電阻抗斷層成像技術在ARDS患者全流程管理中的應用進展

鄒海達，張春陽，高貴鋒，劉韶華，錢何布，林海，徐創業

1.深圳市安保醫療科技股份有限公司 廣東省急救和生命支持類醫療設備工程技術研究中心，廣東 深圳 518000；2.鄭州大學第一附屬醫院 綜合ICU，河南 鄭州 450052；3.蘇州大學附屬蘇州九院 急救重癥科，江蘇 蘇州 215006；4.馬鞍山市人民醫院 重癥醫學科，安徽 馬鞍山 243009

引言

急性呼吸窘迫綜合征（Acute Respiratory Distress Syndrome，ARDS）是臨床常見危重病癥，患者ICU 入住率高且預后欠佳，其病理表現為肺毛細血管內皮細胞或者肺泡上皮細胞的彌漫性損傷，臨床表現為持續性呼吸窘迫和頑固性低氧血癥[1]。數據顯示，ARDS 患者占ICU 收治人數的比例達到10.4%，占機械通氣患者總數的23.4%，病死率高達40.0%[2]。在全球新冠病毒疫情中，重癥患者占確診總數的5%，其中超50%罹患ARDS[3]。

ARDS 肺損傷的復雜性亟需更準確高效的診療技術與方法，以捕捉從肺尖到肺基底的整體及區域異質性，并表征通氣、通氣/灌注（Ventilation/Perfusion，V/Q）的空間分布。盡管傳統的技術在ARDS 患者診療過程中發揮重要的作用，但是難以平衡無創、實時和可視化的臨床需求。電阻抗斷層成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）技術作為一種無創傷、無輻射的新型成像方法[4]，可實時有效地獲取患者肺通氣和灌注信息，被越來越多地應用于ARDS 患者的治療全流程管理中。本文從EIT 技術原理出發，旨在綜述EIT 技術在ARDS 患者全流程管理中的應用現狀，并對未來的技術發展趨勢和臨床應用方向進行總結，以期為臨床醫護人員和EIT 領域專家提供參考。

1 EIT技術原理

人體不同組織以及同一組織在不同病生理狀態下的電阻抗具有顯著差異，這是EIT 技術的生物學基礎。EIT 能夠對人體內部的電阻率分布及其動態變化進行圖形化表征，具有操作簡便、低成本、無創、無輻射、床旁連續監測等優勢。1978 年Henderson 等[5]最早提出EIT 可以從人體體表胸腔處無創監測通氣情況，揭示其在醫學成像領域的應用潛力。此后，EIT 在醫學上的應用被不斷拓寬，涵蓋胃動力評估、腦功能監測、乳腺癌篩查、血栓檢測和肺功能成像等[6]。目前，肺功能成像是EIT 最主要的應用領域。EIT 通過電極陣列向患者施加安全電流激勵，在體表采集響應電信號，來重構目標區域的電阻抗分布或變化圖像。相較于傳統CT，EIT不存在電離輻射，安全簡便，尤其適用于急危重癥患者機械通氣的床旁實時監測。典型EIT 系統構成框架如圖1 所示，主要包括電極激勵采集、電源供電、微處理器控制、信號處理、人機交互等模塊。

圖1 典型EIT系統構成框架示意圖

肺的區域異質性是ARDS 患者機械通氣中的重要病理生理改變，而傳統方法難以實時監測肺區通氣分布與變化情況。EIT 可檢測區域通氣空間和時間分布狀態。Mauri 等[7]通過EIT 技術測得動態呼氣末肺阻抗（End-Expiratory Lung Impedance，EELI）和呼氣末肺容積（End-Expiratory Lung Volume，EELV），并發現其呈線性正相關。Zhao 等[8-9]通過歸一化EIT 圖像各像素點對應阻抗差異的離散程度，獲得整體不均一指數（Global Inhomogeneity Index，GI），以量化通氣不均一程度。Spadaro 等[10]研究發現，潮氣分布指數[5]可間接評估潮氣通氣均勻性。此外，通氣時間不均勻性可通過計算區域通氣延遲異質性來表征。

