基于EIT技术监测ARDS小猪模型PEEP滴定的实验研究

吴佳铭，曲志华，刘文博，代萌，张超，付峰，尤富生

1. 空军军医大学 生物医学工程系，陕西 西安 710032；2. 陆军军医大学 士官学校，河北 石家庄 050081；3. 西安电子科技大学 生命科学技术学院，陕西 西安 710126；4. 空军军医大学西京医院 神经外科，陕西 西安 710032

引言

急性呼吸窘迫综合征（Acute Respiratory Distress Syndrome，ARDS）是指心源性以外的各种肺内外致病因素导致的急性、进行性低氧性呼吸衰竭[1]。作为ARDS的辅助治疗手段，机械通气的主要目的是改善患者的通气情况与氧合，通过外部手段维持组织供氧，进而维持患者机体的基本生理功能。呼吸机通气中设置呼气末正压（Positive End-Expiratory Pressure，PEEP）的主要作用包括：扩张陷闭肺泡，减轻肺水肿，扩张气道以及预防肺泡陷闭等[2]。然而与此同时，由于PEEP值设置不当所导致的机械通气相关性肺损伤（Ventilation-Associated Lung Injury，VALI）的报道逐年增多[3]，这是因为ARDS患者的肺多表现为不均匀性[4]，PEEP设定数值小，肺泡不能完全张开，缺氧得不到改善，PEEP设定数值大，肺泡易产生过度膨胀加剧低氧血症。因此，根据机械通气时肺局部通气情况确定最佳PEEP值以减小病人VALI的发生率显得尤为重要。

近几年，学者们通过血气和机械力学等参数获取肺整体信息，提出了多种最佳PEEP值的设定方法[5-6]，目前临床上常利用肺动态顺应性（Global Dynamic Compliance，Cdyn）指导最佳PEEP值的设定。肺顺应性是指单位压力改变时引起的肺容积改变，它代表了胸腔压力改变对肺容积的影响，肺动态顺应性反映了肺组织弹性和气道阻力的大小，其值最大时所对应的PEEP值即为最佳PEEP值。但此方法是基于肺整体机械力学信息指导最佳PEEP值的设定，无法对肺区域信息进行监测。电阻抗断层成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）技术作为一种动态、快速、无辐射、成本低、操作简单的功能成像技术[7]，在肺部应用方面具有其独特优势。EIT可通过连续实时的床旁监护对肺通气局部区域提供充分信息，在指导机械通气时PEEP值设定等方面具有广泛的应用前景[8]。

因此本文的研究目的是，通过开展动物实验，验证比较在ARDS小猪模型PEEP滴定过程中肺动态顺应性和EIT指标分别指导的最佳PEEP值是否存在差异，为后期开展相对应的临床试验研究奠定良好的基础，以指导临床更好地选择呼吸机参数和治疗ARDS。

1 材料与方法

1.1 动物模型的建立

12只健康小猪由空军军医大学动物实验中心提供，造模成功9只，雄性，体重（14.6±1.3）kg（均值±标准差）。1%戊巴比妥纳以30 mg/kg腹腔注射诱导麻醉，胸腔一周备皮，仰卧位固定，经口置入气管插管，接谊安VG70型呼吸机，CARDELL-9500型动物监护仪监测血氧饱和度等指标，盐酸赛拉嗪注射液0.05 mL/kg肌肉注射维持麻醉。以0.2 mL/kg油酸，用0.9%生理盐水稀释10倍，30 min持续缓慢注入中心静脉。造模前、造模后以及肺复张后取股动脉血行血气分析，造模后氧合指数（OI）≤200 mmHg为制模成功[9]。

1.2 肺复张及PEEP滴定方法

基础通气条件：容量控制模式，潮气量6 mL/kg，吸入氧浓度21%，PEEP 2 cmH2O，通气频率15次/min，吸呼比1:1。应用压力控制模式（PCV）行肺复张术，驱动压（ΔPdrive）恒定10 cmH2O，PEEP值由0 cmH2O每隔60 s增加5 cmH2O直至平台压达到35 cmH2O。PEEP滴定过程采用PCV模式，PEEP自20 cmH2O每隔60 s减小2 cmH2O直至0 cmH2O。同步进行EIT监测并记录以上每一步骤起始EIT帧号、血氧饱和度SpO2、潮气量Vt以及动态顺应性Cdyn。动态顺应性最大时所对应的PEEP值为最佳PEEP值[10]。

