機(jī)械通氣下肺血流灌注狀況的電阻抗斷層成像評估新方法研究

曲志華，代萌，吳佳銘,3，張超，尤富生，付峰

1. 空軍軍醫(yī)大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，陜西 西安 710032；2. 西安電子科技大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710126；3. 陸軍軍醫(yī)大學(xué) 士官學(xué)校，河北 石家莊 050081

引言

肺血流灌注是指單位時(shí)間內(nèi)流入肺臟內(nèi)的血液量，當(dāng)充分的血流經(jīng)過肺泡周圍的毛細(xì)血管網(wǎng)時(shí)，肺臟才能完成正常的氣體交換；正常情況下，肺通氣量與肺血流灌注量之比（通氣血流比）維持在一定范圍內(nèi)（通常為0.8）[1]。因此，對于需要機(jī)械通氣支持的重癥監(jiān)護(hù)室（Intensive Care Unit，ICU）患者，除了需要評估其肺通氣幅度與分布信息以合理調(diào)節(jié)呼吸機(jī)參數(shù)，避免呼吸機(jī)對患者造成二次肺損傷外，評估肺臟的血流灌注狀況也具有重要的臨床價(jià)值。

目前，臨床上已有一些成像手段可對肺血流灌注情況進(jìn)行評估，如基于PET或SPECT的肺通氣/灌注（V/Q）顯像等[2]。上述成像技術(shù)可準(zhǔn)確反映肺臟不同區(qū)域的血量灌注狀況，但對于入住ICU的重癥患者而言，由于身體原因無法頻繁接受大型設(shè)備的檢查；同時(shí)由于設(shè)備體積較大且常具有放射性，不適合在床旁對患者開展實(shí)時(shí)的肺灌注評估。

電阻抗斷層成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）通過在物體表面放置的電極來注入微弱安全電流和測量表面電壓，并利用相應(yīng)的成像算法獲得物體內(nèi)部的電阻抗變化分布情況，以此來反映與之相關(guān)的生理病理信息。作為一種非入侵、無輻射的床旁成像手段，EIT廣泛應(yīng)用于肺功能成像、顱腦功能成像和乳腺癌監(jiān)測等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。由于血液流動(dòng)會(huì)引起胸腔內(nèi)阻抗變化，因此利用EIT實(shí)時(shí)評估肺灌注功能也極具潛力。

肺灌注和心臟的機(jī)械運(yùn)動(dòng)會(huì)引起胸內(nèi)與心臟相關(guān)的血流變化，而血流變化和肺部通氣均會(huì)引起胸內(nèi)的電阻抗改變，且血流相關(guān)的阻抗變化幅度不足通氣相關(guān)的阻抗變化幅度的5%，因此基于EIT的肺灌注評估需要降低肺通氣相關(guān)的阻抗變化的影響[3-4]。目前，國內(nèi)外學(xué)者采用頻域?yàn)V波[5-6]、心電觸發(fā)數(shù)據(jù)采集[7]或設(shè)置呼氣末屏氣[8]等方法來獲得EIT數(shù)據(jù)中與心臟搏動(dòng)相關(guān)的成分，并將EIT搏動(dòng)信號用于評估肺血流灌注的區(qū)域分布情況；然而使用EIT搏動(dòng)信號得到的肺灌注結(jié)果往往不夠準(zhǔn)確，因?yàn)镋IT搏動(dòng)數(shù)據(jù)可能會(huì)受到血管阻力和毛細(xì)血管擴(kuò)張的影響，而某些肺部疾病和氣道壓力的改變也會(huì)影響到血管的搏動(dòng)[9-10]。

因此，針對臨床ICU中需要接受機(jī)械通氣支持的重癥患者，本文探索出一種基于EIT的非區(qū)域血流灌注評價(jià)方法：鑒于鹽水具有很高的導(dǎo)電性，同時(shí)也根據(jù)治療的需要，在保證安全的前提下，本文擬采用上腔靜脈注入10%高滲鹽水（50 kHz下10%鹽水電導(dǎo)率為1.760 S/m，而血液為0.7008 S/m）的方式作為EIT成像的造影劑，以增強(qiáng)EIT肺灌注成像的效果；同時(shí)，基于獲得的EIT圖像，定量分析肺灌注的分布狀況。

1 測量病例與數(shù)據(jù)采集

本研究經(jīng)本單位倫理委員會(huì)通過以及家屬同意。入組標(biāo)準(zhǔn)為需要接受機(jī)械通氣支持，且需通過上腔靜脈注射藥物治療的重癥患者，同時(shí)患者腎功能和血常規(guī)無異常。排除標(biāo)準(zhǔn)為有肺大泡，或有肺葉切除手術(shù)史。有4例患者符合該入組標(biāo)準(zhǔn)，患者數(shù)據(jù)，見表1。