2 EIT監測ARDS患者疾病生理變化

2.1 EIT監測ARDS患者麻醉期間通氣狀態

EIT 可動態監測患者麻醉階段通氣變化，并評估不同預氧合策略的效果。局部麻醉劑對減輕ARDS 的炎癥級聯反應有潛在的療效。王迪芬等[11]總結發現，對于重癥肺炎合并ARDS 患者，早期麻醉干預可迅速糾正缺氧，提升危重癥患者的生存率和治愈率。但麻醉誘導期間功能殘氣量（Functional Residual Capacity，FRC）顯著降低，可引起嚴重低氧血癥。為改善FRC，預氧合是麻醉誘導過程中的重要一環，有利于增加肺內氧儲備，延長建立人工氣道的時間。Humphreys 等[12]報道，擇期行心臟手術的患兒中，使用EIT 監測可及時發現在麻醉誘導后FRC 的降低，并通過設置呼氣終末正壓（Positive End-Expiratory Pressure，PEEP）逆轉該趨勢。

2.2 EIT監測ARDS患者氣胸

使用機械通氣治療重癥ARDS 患者時，氣胸并發癥發生率達到13%～18%[13]，嚴重時可危及患者生命安全。Hahn 等[14]于2006 年通過與CT 圖像比對，驗證EIT 可實時監測氣胸。研究發現，通過比對圖像的高亮與死腔，EIT 可在肺復張過程中監測氣胸的存在。另外，EIT 在識別低至20 mL 氣胸區域的靈敏度達到100%[15]。值得注意的是，在臨床實踐中，建議EIT 聯合肺超聲（Lung Ultrasonic，LUS）來最終確認氣胸，予以后續插管治療。

2.3 EIT識別ARDS患者呼吸鐘擺現象

呼吸鐘擺是指因胸膜負壓非均勻傳遞導致肺內氣體從非重力依賴區再分布到依賴區而整體潮氣量保持恒定的現象，常見于ARDS 患者。Yoshida 等[16]通過EIT 動物實驗揭示，吸氣早期階段的自主呼吸會引起呼吸鐘擺，且鐘擺體積與自主呼吸努力的強度呈正相關。肺損傷時，會在依賴肺區造成暫時性過度擴張[17]。作為區域通氣可視化工具，EIT 監測技術可床旁識別鐘擺現象并定量評估鐘擺體積[16,18]。

2.4 EIT檢測ARDS患者胸腔積液

EIT 可以幫助評估胸腔積液（Pleural Effusion，PE）的存在及其清除的有效性。在積液病變區，區域阻抗呈反相變化可以觀察到EELI 的增加[18-19]。Omer 等[20]使用參數EIT 方法對比了PE 模型與正常模型間的阻抗變化，發現隨著PE 體積的增大，二者阻抗變化差異顯著。但需要注意的是，這種變化的誘因可能不僅是肺通氣的改善，需要準確排除是否是因為電極-體表界面導電性下降的原因造成的[21]。LUS 可床旁快速評估ARDS 患者的血流動力學狀態和肺部狀況，EIT 圖像可融合LUS 等診斷工具，豐富對ARDS 病理生理的認識。項龍等[22]采用EIT 聯合LUS 共同指導小兒保護性通氣策略的實施，成功救治了重度ARDS 患兒。

3 EIT指導ARDS患者治療方案

3.1 EIT指導ARDS患者個性化PEEP滴定

PEEP 滴定不僅能減少肺不均勻性，還可能降低區域肺壓，更好地實施肺保護[18]，適宜的PEEP 滴定有助于避免肺損傷[23]和改善患者存活率[24]。Eronia 等[25]研究發現，利用EIT 指導個體化PEEP 滴定是可行的，可用于精確反映區域肺通氣的異質性。既往動物模型研究證實，EIT 監測下GI 指導的最佳PEEP 與動態順應性指導的最佳PEEP 無顯著差異[26]。相較于傳統方法（如壓力/容積曲線），EIT 指導有助于從符合ARDS 病理生理改變的角度優化PEEP 設定[2]，有更高的順應性和氧合指數。目前基于EIT 的PEEP 個性化滴定方法尚無定論，除GI 法外還包括：過度膨脹/塌陷（Over Distension and Collapse，OD/CL）法、EELI 法和區域通氣延遲法，其中根據OD/CL 平衡滴定PEEP 的方法在臨床中最為常用[18]。