1.3 EIT原理及监测

在一次EIT的激励过程中，系统通过对向电极注入激励电流，引起体表电压变化，电压测量模块依次测量相邻两个体表电极之间共计12个电压差（激励电极不参与电压测量），即为本次激励的电压测量结果；依次循环激励电极共得到16×12共计192个测量电压数据，形成一帧数据。根据电流和电压之间的关系，通过一定的重构算法即可重构出内部的电导率变化分布。

本实验采用空军军医大学肺部EIT研究小组研发的16电极PEIT4系统，成像速率12帧/秒，激励电流1 mA，100 kHz，测量精度优于1‰，EIT数据通过无线传输至上位机实时成像。小猪麻醉、备皮后，将电极均匀置于胸腔一周开始测量。EIT监测ARDS小猪模型PEEP滴定实验如图1所示，其中，（A）为实验小猪，（B）为呼吸机机械通气，（C）为EIT监测，（D）为EIT16电极，（E）为动物监护仪。

图1 EIT监测ARDS小猪模型PEEP滴定实验

1.4 EIT数据分析

（1）肺感兴趣区域（Regions of Interest，ROI）和潮气阻抗变化图像。使用Matlab R2014a，基于EIDORS V3.9[11]使用格拉茨共识EIT重建算法[12]（Graze Consensus Reconstruction Algorithm for EIT，GREIT）对EIT数据进行重构。以肺复张阶段PEEP为25 cmH2O时边界电压（Total Boundary Voltage，TBV）最大时的吸气末做成像帧，PEEP为0 cmH2O时TBV最小时的呼气末做参考帧，使用function ROI肺边界区域界定方法获得肺ROI[13]。在PEEP滴定阶段，吸气末平均值做成像帧，呼气末平均值做参考帧，获得各阶段的潮气阻抗变化图像。成像帧和参考帧选择示意图，见图2。

图2 成像帧和参考帧选择示意图

（2）EIT全局非均匀性参数（Global Inhomogeneity Index，GI）[14]。该参数为反映肺部全局通气均匀性的一项指标，计算公式如下：

其中，ΔZ代表潮气图像中的阻抗变化值，ΔZxy为已确定的肺ROI区域内各像素点，ΔZlung为全肺区域，Median即计算中位数。GI值最小时的PEEP值为该方法指导的最佳PEEP值。

（3） EIT顺应性图像[15]。在EIT潮气图像中，依据公式(2)可计算每个像素点的顺应性变化。

我们使用Cpixel来反映各像素点在不同PEEP值下的过度膨胀和塌陷状态。在PEEP滴定的每一阶段，都可计算像素点的顺应性，该像素点顺应性最大时的PEEP值为最佳PEEP值。公式表示如下：

其中，PPEEP为滴定过程中的PEEP设定值，arg max返回肺ROI内每个像素点最大顺应性所对应的PEEP值。对每个像素点的成像即可得到EIT顺应性图像。

（4）肺局部过度膨胀和塌陷[15]。确定每个像素点后，PEEP值大于判定为过度膨胀，PEEP值小于判定为产生塌陷，依照公式(5)可计算每一像素点过度膨胀比率和塌陷比率。

F 范围为[-1,1]，各PEEP值下肺过度膨胀率和肺塌陷率计算方法如下：

OD曲线和CL 曲线的交点为该指标指导的最佳PEEP值。

1.5 统计学分析

采用SPSS 20.0进行数据统计分析，所有统计数据均以平均值±标准差（±s）表示，多个样本均数之间比较采用方差分析，不同方法确定的最佳PEEP值之间的差异比较采用Bonferroni t检验，P＜0.05。

2 结果

2.1 监护结果

在PEEP由20 cmH2O滴定至0 cmH2O过程中，动态顺应性、潮气量、血氧饱和度的变化曲线，见图3。

图3 PEEP滴定阶段各参数曲线图

2.2 EIT结果

肺ROI如图4左上角所示，蓝色区域为肺ROI区域，灰色区域为非肺部区域。图4中其他图像为PEEP滴定过程中EIT潮气图像结果及GI值，colorbar如图最右所示。PEEP滴定过程中GI参数变化曲线，见图5。