EIT 原 始 數(shù) 據(jù) 由 PulmoVista 500（Dr?ger，Lübeck，Germany）采集，電流激勵(lì)模式為相鄰激勵(lì)模式，單幅EIT圖像含有32×32個(gè)像素，每秒包含40幀圖像。EIT圖像的后續(xù)處理基于MATLAB R2015b（Mathworks，Natick，Massachusetts，USA）。在患者接受機(jī)械通氣治療的過程中，包含16個(gè)感應(yīng)電極的EIT電極帶放置于患者第四至第六肋間，參考電極置于腹部。在開始造影劑注射前，醫(yī)生將呼吸機(jī)設(shè)置為呼氣末屏氣狀態(tài)，持續(xù)10～15 s；在此期間，立刻通過上腔靜脈注射10 mL濃度為10%的高滲鹽水，并觀察EIT的阻抗變化情況；之后立刻恢復(fù)機(jī)械通氣。整個(gè)注射過程中，醫(yī)生密切觀察患者的狀態(tài)，以確保患者的安全性。整個(gè)過程中，患者的胸腔內(nèi)總的相對阻抗-時(shí)間變化曲線，見圖1，其中期間A與期間C呼吸機(jī)為通氣狀態(tài)，期間B呼吸機(jī)為呼氣末屏氣狀態(tài)，箭頭指示處為注射鹽水的時(shí)間點(diǎn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)過程的心肺相對阻抗-時(shí)間變化曲線

2 心肺部感興趣區(qū)域的分割

由于EIT也會(huì)對電極帶橫切面周圍的組織進(jìn)行成像，某些區(qū)域可能同時(shí)包含心臟和肺臟組織，所以在確定感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）時(shí)，需計(jì)算心肺區(qū)ROI及心區(qū)ROI，再將二者相減得到單純的肺區(qū)ROI。心肺區(qū)ROI分割流程，見圖2。

確定心肺區(qū)ROI需要計(jì)算與通氣分布有關(guān)的回歸功能EIT（Regression Functional EIT，fEIT）圖像[11]。fEIT圖像反映了各像素點(diǎn)的阻抗變化波形與總阻抗波形的相關(guān)程度，因此常用于分割心肺區(qū)ROI。由于期間A處于通氣狀態(tài)，總阻抗變化主要受到肺區(qū)像素點(diǎn)的影響，fEIT圖像由以下線性回歸方程得出：

這里ΔZAi(t)為原始數(shù)據(jù)中期間A內(nèi)第i個(gè)像素點(diǎn)相對阻抗-時(shí)間曲線；a,b為回歸系數(shù)；e為擬合誤差；取斜率a為像素值可得fEIT圖像。單個(gè)像素點(diǎn)與總體的回歸擬合如圖2b所示，所得fEIT圖像如圖2c所示。然后選取fEIT圖像中最大像素值的20%作為閾值[12]，將1024個(gè)像素分割為心肺區(qū)R1和非心肺區(qū)R2，如圖2d所示。

3 心臟感興趣區(qū)域的分割

確定心區(qū)ROI需要計(jì)算與心臟搏動(dòng)相關(guān)的搏動(dòng)幅度圖。機(jī)械通氣與心臟引發(fā)的血流搏動(dòng)都會(huì)引起胸內(nèi)阻抗變化，二者頻率不同，可通過帶通濾波分離。心區(qū)ROI分割流程，見圖3。期間B的頻域圖如圖3b所示，經(jīng)過快速傅立葉變換后，可明顯看到搏動(dòng)波形及其二次諧波的頻帶。由于人的心率一般為60～120次/分，設(shè)置下限截止頻率0.9 Hz、上限截止頻率2.1 Hz對期間B的相對阻抗-時(shí)間曲線進(jìn)行帶通濾波，得到純心臟搏動(dòng)分量，如圖3c所示，該分量是近似周期變化的。設(shè)第i個(gè)像素點(diǎn)心臟搏動(dòng)分量各周期內(nèi)極差的平均值為該像素點(diǎn)的搏動(dòng)幅度Ampi，由Ampi作為像素值構(gòu)成如圖3d所示的圖像即為搏動(dòng)幅度圖。然后選取搏動(dòng)幅度圖中最大像素值的40%作為閾值，將1024個(gè)像素分割為心臟區(qū)R3和非心臟區(qū)R4，如圖3e所示。

表1 患者基本數(shù)據(jù)

圖2 心肺區(qū)ROI分割流程

圖3 心區(qū)ROI分割流程

4 計(jì)算單純的肺區(qū)域相對灌注占比

由于fEIT圖像設(shè)定閾值所得心肺區(qū)ROI中包含了心臟區(qū)域，因此在計(jì)算肺灌注分布時(shí)，須減去心區(qū)ROI，才能得到肺區(qū)ROI，即：