3.2 EIT監測ARDS患者肺通氣與灌注

ARDS 氣體交換的紊亂是由肺部通氣和灌注的區域不匹配造成的。臨床上區分肺通氣和肺灌注尤為重要，這有助于個體化評估潛在氣體交換并制定治療方案。使用高滲氯化鈉溶液造影下，EIT 可以同時對肺通氣和肺灌注進行監測和評估[27]，為優化V/Q 匹配提供依據。Frerichs 等[28]使用5.85%氯化鈉溶液作為造影劑，闡述了EIT 和CT 在灌注監測上具有可比性。動物實驗表明，在觀察健康肺和塌陷肺的灌注狀況方面，EIT 可通過區域阻抗-時間變化曲線定量分析區域灌注情況，與單光子發射計算機體層攝影檢測結果高度一致。如Mauri 等[29]應用5%氯化鈉溶液造影，使用EIT 衡量阻抗圖像像素點來監測區域通氣、灌注和V/Q 錯配度。在高滲氯化鈉溶液造影肺灌注術中，EIT 不僅有效，而且高度安全，在國內外臨床使用中未見不良反應報道[30]。

3.3 EIT觀察ARDS患者氧療效果

高流量氧療（High-Flow Nasal Cannula，HFNC）是ICU 呼吸衰竭患者的新型呼吸支持方式，較無創通氣具有更好的舒適性和耐受性[18]。研究表明，HFNC 失敗病例中再插管率或病死率在30%～50%，并且臨床上缺乏標準的參數用于有效評估HFNC 療效[31]。Spadaro 等[10]研究發現，ΔEELI、潮氣阻抗、EELV 與潮氣量具有明確的相關性。在一項健康志愿者研究中，通過EIT 技術發現HFNC 可以增加EELI、FRC 并降低呼吸頻率[32]。Basile 等[33]的研究也佐證了EIT 可實時有效觀察HFNC療效，結果表明，患者經HFNC 治療后，肺通氣異質性降低、EELV 增加、呼吸頻率下降。同時，EIT 可實時有效監測HFNC 應用于ARDS 患者的個性化療效，有效識別HFNC 對重力依賴區通氣改善的潛能，為優化HFNC 治療方案提供新的思路[18]。

3.4 EIT指導ARDS患者俯臥位通氣

俯臥位通氣是ARDS 患者重要且常用的治療手段之一，約占ARDS 有創通氣病例的8%，占重度ARDS 患者的16.3%[3]。俯臥位通氣對肺背側的復張作用顯著超于肺腹側的萎陷影響，有助于V/Q 匹配的改善，進而改善整體氧合水平，提高存活率。EIT 可從不同維度評估俯臥位治療的作用效應[18]。Perier 等[34]使用EIT 比較了新冠病毒相關ARDS 患者與非新冠病毒相關ARDS患者分別在仰臥位和俯臥位下PEEP 滴定，發現俯臥位時的最佳PEEP 與仰臥位無明顯差異，但可顯著提高氧合水平。一項隊列研究表明，俯臥位通氣下EELI 分布均勻，腹側和背側肺區無明顯差異[32]。Bachmann 等[35]用EIT 獲取阻抗比和GI，為個體化俯臥位通氣提供有效信息。EIT 還能確定俯臥位通氣持續時間。Kotani 等[36]成功根據EIT 參數選擇能夠維持背側肺泡肺開放的最小PEEP 以及俯臥位通氣終止時機。

