubation via tracheal opening (t2) was ecorded. SpO2and other vital signs including ECG, BP and HR were monitored by multi-functional ECG monitor. Intraoperative omplications like tracheal wall injury were observed via fberobronchoscopy. The minipigs were raised for 1 year after operation, nd the short-term and long-term postoperative complications were also recorded. Results Quick ventilation and successful definite airway were achieved using CMPDT technique in all minipigs. The operation time from t0to t1and t0to t2was 18±5 s and 174±34 , respectively. No vital signs were violently fuctuated except SpO2increased continually since ventilation. Five minipigs experienced minor bleeding and 1 minipig went through medium bleeding without surgical treatment. No other complications occurred, while 1 minipig's tracheal wall was slightly scratched by dilatational forceps during the dilating procedure. Conclusion The animal experiment shows that CMPDT is a fast, safe and effective tracheostomy technique in minipigs, which can be an optional choice for tracheostomy.

artifcial airway; tracheotomy; animal experiment; cricothyrotomy; tracheal intubation

R 459.7

A

2095-5227(2015)09-0928-05

10.3969/j.issn.2095-5227.2015.09.019

时间：2015-06-15 15:52

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20150615.1552.004.html

2015-02-03

首都医学发展科研基金(2009-3050)；全军“十二五”课题面上项目(CWS11J095)

Supported by Capital Medical Development and Research Foundation of Beijing(2009-3050); the "12th Five-Year" Medical Science Research Foundation of PLA(CWS11J095)

国家发明专利号：20051016861.7；200520130338.5

陈犹白，男，在读博士，医师。Email: chenyoubai@gmail. com

张海钟，男，博士，主任医师，教授。Email: zhanghz301 @gmail.com