图4 ROI和PEEP滴定潮气分布图

图5 PEEP滴定GI曲线

EIT顺应性图像，见图6左上角，colorbar由绿色（=0）向红色（=20）过渡。图6中其它图像是PEEP滴定过程中过度膨胀和塌陷程度示意图，上方数字为过度膨胀和塌陷比率，colorbar由黑色（塌陷100%）向红色（过度膨胀100%）过渡。过度膨胀比率曲线和塌陷比率曲线，见图7。

图6 EIT顺应性图像、过度膨胀和塌陷分布图

图7 过度膨胀和塌陷比率曲线

2.3 统计学结果

由动态顺应性指导的9只小猪最佳PEEP值为（9.00±0.71）cmH2O， 由 GI指 导 的 最 佳 PEEP值为（7.78±1.20）cmH2O，由F指导的最佳PEEP值为（3.33±1.41）cmH2O。图8为三种方法指导最佳PEEP设定的统计学分析结果，动态顺应性指导的最佳PEEP和F指导的最佳PEEP有显著统计学差异；GI指导的最佳PEEP和F指导的最佳PEEP有显著统计学差异；动态顺应性指导的最佳PEEP和GI指导的最佳PEEP无显著统计学差异。

3 讨论

本文得到的主要研究结果包括：① 血氧饱和度、潮气量和动态顺应性三者之间呈正相关；② 在PEEP滴定过程中，EIT可以有效地监测ARDS小猪模型的肺局部通气情况，获得肺过度膨胀和塌陷程度数据；③ 两项EIT指标指导的最佳PEEP值都要低于由动态顺应性指导的最佳PEEP值，并且两项EIT指标指导的最佳PEEP值具有显著统计学差异。

图8 不同方法指导最佳PEEP统计结果

在PEEP滴定过程设定的呼吸机模式为压力控制模式且驱动压恒定为10 cmH2O，因此血氧饱和度、潮气量和动态顺应性三者之间呈正相关。图3表明，9只小猪在PEEP滴定各阶段的三项监护指标峰值均出现在PEEP滴定至8～12 cmH2O之间，即我们认为的最佳PEEP设置区间。通过动态顺应性指导最佳PEEP值设定的传统方法反映了肺组织弹性和气道阻力的全局信息，最佳PEEP在8～10 cmH2O。

EIT技术通过监测潮气量改变引起的阻抗变化重建图像，可以实时监测肺全局通气改变情况，获得PEEP滴定各阶段的潮气图像，通过提取GI、F等反应肺特性的指标来寻找最佳PEEP值。从图4、图5实验小猪的潮气图像和GI曲线中可以看出，GI参数并不与图像中的潮气变化水平直接相关，实验小猪GI参数的最小值集中出现在PEEP 等于6～8 cmH2O时。通过图6、图7中的顺应性图像、过度膨胀和塌陷图以及比率曲线可直观地反映PEEP滴定过程肺局部区域的膨胀和塌陷程度，实验小猪的OD、CL曲线交点集中在PEEP等于2～4 cmH2O处。

综上所述，全局非均匀性指标GI、肺动态顺应性两项肺全局参数指导最佳PEEP值设定的结果基本一致，GI参数可以从肺均匀性方面实时的为临床医生判断肺状态提供帮助。F得到的最佳PEEP值低于两项全局参数的指导结果，OD、CL指标为临床医生提供了肺局部过度膨胀和塌陷信息，医护人员可以在EIT的帮助下结合病症情况、血氧及顺应性参数等及时调整呼吸机参数设置。

目前，也有一些研究小组针对动态顺应性和EIT指标指导最佳PEEP值的比较问题开展了实验研究，Blankman等[16]和Bikker等[17]的结果表明，动态顺应性高于EIT指标指导的最佳PEEP值；Karsten等[10]的研究结果中，GI和F指导的最佳PEEP值高于由动态顺应性指导的最佳PEEP值。PEEP滴定过程中动态顺应性这一指标本身具有一定的争议，尚无法作为个体PEEP值设定的金标准。本文比较了ARDS小猪模型PEEP滴定过程中全局参数和局部参数指导的最佳PEEP值的差异性，为后续开展临床试验打下基础。

4 结论

本文开展了相关动物实验，研究结果表明，EIT技术具有无创、可视化、可连续监测的优势，GI和F等EIT指标可反映肺全局和局部信息，对于指导床旁最佳PEEP设定具有应用潜力。在后期可继续开展临床实验，对需实施肺复张的患者进行EIT床旁连续监测，为临床医生设定机械通气参数提供帮助。