一种尘肺功能无创检测方法——生物电阻抗法

王美霞，苏晓舟，钟蝶娴，苏海志

广东省职业病防治院 信息装备科，广东 广州 510300

一种尘肺功能无创检测方法
——生物电阻抗法

王美霞，苏晓舟，钟蝶娴，苏海志

广东省职业病防治院 信息装备科，广东 广州 510300

通过介绍常见肺功能检测方法应用现状及其特点，结合生物电阻抗技术最新研究进展，提出一种简便、安全、无创并可连续检测肺功能的方法。与现有的肺功能检测方法紧密结合，互为补充，有利于促进尘肺病的研究与临床向功能性检查和早期诊断发展，向康复和预后评价延伸。

尘肺病；肺功能检测；生物电阻抗

尘肺病是由于在职业活动中长期吸入生产性粉尘并在肺内潴留而引起的以肺组织弥漫性纤维化为主的全身性疾病。按其病因可分为矽肺病、硅酸盐尘肺病、炭尘肺病、混合性尘肺病和金属尘肺病。据2009年5月22日卫生部办公厅关于2008年全国职业卫生监督管理工作情况的通报，2008年共报告尘肺病新病例10829例，死亡病例613例。新中国成立至2008年底，累计报告的尘肺病病例达638234例[1]。尘肺病不但威胁患者的生命和健康，还给国民经济造成巨大损失，据不完全统计，尘肺病每年造成的直接经济损失可达80亿元之巨，而且造成十分不良的政治影响。尘肺病的检出率目前还不到实际人数的30%，因此报告病例数低于实际发病情况。专家预测，即使从现在起采取有效的控制措施，由于尘肺病的迟发性特点，今后若干年我国仍面临更加严峻的尘肺病形势。根据尘肺病人发病的特点，对其肺功能评价和“早预防、早诊断、早治疗”具有重大意义。

1 现有影像学检测手段不具备功能评价能力

随着科学技术的发展，检查尘肺的影像学技术越来越多，主要包括：模拟X线摄影——高千伏胸片、数字X线摄影CR(Computed Radiography)与DR(Digital Radiography)、CT (Computed Tomography)、核素扫描(Radio Nuclide Imaging, RNI)、核磁共振(Magnetic Resonance Imaging,MRI)等。

模拟X线摄影——高千伏胸片是我国现行尘肺诊断标准(GBZT0-2002)尘肺病诊断和分期的主要依据和粉尘作业工人健康监护检查的常规方法[2]。高千伏胸片一般使用120～140kV，100mA，用小焦点(一般1.0mm 以下)，曝光时间短，后前位胸片不超过0.1s，曝光量一般在2～8mAs。由于高千伏摄影提高了千伏值，相应地减少毫安秒，与低千伏比较，显著缩短了曝光时间，提高了照片清晰度，X射线管产生热量也随之减少，降低了X射线管负荷，减少了被检者的照射量。

数字X线摄影技术是利用数字X射线设备把X射线投射图像数字化并进行图像处理，再变换成模拟图像显示。可应用在图像存储和传输系统上。CR仍要使用原来的高千伏X射线摄影装置，只是将胶片换成IP；DR的X射线装置一般配置都较高，都有高千伏X射线摄影，基本达到尘肺诊断标准(GBZT0-2002)的技术要求。目前国内有多人进行了数字化X射线成像技术在尘肺检查中的探索性工作[3]。

近年来，CT在胸部疾病的诊断中已发挥着越来越大的作用，相对于X线胸片来说，CT不受肺组织重叠的影响，有良好的分辨率，一些胸部X线片上较难发现或确认的胸骨后、纵隔部位或胸膜下的病变能在CT图像中被明显地描写出来[4]。CT技术用于尘肺诊断的优越性是肯定的，但由于目前CT技术费用过高，难以作为尘肺的常规检查，只能做为鉴别和进一步明确诊断的检查手段之一。

另外，核素肺通气显像法能充分显示肺内实质性病变及其对气道通畅性的影响，但在检查时要吸入核素气溶液，患者难以接受。核磁共振MRI具有较高的组织对比度和分辨力，无电离辐射，可任意方位、多参数和多系列成像等优点，是目前发展最为迅速最具潜力的医学成像技术，广泛应用于神经系统及其他软组织的检查。但对肺部检查而言，因扫描时间长，病人一次屏息不能完成扫描，且空间分辨率低，对纤维化和钙化成分不敏感等，不适合肺部微小病变的观察，更不适合尘肺诊断。

