一種塵肺功能無創檢測方法
——生物電阻抗法

王美霞，蘇曉舟，鐘蝶嫻，蘇海志

廣東省職業病防治院 信息裝備科，廣東 廣州 510300

一種塵肺功能無創檢測方法
——生物電阻抗法

王美霞，蘇曉舟，鐘蝶嫻，蘇海志

廣東省職業病防治院 信息裝備科，廣東 廣州 510300

通過介紹常見肺功能檢測方法應用現狀及其特點，結合生物電阻抗技術最新研究進展，提出一種簡便、安全、無創并可連續檢測肺功能的方法。與現有的肺功能檢測方法緊密結合，互為補充，有利于促進塵肺病的研究與臨床向功能性檢查和早期診斷發展，向康復和預后評價延伸。

塵肺病；肺功能檢測；生物電阻抗

塵肺病是由于在職業活動中長期吸入生產性粉塵并在肺內潴留而引起的以肺組織彌漫性纖維化為主的全身性疾病。按其病因可分為矽肺病、硅酸鹽塵肺病、炭塵肺病、混合性塵肺病和金屬塵肺病。據2009年5月22日衛生部辦公廳關于2008年全國職業衛生監督管理工作情況的通報，2008年共報告塵肺病新病例10829例，死亡病例613例。新中國成立至2008年底，累計報告的塵肺病病例達638234例[1]。塵肺病不但威脅患者的生命和健康，還給國民經濟造成巨大損失，據不完全統計，塵肺病每年造成的直接經濟損失可達80億元之巨，而且造成十分不良的政治影響。塵肺病的檢出率目前還不到實際人數的30%，因此報告病例數低于實際發病情況。專家預測，即使從現在起采取有效的控制措施，由于塵肺病的遲發性特點，今后若干年我國仍面臨更加嚴峻的塵肺病形勢。根據塵肺病人發病的特點，對其肺功能評價和“早預防、早診斷、早治療”具有重大意義。

1 現有影像學檢測手段不具備功能評價能力

隨著科學技術的發展，檢查塵肺的影像學技術越來越多，主要包括：模擬X線攝影——高千伏胸片、數字X線攝影CR(Computed Radiography)與DR(Digital Radiography)、CT (Computed Tomography)、核素掃描(Radio Nuclide Imaging, RNI)、核磁共振(Magnetic Resonance Imaging,MRI)等。

模擬X線攝影——高千伏胸片是我國現行塵肺診斷標準(GBZT0-2002)塵肺病診斷和分期的主要依據和粉塵作業工人健康監護檢查的常規方法[2]。高千伏胸片一般使用120～140kV，100mA，用小焦點(一般1.0mm 以下)，曝光時間短，后前位胸片不超過0.1s，曝光量一般在2～8mAs。由于高千伏攝影提高了千伏值，相應地減少毫安秒，與低千伏比較，顯著縮短了曝光時間，提高了照片清晰度，X射線管產生熱量也隨之減少，降低了X射線管負荷，減少了被檢者的照射量。

數字X線攝影技術是利用數字X射線設備把X射線投射圖像數字化并進行圖像處理，再變換成模擬圖像顯示。可應用在圖像存儲和傳輸系統上。CR仍要使用原來的高千伏X射線攝影裝置，只是將膠片換成IP；DR的X射線裝置一般配置都較高，都有高千伏X射線攝影，基本達到塵肺診斷標準(GBZT0-2002)的技術要求。目前國內有多人進行了數字化X射線成像技術在塵肺檢查中的探索性工作[3]。

近年來，CT在胸部疾病的診斷中已發揮著越來越大的作用，相對于X線胸片來說，CT不受肺組織重疊的影響，有良好的分辨率，一些胸部X線片上較難發現或確認的胸骨后、縱隔部位或胸膜下的病變能在CT圖像中被明顯地描寫出來[4]。CT技術用于塵肺診斷的優越性是肯定的，但由于目前CT技術費用過高，難以作為塵肺的常規檢查，只能做為鑒別和進一步明確診斷的檢查手段之一。

