電阻抗斷層成像技術在急性呼吸窘迫綜合征患者機械通氣監測中的應用研究進展

陳亮，陳翀，張鞠成（通信作者）

1 寧波大學醫學院附屬醫院設備科 （浙江寧波 315020）；2 浙江大學醫學院附屬第二醫院臨床醫學工程部 （浙江杭州 310009）

急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome,ARDS）是一種急性、彌漫性的炎癥性肺損傷，為常見的危及人類健康的呼吸危重癥之一[1]。在近期一項涉及29 144例患者的國際性研究中，10%的ICU患者以及23%的行機械通氣患者存在ARDS?；贾囟華RDS的患者病死率為46%[2]。ARDS幸存患者出現認知減退、抑郁、創傷后應激障礙和持續性骨骼肌無力的風險較高[3]。

機械通氣是救治ARDS患者的關鍵醫療措施，合理的機械通氣治療策略可以顯著降低病死率，反之則會進一步加劇病情的惡化。呼吸機的機械通氣方式會對肺泡產生損傷，從而造成肺炎、肺水腫、肺栓塞等呼吸系統并發癥；若發生嚴重的炎癥應答，甚至還會造成多器官衰竭，危及患者生命[4]。因此，近年來，旨在保證足夠氣體交換的同時避免肺組織產生機械性損傷的肺保護通氣策略，得到了廣泛的關注和快速的發展[5]。

為了正確引導肺保護通氣，需要實時監測患者肺部通氣情況。高分辨力肺部CT成像是目前主要的監測方法，可以展現局部肺通氣情況。但是，CT成像檢查會讓患者暴露在電離輻射下，并不適合重復性及連續性監測；此外，由于CT需要轉運患者，并不適用于床邊監測[6]。電阻抗斷層成像（electrical impedance tomography,EIT）技術作為一種無創監測方法，非常適合于床邊實時通氣監測[7]。

1 EIT通氣監測原理

1978年，Henderson和Webster[8]提出EIT可以在臨床上應用于從胸腔表面監測通氣情況，闡釋了EIT技術在醫學成像方面的應用潛力。EIT的基本原理是通過給人體施加微弱的電流激勵，在體外測量響應電信號來重構人體內部電阻抗分布或變化的圖像[9]。人體組織阻抗主要取決于兩種電特性——電阻和電容。組織的電阻特性主要取決于組織中的液體，組織中細胞內外液體含有鈉離子，所以對注入電流的導電性很高；生物組織電容特性主要取決于絕緣體的細胞脂質膜。受到各種生理機制的影響，細胞內外環境發生變化，從而使電阻抗產生相應的變化。因此，電阻抗是一種人體組織的動態特性，在通氣監測過程中，可以通過檢測電阻抗的變化，來反映肺組織的生理變化。

與CT比較，EIT不存在電離輻射，適用于機械通氣的實時監測。EIT通氣監測參數可以分為空間分布參數和時間分布參數兩類，空間分布參數主要包括潮汐阻抗變化，局部呼吸系統順應性，肺過度伸展和肺塌陷，通氣中心和整體不均勻性參數等；時間分布參數主要包括局部通氣延遲和內部氣體分布等。

現有的商用EIT設備主要有：Pulmovista?500 （Dr?ger Medical GmbH,Lündbeck,Germany），GoeMF?Ⅱ（CareFusion-Becton,Dickinson and Company,San Diego,United States），Mark 1?和 Mark 3.5?（Maltron International Ltd,Rayleigh,United Kingdom），BB?（Swisstom AG,Landquart,Switzerland） 以 及Enlight?（Timpel S/A,Sao Paulo,Brazil）[10]。