综上所述，目前尘肺肺功能检测方法仍以模拟X线摄影一高千伏胸片作为主要诊断依据，作为补充手段的某些其他技术，在尘肺诊断中的作用正受到学者专家们的重视[5-9]。这些方法要么具有放射性、有害；要么非常昂贵、条件要求高，不宜长期使用。这些方法属于结构成像范畴，不具功能评价能力，它们以肺组织已经发生的结构性变化为依据，当患者到医院检查，给出诊断时，病变往往已经发展到中、晚期。尘肺发生时，肺组织的功能性变化要先于器质性病变和其它临床症状。尘肺疾病总是从肺功能变化开始，向恶性化方向发展，并一直伴随肺功能异常。肺功能异常是尘肺的发病起点和源头，从源头上检测、评估尘肺疾病的功能性变化，提示疾病的发生，实现恶性病人的“三早”应对，具有重要意义，因此临床迫切需要无创、有效、操作简便、多功能的尘肺功能检测手段。

2 生物电阻抗方法

肺功能测定包括通气、肺泡内气体分布、弥散、血气分析4大部分，是客观反映肺脏功能状态，早期发现尘肺病人呼吸系统损伤程度及进行劳动能力鉴定的一项重要手段。目前，以肺量计测定呼吸气体为主的各种肺功能仪虽应用广泛，但已难以满足肺功能研究与临床应用发展的要求。肺脏作为血液气体交换的主要器官，其内部的血气分布状态及血液动力学、流变学变化，是最直接地反映肺功能和肺内血液气体交换的情况。目前临床上除了肺血管造影、静脉注射同位素或其它标记物后做肺扫描的方法（有创、使用射线或同位素、昂贵、患者难以接受，也不能作为监护方法使用）可以较好地反映血管与血流状况外，其他方法均通过测定呼吸气体，间接推断全肺功能状况。这类方法难以区分肺脏不同部位的区域性肺功能状态，更不能提取直接反映肺内血液气体交换情况的信息[10]，因而很难有效地评价肺脏功能状态，更无法探查呼吸、循环系统疾病的早期功能变化。

在尘肺疾病的潜伏期或功能代偿期，即在组织与器官结构性变化出现之前，或在器质性病变的早期，及时检测和确认与疾病相关的组织、器官的功能性变化，提示疾病的发生，跟踪其变化、发展过程，对于相关疾病的普查，预防和早期诊断与治疗将是非常有利的。因此尘肺疾病的检测研究发展不仅要求简便、安全、经济并可连续检测而且还需要提供能全面、准确了解尘肺疾病发展变化过程，以达到提早发现、预防和诊断治疗的目的。

电阻抗断层成像技术（Electrical Impedance Tomography, EIT）是继形态、结构成像之后，于近二十余年才出现、发展起来的新一代医学成像技术，具有功能成像、无损伤和医学图像监护三大突出优势，是一种理想的、具有诱人应用前景的生物信息检测手段，代表了新一代生物阻抗技术的发展方向。EIT采用生物阻抗检测技术给出人体组织与器官阻抗的断层图像，所以也叫阻抗CT。EIT不使用射线，对人体无害，可重复使用且价格低廉，成为对病人长期、连续监护的最佳选择[11]。

其测量原理图如图1，EIT系统通过人体表面施加安全的交流激励电流或电压信号，同时测量人体表面的电压或电流信号，由所采集并处理的信号经图像重建得到体内阻抗（变化）的二维或三维分布。

图 1 EIT测量原理图

EIT提取与组织和器官的功能变化相联系的电特性信息，对血液、气体、体液和不同组织成份及其变化等具有独特的鉴别力，对那些影响组织与器官电特性的因素，如组织成分及变异，血液的流动与分布，肺内的血气交换，胃内的食物消化，体内体液变化与迁移等非常敏感。以此为基础，进行心、脑、肺循环系统的功能评价，血液动力学与流变学在体动态研究、人体组成成份分析、人工透析评价、胃动力学检查、器官渗血检测与监护等方面有着明显的优越性，应用前景十分广阔。