另外，核素肺通氣顯像法能充分顯示肺內實質性病變及其對氣道通暢性的影響，但在檢查時要吸入核素氣溶液，患者難以接受。核磁共振MRI具有較高的組織對比度和分辨力，無電離輻射，可任意方位、多參數和多系列成像等優點，是目前發展最為迅速最具潛力的醫學成像技術，廣泛應用于神經系統及其他軟組織的檢查。但對肺部檢查而言，因掃描時間長，病人一次屏息不能完成掃描，且空間分辨率低，對纖維化和鈣化成分不敏感等，不適合肺部微小病變的觀察，更不適合塵肺診斷。

綜上所述，目前塵肺肺功能檢測方法仍以模擬X線攝影一高千伏胸片作為主要診斷依據，作為補充手段的某些其他技術，在塵肺診斷中的作用正受到學者專家們的重視[5-9]。這些方法要么具有放射性、有害；要么非常昂貴、條件要求高，不宜長期使用。這些方法屬于結構成像范疇，不具功能評價能力，它們以肺組織已經發生的結構性變化為依據，當患者到醫院檢查，給出診斷時，病變往往已經發展到中、晚期。塵肺發生時，肺組織的功能性變化要先于器質性病變和其它臨床癥狀。塵肺疾病總是從肺功能變化開始，向惡性化方向發展，并一直伴隨肺功能異常。肺功能異常是塵肺的發病起點和源頭，從源頭上檢測、評估塵肺疾病的功能性變化，提示疾病的發生，實現惡性病人的“三早”應對，具有重要意義，因此臨床迫切需要無創、有效、操作簡便、多功能的塵肺功能檢測手段。

2 生物電阻抗方法

肺功能測定包括通氣、肺泡內氣體分布、彌散、血氣分析4大部分，是客觀反映肺臟功能狀態，早期發現塵肺病人呼吸系統損傷程度及進行勞動能力鑒定的一項重要手段。目前，以肺量計測定呼吸氣體為主的各種肺功能儀雖應用廣泛，但已難以滿足肺功能研究與臨床應用發展的要求。肺臟作為血液氣體交換的主要器官，其內部的血氣分布狀態及血液動力學、流變學變化，是最直接地反映肺功能和肺內血液氣體交換的情況。目前臨床上除了肺血管造影、靜脈注射同位素或其它標記物后做肺掃描的方法（有創、使用射線或同位素、昂貴、患者難以接受，也不能作為監護方法使用）可以較好地反映血管與血流狀況外，其他方法均通過測定呼吸氣體，間接推斷全肺功能狀況。這類方法難以區分肺臟不同部位的區域性肺功能狀態，更不能提取直接反映肺內血液氣體交換情況的信息[10]，因而很難有效地評價肺臟功能狀態，更無法探查呼吸、循環系統疾病的早期功能變化。

在塵肺疾病的潛伏期或功能代償期，即在組織與器官結構性變化出現之前，或在器質性病變的早期，及時檢測和確認與疾病相關的組織、器官的功能性變化，提示疾病的發生，跟蹤其變化、發展過程，對于相關疾病的普查，預防和早期診斷與治療將是非常有利的。因此塵肺疾病的檢測研究發展不僅要求簡便、安全、經濟并可連續檢測而且還需要提供能全面、準確了解塵肺疾病發展變化過程，以達到提早發現、預防和診斷治療的目的。

電阻抗斷層成像技術（Electrical Impedance Tomography, EIT）是繼形態、結構成像之后，于近二十余年才出現、發展起來的新一代醫學成像技術，具有功能成像、無損傷和醫學圖像監護三大突出優勢，是一種理想的、具有誘人應用前景的生物信息檢測手段，代表了新一代生物阻抗技術的發展方向。EIT采用生物阻抗檢測技術給出人體組織與器官阻抗的斷層圖像，所以也叫阻抗CT。EIT不使用射線，對人體無害，可重復使用且價格低廉，成為對病人長期、連續監護的最佳選擇[11]。

其測量原理圖如圖1，EIT系統通過人體表面施加安全的交流激勵電流或電壓信號，同時測量人體表面的電壓或電流信號，由所采集并處理的信號經圖像重建得到體內阻抗（變化）的二維或三維分布。