2 EIT在ARDS患者通氣監測中的臨床應用

2.1 指導機械通氣參數設置

ARDS患者病因復雜，肺部病變在個體間的差異極大，現有的壓力-容量曲線和呼吸系統順應性等整體參數不能反映局部通氣情況，EIT可以輔助進行個體化通氣參數設置，如呼氣末正壓通氣（positive end-expiratory pressure,PEEP）等[11]。既往動物模型研究證實，EIT指導下的機械通氣可以有效改善呼吸力學指標，改善氣體交換并減少肺損傷。Eronia等[12]研究發現，對于大多數患者，在EIT指導下個體化設置PEEP值是可行的。在行體外膜肺氧合治療的重癥ARDS患者中，最優PEEP值因人而異（一般設置為10～15 cmH2O），也需要個體化設置[13]。

2.2 局部通氣監控

Costa等[14]利用遞減PEEP肺復張中的局部信息估計肺塌陷和過度伸展，研究表明，肺復張后立即行CT檢查，EIT估計肺塌陷與CT檢查結果一致。Meier等[15]利用EIT監測PEEP調整時局部通氣狀態的變化情況，研究發現，EIT與CT結果估計呼氣末氣體和潮氣量具有較好的一致性。

2.3 氣胸檢測

氣胸在ARDS患者中的發病率為8%～10%[16]，2006年，Hahn等[17]建立試驗模型，通過與CT圖像比較，發現EIT可以實時檢測氣胸。Costa等[18]的試驗模型證實EIT檢測氣胸的靈敏度為100%。Morais等[19]提供了1例EIT輔助檢測氣胸的患者，說明EIT可以協助管理重癥ARDS患者。

2.4 通氣不同步監測

人機通氣不同步是機械通氣治療中的常見問題，會導致脫機時間延長，病死率增高等不良事件，盡管如此，臨床上仍有大量人機通氣不同步未能得到早期識別[20]。研究發現，EIT可以早期發現呼吸堆積和擺動呼吸[21-22]。

2.5 肺灌注監測

臨床上區分肺通氣和肺灌注的能力十分重要，與評估個體的潛在氣體交換并制定個性化療法相關[23]，EIT可以同時對肺通氣和肺灌注進行監測和評估，這一點傳統成像手段難以做到。目前EIT監測肺灌注主要有首過對比法和基于呼吸門控的信號分離法[24]。

3 討論

雖然EIT有較高的時間分辨力，但是空間分辨力并不高，難以監測到幅度、范圍較小的生理變化，且難以對這些較小的生理變化進行準確定位。除了電極綁帶位置需要仔細擺放外，EIT監測還容易受到患者身體運動的影響，因此身體運動難以控制的患者不適用EIT監測。

EIT適用于ARDS患者機械通氣的床旁連續和實時監測，可以輔助優化通氣參數設置及檢測氣胸等并發癥，而且可以提供肺灌注信息[25]。雖然市面上已經出現了一些商業產品，但是EIT技術在通氣監測方面的臨床應用并未得到大量推廣，要實現大批量的臨床應用，仍需要更大型的臨床試驗支持。

為了得到高分辨力的EIT圖像，圖像重建算法需要舍棄低質量信號和冗余信號，目前Goe-MF Ⅱ和Mark系列設備采用反投影算法，PulmoVista和Enlight采用基于有限元的Newton-Raphson方法，BB采用GREIT算法[26]。國內學者研究證實，稀疏加權算法相對于GREIT算法在圖像噪聲、形變誤差和位置誤差等指標評價上均有改善[27]。壓縮感知技術已成功應用于快速磁共振圖像重建，并實現了臨床應用，其基本原理是，針對稀疏信號或可壓縮信號，可以在采樣數量遠少于傳統采樣方式的情況下精確地恢復原始信號[28]。由于EIT圖像的低分辨力，EIT圖像比磁共振圖像更稀疏，國外已有學者嘗試利用不同的壓縮感知方法重建EIT圖像[29]。此外，近年來出現的人工稀疏磁共振圖像重建算法用于EIT圖像重建也是值得探索的方向[30-32]。