电阻抗断层成像技术在急性呼吸窘迫综合征患者机械通气监测中的应用研究进展

陈亮，陈翀，张鞠成（通信作者）

1 宁波大学医学院附属医院设备科 （浙江宁波 315020）；2 浙江大学医学院附属第二医院临床医学工程部 （浙江杭州 310009）

急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome,ARDS）是一种急性、弥漫性的炎症性肺损伤，为常见的危及人类健康的呼吸危重症之一[1]。在近期一项涉及29 144例患者的国际性研究中，10%的ICU患者以及23%的行机械通气患者存在ARDS。患重度ARDS的患者病死率为46%[2]。ARDS幸存患者出现认知减退、抑郁、创伤后应激障碍和持续性骨骼肌无力的风险较高[3]。

机械通气是救治ARDS患者的关键医疗措施，合理的机械通气治疗策略可以显著降低病死率，反之则会进一步加剧病情的恶化。呼吸机的机械通气方式会对肺泡产生损伤，从而造成肺炎、肺水肿、肺栓塞等呼吸系统并发症；若发生严重的炎症应答，甚至还会造成多器官衰竭，危及患者生命[4]。因此，近年来，旨在保证足够气体交换的同时避免肺组织产生机械性损伤的肺保护通气策略，得到了广泛的关注和快速的发展[5]。

为了正确引导肺保护通气，需要实时监测患者肺部通气情况。高分辨力肺部CT成像是目前主要的监测方法，可以展现局部肺通气情况。但是，CT成像检查会让患者暴露在电离辐射下，并不适合重复性及连续性监测；此外，由于CT需要转运患者，并不适用于床边监测[6]。电阻抗断层成像（electrical impedance tomography,EIT）技术作为一种无创监测方法，非常适合于床边实时通气监测[7]。

1 EIT通气监测原理

1978年，Henderson和Webster[8]提出EIT可以在临床上应用于从胸腔表面监测通气情况，阐释了EIT技术在医学成像方面的应用潜力。EIT的基本原理是通过给人体施加微弱的电流激励，在体外测量响应电信号来重构人体内部电阻抗分布或变化的图像[9]。人体组织阻抗主要取决于两种电特性——电阻和电容。组织的电阻特性主要取决于组织中的液体，组织中细胞内外液体含有钠离子，所以对注入电流的导电性很高；生物组织电容特性主要取决于绝缘体的细胞脂质膜。受到各种生理机制的影响，细胞内外环境发生变化，从而使电阻抗产生相应的变化。因此，电阻抗是一种人体组织的动态特性，在通气监测过程中，可以通过检测电阻抗的变化，来反映肺组织的生理变化。

与CT比较，EIT不存在电离辐射，适用于机械通气的实时监测。EIT通气监测参数可以分为空间分布参数和时间分布参数两类，空间分布参数主要包括潮汐阻抗变化，局部呼吸系统顺应性，肺过度伸展和肺塌陷，通气中心和整体不均匀性参数等；时间分布参数主要包括局部通气延迟和内部气体分布等。

现有的商用EIT设备主要有：Pulmovista®500 （Dräger 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患者通气监测中的临床应用

2.1 指导机械通气参数设置

ARDS患者病因复杂，肺部病变在个体间的差异极大，现有的压力-容量曲线和呼吸系统顺应性等整体参数不能反映局部通气情况，EIT可以辅助进行个体化通气参数设置，如呼气末正压通气（positive end-expiratory pressure,PEEP）等[11]。既往动物模型研究证实，EIT指导下的机械通气可以有效改善呼吸力学指标，改善气体交换并减少肺损伤。Eronia等[12]研究发现，对于大多数患者，在EIT指导下个体化设置PEEP值是可行的。在行体外膜肺氧合治疗的重症ARDS患者中，最优PEEP值因人而异（一般设置为10～15 cmH2O），也需要个体化设置[13]。

2.2 局部通气监控

Costa等[14]利用递减PEEP肺复张中的局部信息估计肺塌陷和过度伸展，研究表明，肺复张后立即行CT检查，EIT估计肺塌陷与CT检查结果一致。Meier等[15]利用EIT监测PEEP调整时局部通气状态的变化情况，研究发现，EIT与CT结果估计呼气末气体和潮气量具有较好的一致性。

2.3 气胸检测

气胸在ARDS患者中的发病率为8%～10%[16]，2006年，Hahn等[17]建立试验模型，通过与CT图像比较，发现EIT可以实时检测气胸。Costa等[18]的试验模型证实EIT检测气胸的灵敏度为100%。Morais等[19]提供了1例EIT辅助检测气胸的患者，说明EIT可以协助管理重症ARDS患者。

2.4 通气不同步监测

人机通气不同步是机械通气治疗中的常见问题，会导致脱机时间延长，病死率增高等不良事件，尽管如此，临床上仍有大量人机通气不同步未能得到早期识别[20]。研究发现，EIT可以早期发现呼吸堆积和摆动呼吸[21-22]。

2.5 肺灌注监测

临床上区分肺通气和肺灌注的能力十分重要，与评估个体的潜在气体交换并制定个性化疗法相关[23]，EIT可以同时对肺通气和肺灌注进行监测和评估，这一点传统成像手段难以做到。目前EIT监测肺灌注主要有首过对比法和基于呼吸门控的信号分离法[24]。

3 讨论

虽然EIT有较高的时间分辨力，但是空间分辨力并不高，难以监测到幅度、范围较小的生理变化，且难以对这些较小的生理变化进行准确定位。除了电极绑带位置需要仔细摆放外，EIT监测还容易受到患者身体运动的影响，因此身体运动难以控制的患者不适用EIT监测。

EIT适用于ARDS患者机械通气的床旁连续和实时监测，可以辅助优化通气参数设置及检测气胸等并发症，而且可以提供肺灌注信息[25]。虽然市面上已经出现了一些商业产品，但是EIT技术在通气监测方面的临床应用并未得到大量推广，要实现大批量的临床应用，仍需要更大型的临床试验支持。

为了得到高分辨力的EIT图像，图像重建算法需要舍弃低质量信号和冗余信号，目前Goe-MF Ⅱ和Mark系列设备采用反投影算法，PulmoVista和Enlight采用基于有限元的Newton-Raphson方法，BB采用GREIT算法[26]。国内学者研究证实，稀疏加权算法相对于GREIT算法在图像噪声、形变误差和位置误差等指标评价上均有改善[27]。压缩感知技术已成功应用于快速磁共振图像重建，并实现了临床应用，其基本原理是，针对稀疏信号或可压缩信号，可以在采样数量远少于传统采样方式的情况下精确地恢复原始信号[28]。由于EIT图像的低分辨力，EIT图像比磁共振图像更稀疏，国外已有学者尝试利用不同的压缩感知方法重建EIT图像[29]。此外，近年来出现的人工稀疏磁共振图像重建算法用于EIT图像重建也是值得探索的方向[30-32]。