圖 1 EIT測量原理圖

EIT提取與組織和器官的功能變化相聯系的電特性信息，對血液、氣體、體液和不同組織成份及其變化等具有獨特的鑒別力，對那些影響組織與器官電特性的因素，如組織成分及變異，血液的流動與分布，肺內的血氣交換，胃內的食物消化，體內體液變化與遷移等非常敏感。以此為基礎，進行心、腦、肺循環系統的功能評價，血液動力學與流變學在體動態研究、人體組成成份分析、人工透析評價、胃動力學檢查、器官滲血檢測與監護等方面有著明顯的優越性，應用前景十分廣闊。

因肺組織膨脹和收縮時阻抗變化大，肺呼吸氣流的改變會導致電阻抗的改變，一些研究團隊已成功地提取到肺部電阻抗圖像，這些代表肺部電阻率變化的圖像和肺部通氣功能具有極好的相關性[12,13]。目前，越來越多國內外學者加入到電阻抗測量技術在肺功能檢測的應用研究領域中。

早在1984年，國外B.H.Brown.A.D.Seaga就對EIT臨床應用可能性進行了論證總結，并于1987年創建了一套EIT數據采集系統，并在此基礎上對肺部灌注動態成像進行評估。B.H. Brown．Harris等人對肺部阻抗變化和肺容量變化之間的關系進行了探討， 比較支氣管、胸膜炎患者與正常人的差別。Alder等人利用Montreal EIT system (Guardo，1991)對機械呼吸的動物在被動呼吸以及向肺葉灌注液體等狀況下的肺部成像進行了研究。Kunst等人對正常人、肺氣腫患者、血液透析患者的潮氣量的電阻抗變化進行了比較，應用EIT和閃爍掃描法對左右肺通氣之間的關系做了定性研究[14]。

國內第四軍醫大學的秦明新、董秀珍等[13]于2000年介紹了一種用于肺功能檢測的生物電阻抗斷層成像系統，該系統采用32體表電極進行阻抗測量，并將其應用于肺通氣的觀察，得到了一些初步的在體實驗結果，結果表明EIT系統獲取肺部電阻抗圖像是可行的。上海市肺科醫院的陳小維、賈海泉等[10]于2002年采用肺區域性阻抗圖對132例不同類型塵肺患者進行了肺區域性阻抗通氣圖檢測和常規肺功能試驗，結果表明肺區域性阻抗通氣圖是非常規肺功能所能檢測到的，可作為常規肺功能補充參數，并提出對塵肺并發其他肺部區域性病變，臨床似有可能用肺阻抗通氣圖替代核素顯像通氣法。天津大學的王化祥、王春艷等[12]于2007年針對人體胸部特征構建一套肺部在體測量的電阻抗成像系統，并對健康人進行了初步的實驗，其結果反映了測量體位發生變化時，重力作用對肺部氣體分布的影響，證明了電阻抗成像系統監測肺部呼吸過程、檢查肺部組織病變的可行性。

3 展望

EIT依據人體組織的電特性及其變化，提取反應組織功能及其變化的生理與病理信息。采用EIT方法，依據肺內血液、氣體、體液和肺臟組織成份及其變化等具有獨特鑒別力的電特性信息，實現肺臟區域性肺功能狀態檢測與連續監護，將為塵肺病人的臨床診斷及呼吸、循環系統疾病研究提供一種全新的、無創肺功能評價方法。

塵肺疾病發生時，相關組織與器官的功能性變化往往要先于器質性病變和其它臨床癥狀。常見的肺部疾病初期會引發細胞或組織電導率發生比較明顯的變化，正常個體和肺部疾病患者的阻抗圖有顯著差異，用EIT可以檢測出肺部組織液體異常變化的肺部病變[15,16]，可提取細胞生物學變化層次的預報性或前瞻性信息。所以EIT作為一種廉價的檢測技術，無毒無害、可以多次測量、重復使用，具有功能成像、無損傷和醫學圖像監護三大突出優勢，與現有的肺功能檢測方法緊密結合，互為補充，有利于促進塵肺病的研究與臨床向功能性檢查和早期診斷發展，向康復和預后評價延伸，建立一種全新的對塵肺職業病人進行長期、連續監護而不會給病人造成損傷或帶來不適的檢測和臨床監護方法。

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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

作者郵箱：wmxqd2001@sina．com