因肺组织膨胀和收缩时阻抗变化大，肺呼吸气流的改变会导致电阻抗的改变，一些研究团队已成功地提取到肺部电阻抗图像，这些代表肺部电阻率变化的图像和肺部通气功能具有极好的相关性[12,13]。目前，越来越多国内外学者加入到电阻抗测量技术在肺功能检测的应用研究领域中。

早在1984年，国外B.H.Brown.A.D.Seaga就对EIT临床应用可能性进行了论证总结，并于1987年创建了一套EIT数据采集系统，并在此基础上对肺部灌注动态成像进行评估。B.H. Brown．Harris等人对肺部阻抗变化和肺容量变化之间的关系进行了探讨， 比较支气管、胸膜炎患者与正常人的差别。Alder等人利用Montreal EIT system (Guardo，1991)对机械呼吸的动物在被动呼吸以及向肺叶灌注液体等状况下的肺部成像进行了研究。Kunst等人对正常人、肺气肿患者、血液透析患者的潮气量的电阻抗变化进行了比较，应用EIT和闪烁扫描法对左右肺通气之间的关系做了定性研究[14]。

国内第四军医大学的秦明新、董秀珍等[13]于2000年介绍了一种用于肺功能检测的生物电阻抗断层成像系统，该系统采用32体表电极进行阻抗测量，并将其应用于肺通气的观察，得到了一些初步的在体实验结果，结果表明EIT系统获取肺部电阻抗图像是可行的。上海市肺科医院的陈小维、贾海泉等[10]于2002年采用肺区域性阻抗图对132例不同类型尘肺患者进行了肺区域性阻抗通气图检测和常规肺功能试验，结果表明肺区域性阻抗通气图是非常规肺功能所能检测到的，可作为常规肺功能补充参数，并提出对尘肺并发其他肺部区域性病变，临床似有可能用肺阻抗通气图替代核素显像通气法。天津大学的王化祥、王春艳等[12]于2007年针对人体胸部特征构建一套肺部在体测量的电阻抗成像系统，并对健康人进行了初步的实验，其结果反映了测量体位发生变化时，重力作用对肺部气体分布的影响，证明了电阻抗成像系统监测肺部呼吸过程、检查肺部组织病变的可行性。

3 展望

EIT依据人体组织的电特性及其变化，提取反应组织功能及其变化的生理与病理信息。采用EIT方法，依据肺内血液、气体、体液和肺脏组织成份及其变化等具有独特鉴别力的电特性信息，实现肺脏区域性肺功能状态检测与连续监护，将为尘肺病人的临床诊断及呼吸、循环系统疾病研究提供一种全新的、无创肺功能评价方法。

尘肺疾病发生时，相关组织与器官的功能性变化往往要先于器质性病变和其它临床症状。常见的肺部疾病初期会引发细胞或组织电导率发生比较明显的变化，正常个体和肺部疾病患者的阻抗图有显著差异，用EIT可以检测出肺部组织液体异常变化的肺部病变[15,16]，可提取细胞生物学变化层次的预报性或前瞻性信息。所以EIT作为一种廉价的检测技术，无毒无害、可以多次测量、重复使用，具有功能成像、无损伤和医学图像监护三大突出优势，与现有的肺功能检测方法紧密结合，互为补充，有利于促进尘肺病的研究与临床向功能性检查和早期诊断发展，向康复和预后评价延伸，建立一种全新的对尘肺职业病人进行长期、连续监护而不会给病人造成损伤或带来不适的检测和临床监护方法。

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Bioelectrical Impedance Assessment :A Non-invasive Detection Method of Pneumoconiosis

WANG Mei-xia, SU Xiao-zhou, ZHONG Die-xian, SU Hai-zhi
Department of Information Technology and Equipment,Guangdong Prevention and Treatment Center for Occupational Diseases,Guangzhou Guangdong 510300, China

The application status and characteristics of common lung function detecting methods are introduced in this paper. Combined with latest research of bioelectrical impedance technology, a simple, safe, non-invasive continuous measurement of lung function method is proposed. This method combines with the common detection methods of lung function closely. The method and the common methods are complementary for each other. This complement can promote the development of the functional measurement, early diagnosis, rehabilitation and prognosis of pneumoconiosis study and clinical examination.

pneumoconiosis;lung function detection;bioelectrical impedance

R814.42；R135.2

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.06.023

1674-1633(2010)06-0066-03

2010-03-09

作者邮箱：wmxqd2001@sina．com