3.5 EIT指導體外膜氧合時肺保護通氣策略

作為危及生命的低氧血癥的補救性療法，靜脈體外膜氧合（Veno-Venous Extracorporeal Membrane Oxygenation，VV-ECMO）可以支持重度ARDS 患者氣體交換，挽救難治性ARDS 患者的生命。Papazian 等[37]強烈建議，當重度ARDS 患者氧合過低（PaO2/FiO2＜80 mmHg）時，應當及時考慮ECMO 治療。兩項回顧性對照研究[38-39]表明，對甲型H1N1 相關ARDS 患者應用VV-ECMO 療法是有益的。Combes 等[40]通過多中心隨機試驗研究發現，ECMO 并發癥發生頻率低，僅觀察到較少卒中病例。Goligher 等[41]進一步探索發現，ECMO 在降低ARDS患者病死率方面具有巨大潛力。由于氣體交換評價指標很難在ECMO 患者上獲得，以往基于氧合的肺可復張性評估和PEEP 滴定難以操作，而EIT 可免受上述限制[2]。一項單中心研究表明，EIT 監測可了解ECMO 聯合俯臥位通氣對局部通氣及最佳PEEP 的影響，有助于指導ECMO 時肺保護同期策略[42]。

4 EIT輔助ARDS患者撤機康復

4.1 EIT指導ARDS患者撤機

自主呼吸試驗用于撤機評估尚存在局限性，而EIT技術可以得到GI、ΔEELI 和吸氣相氣體分布參數，有助于預測撤機結局。早期活動是縮短ARDS 患者通氣時間、改善臨床結局的有效方式。周潤奭等[43]對20 例需進行早期活動的ARDS 脫機困難患者進行分析，發現EIT 表征的感興趣區4 區通氣變化與血氧飽和度SpO2存在關聯性，其結果揭示了EIT 有助于降低護士床旁評估早期活動的難度，進而輔助脫機困難患者撤機。

4.2 EIT改善ARDS患者預后與康復訓練

ARDS 患者的預后由多重因素決定。EIT 監測涵蓋了豐富的肺信息，依據肺的生理特點制定個體化的通氣策略有望改善ARDS 患者的預后[27,44]。肺康復（Pulmonary Rehabilitation，PR）是指全面評估患者病情后制定的患者個性化的綜合干預療法，可貫穿ARDS 患者治療全程[45]。EIT 可就臨床癥狀、病情恢復、身體機能恢復等方面評價ARDS 患者PR 訓練效果，有助于PR 決策。

5 總結與展望

EIT 可以對肺部生理信息進行功能性成像，并具有便攜、無輻射特性，應用于ARDS 患者全流程管理的臨床價值已經得到充分證實。同時，EIT 技術還存在一些局限性：① 受限于電極位點數量，其空間分辨率較低，無法提供精確的區域組織解剖學定位；② 成像效果受電極縛帶、適用人群、體位姿勢等諸多因素制約，且目前大多研究局限在某一斷面的二維成像；③ 需床旁CT、LUS 等其他圖像診斷工具配合以發揮最佳臨床價值。

EIT 技術發展以及指導ARDS 患者治療的研究方向包括以下幾個方面：① 技術上，迭代優化EIT 系統設計，基于人工智能和大數據分析提高成像速度與成像質量，輔助定位病灶；② 算法上，結合新的圖像重建算法，實現胸腔三維可視化，為臨床研究及應用提供更多有效生理信息；③ 產品上，將EIT 核心算法模塊化并與現有呼吸機、麻醉機、監護儀等設備匹配，既擴大EIT 應用時機，又有效節約ICU 有限空間；④ 功能上，建立EIT 與呼吸機等治療設備的聯動，形成機械通氣治療-質量監測-效果反饋-方案調整的個性化方案；⑤ 成本上，開發具有自主知識產權的EIT 系統和核心零部件，突破國外產品和技術壟斷，降低醫療成本的同時，實現國產高端醫療設備自主可控；⑥ 應用上，依據現有應用案例和經驗，擴展EIT 在ARDS 患者診療中的應用，以及其他需要機械通氣支持的疾病中。

綜上所述，隨著技術和產品的發展，人們對EIT 及其應用將愈發成熟，最終為實現基于EIT 指導的ARDS患者個體化、精細化全流程管理帶來新的契機。