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MMAAF:一种基于多模态视觉特征与机器学习的气道插管困难评估框架
电子技术应用
田伊1,陈泽玮2,李百川2,倪诚1,郑晖1
1.国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医院肿瘤医院;2.北京邮电大学 计算机学院
摘要: 气道插管困难是临床麻醉中的重要风险之一,提出了一种基于患者张口静态图像的自动化、客观化气道评估框架MMAAF(Multi-Modal Airway Assessment Framework),针对患者数据集的张口图像,运用计算机视觉技术自动提取六项关键解剖学特征,与患者真实插管困难标签结合,构建结构化的多模态预测数据集,进行随机过采样技术处理,集成随机森林与梯度提升树两种机器学习算法进行模型训练与评估。结果表明,梯度提升树与随机森林模型在独立测试集上的预测准确率分别达到92%和93%,评估性能良好。同时,在MMAAF框架内进行逻辑回归模型训练,并依据特征重要性权重对特征进行加权,计算得到患者的个体化插管困难概率评分,为临床决策提供了基于多模态特征的直观量化参考。
中圖分類號:TP181;R319 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.268137
中文引用格式: 田伊,陳澤瑋,李百川,等. MMAAF:一種基于多模態視覺特征與機器學習的氣道插管困難評估框架[J]. 電子技術應用,2026,52(6):13-20.
英文引用格式: Tian Yi,Chen Zewei,Li Baichuan,et al. MMAAF: a multi-modal visual feature and machine learning-based framework for difficult airway intubation assessment[J]. Application of Electronic Technique,2026,52(6):13-20.
MMAAF: a multi-modal visual feature and machine learning-based framework for difficult airway intubation assessment
Tian Yi1,Chen Zewei2,Li Baichuan2,Ni Cheng1,Zheng Hui1
1.National Cancer Center/ National Clinical Research Center for Cancer/ Cancer Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College;2.School of Computer Science, Beijing University of Posts and Telecommunications
Abstract: Difficult airway intubation is a critical risk in clinical anesthesia. This study proposes an automated, objective airway assessment framework named MMAAF (Multi-Modal Airway Assessment Framework) based on static mouth-opening images of patients. Using computer vision techniques, the framework automatically extracts six key anatomical features from the dataset of patient mouth-opening images. These features are combined with actual difficult intubation labels to construct a structured multi-modal prediction dataset, which is processed with a random oversampling technique. The study employs two integrated machine learning algorithms—random forest and gradient boosting decision trees—for model training and evaluation. Results show that the gradient boosting and random forest models achieve prediction accuracies of 92% and 93%, respectively, on an independent test set, demonstrating good assessment performance. Concurrently, a logistic regression model is trained within the MMAAF framework. Features are weighted according to their importance weights, and a personalized probability score for difficult intubation is calculated for each patient. This provides an intuitive quantitative reference based on multi-modal features to support clinical decision-making.
Key words : difficult airway;intubation difficulty prediction;medical image analysis;computer vision;random forest;gradient boosting decision tree

引言

氣道管理是麻醉、重癥及急診醫學的核心,氣管插管是最常用的人工氣道建立技術。然而,困難氣道(Difficult Airway)的發生給臨床帶來嚴峻挑戰。傳統預測主要依賴臨床評估工具,結果受評估者主觀經驗影響大,存在觀察者間變異,且多為定性或半定量指標,缺乏客觀統一的量化標準。尤其在張口度評估中,常用目測或簡單測量,難以精確捕捉口腔內復雜解剖細節(如舌體大小、咽喉可見度等),而這些細節是影響喉鏡顯露和插管成敗的關鍵。

現有困難氣道預測技術,包括傳統的臨床評估和引入智能化算法的方案,均存在顯著局限。首先,傳統臨床評估方法主觀性強、量化不足,結果高度依賴于評估者的個人經驗與主觀判斷,導致觀察者間變異大。同時,這些方法多為定性或半定量指標,缺乏客觀、統一的量化標準。其次,現有基于人工智能的預測研究在特征維度與模型可解釋性上存在不足。近年來,雖有研究嘗試利用面部圖像或視頻預測插管困難,但其關注點多局限于面部外部輪廓(如頸部輪廓、面部比例)或少數幾項指標。這些方法對口腔內部關鍵解剖結構(如舌、腭咽、聲門可見區)的精細化、多維度聯合量化分析明顯不足。此外,許多模型被視為黑箱,其決策過程缺乏可解釋性,醫生難以理解預測依據,從而限制了其在關鍵臨床決策中的被接受度。因此,現有方法的預測性能、魯棒性及其在真實臨床場景中的普適性仍有較大提升空間。

為了填補這一研究空白,本研究提出了一種基于患者張口靜態圖像的自動化、客觀化氣道評估框架MMAAF(Multi-Modal Airway Assessment Framework),主要創新點與貢獻在于:

(1)多維度解剖特征量化:突破傳統單一張口度測量,利用計算機視覺技術,從單張圖像中自動化提取六項精細的解剖學與幾何特征,包括張口度與頭部比例、舌口面積比、咽峽部可見性、張嘴縱橫比、上下門齒間距以及頦唇溝角度,實現了對氣道入口結構數字化描述。

(2)構建結構化預測數據集:將提取的視覺特征與患者是否存在插管困難的真實臨床標簽相結合,構建了結構化的機器學習預測數據集,為模型訓練與驗證奠定了基礎。

(3)集成學習模型構建與驗證:針對醫療數據中常見的類別不平衡問題,采用隨機過采樣技術進行處理。應用隨機森林和梯度提升樹兩種集成學習算法進行建模,通過獨立測試集和五折交叉驗證系統評估模型性能,確保其準確性與穩健性。

(4)可解釋的臨床決策支持:不僅追求高預測精度,還通過特征重要性分析揭示各視覺特征的貢獻度,并進一步結合邏輯回歸模型生成個體化的插管困難概率評分,為麻醉醫生提供一個直觀、量化的風險評估工具,輔助術前制定更精準的氣道管理方案。


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作者信息:

田伊1,陳澤瑋2,李百川2,倪誠1,鄭暉1

(1.國家癌癥中心/國家腫瘤臨床醫學研究中心/中國醫學科學院北京協和醫院腫瘤醫院,北京 100021;

2.北京郵電大學 計算機學院,北京 100876)

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