這里Rlung為肺區(qū)ROI，R1為心肺區(qū)ROI，R3為心區(qū)ROI，如圖 4a～c所示。

圖4 計(jì)算純肺區(qū)域相對灌注占比流程

確定肺區(qū)ROI后，每個(gè)像素點(diǎn)在期間B的相對阻抗-時(shí)間關(guān)系可由如下方程表示：

這里ΔZBi為期間B內(nèi)第i個(gè)像素點(diǎn)的相對阻抗；c，d為通過最小二乘法得到的擬合直線的斜率和截距；t為時(shí)間；e為擬合誤差（圖4e）。在呼氣末屏氣狀態(tài)下，呼吸相關(guān)的阻抗變化幾乎為零，阻抗變化主要受血流灌注影響。公式(3)中的斜率c代表注入高滲鹽水后像素點(diǎn)對應(yīng)區(qū)域的阻抗下降速度，而不同像素點(diǎn)阻抗下降速度有差異則是因?yàn)樵撓袼攸c(diǎn)對應(yīng)區(qū)域的血流灌注量不同，因此斜率c可以表示像素點(diǎn)的相對灌注流量。

進(jìn)一步，相對肺灌注分布圖可由以下方程進(jìn)行歸一化后得出：

圖5給出了2種劃分不同區(qū)域的方法：其中象限法（圖5b）偏向于對左右肺之間的對比，而四分層法（圖5c）更趨向于對重力依賴的體現(xiàn)。表2給出了根據(jù)該方法對4例數(shù)據(jù)得到的肺灌注占比情況。

圖5 不同區(qū)域劃分示意圖

表2 肺灌注分布結(jié)果（%）

4 討論

本文基于注射10 mL的10%鹽水作為造影劑，由EIT初步實(shí)現(xiàn)了對肺心血流灌注分布情況的評估，為醫(yī)生改善機(jī)械通氣的治療效果提供了有價(jià)值的參考診斷信息。當(dāng)知道不同區(qū)域的肺灌注占比時(shí)，便能通過修改呼吸機(jī)參數(shù)，更好地為患者提供機(jī)械通氣治療。

由于肺通氣和血液流動(dòng)都可以引起胸部阻抗的周期變化，而前者的幅度往往更大。因此，在本研究中，通過屏氣來抑制肺通氣引起的阻抗變化。在一些研究中，血液流動(dòng)導(dǎo)致的周期搏動(dòng)信號也被用于評價(jià)肺灌注情況[13-14]。然而，因?yàn)椴煌姆尾考膊『蜌獾缐毫?huì)影響肺部毛細(xì)血管的搏動(dòng)，同時(shí)由于病例的個(gè)體差異往往無法控制這兩個(gè)因素，使用EIT搏動(dòng)信號得到的肺灌注結(jié)果往往不是很好。因此，在本文中通過注射高滲鹽水來放大血液流動(dòng)導(dǎo)致的阻抗變化。

在注射高滲鹽水后，由于血液中鹽濃度升高，胸部總阻抗首先會(huì)下降；之后經(jīng)過一段時(shí)間，高滲鹽水在血液內(nèi)的分布趨于均勻，且由于內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)，胸部總阻抗會(huì)回升。在阻抗下降的這段時(shí)間內(nèi)，灌注較差的區(qū)域（像素）血流量會(huì)比灌注正常的區(qū)域（像素）的血流量少[15-16]，而這個(gè)差別會(huì)體現(xiàn)在EIT圖像中像素點(diǎn)的像素值下降斜率上，因此本文通過不同像素點(diǎn)的相對阻抗值的下降斜率，能夠在一定程度上反映胸腔內(nèi)血量灌注分布情況。

本文的研究存在一定的局限性。首先，由于患者身體原因，無法外出接受大型設(shè)備的檢查，本文沒有與其他成像手段進(jìn)行對照研究，無法評估通過EIT得到的肺血流灌注結(jié)果是否準(zhǔn)確；但是在Borges等[8]的研究中，作者通過注射造影劑來使用EIT對小豬進(jìn)行肺血流灌注評估，并通過SPECT對結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證；在今后的研究中，本小組不僅會(huì)增加研究病例的數(shù)量，而且也會(huì)設(shè)計(jì)利用其他的檢查手段開展同步測量，以進(jìn)一步驗(yàn)證本方法的有效性。其次，在分割心區(qū)ROI時(shí)，所選取閾值為經(jīng)驗(yàn)值，因此閾值的設(shè)置會(huì)影響評估結(jié)果。針對上述問題，本小組下一步將展開相關(guān)實(shí)驗(yàn)來研究閾值選取對分布結(jié)果的影響，以提高肺血流灌注評估的準(zhǔn)確性。