EIT在呼吸系統疾病中的應用進展

王曉玉，周伊南，趙婷，李向陽

復旦大學附屬華東醫院 呼吸與危重癥學科，上海 200040

引言

電阻抗斷層成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）是近幾年發展起來的一門新興成像技術，具有無創性、無輻射性、靈活性、低成本、操作簡單等突出優勢。目前EIT的臨床應用研究包括肺功能、胃排空、大腦功能、乳房成像等方面[1-3]，其中肺功能成像為最主要的應用領域，涉及肺通氣成像、肺灌注成像、肺血栓栓塞、人工機械通氣等方面[4-6]。

現階段，臨床醫生在呼吸系統疾病診療的過程中面臨以下主要問題：首先，胸部X線、CT等具有輻射劑量的檢查在疾病診療中的應用次數受到了限制，因此，反復的X線及CT檢查既增加了患者受輻射的劑量，也不利于醫患交流與溝通；其次，臨床醫生在面對行動不便、危重癥等無法外出配合檢查的患者，無法適時地評估患者病情，更甚者影響患者的預后。目前，隨著EIT的應用與發展，能夠有效解決上述出現的兩大問題，不僅便于得到公眾的認可，還能輔助臨床醫生對疾病病情實時作出準確的評估，提高臨床醫生的工作效率以及提高醫療水平。

1 EIT肺功能成像基本原理

EIT將一條含16個電極的電極縛帶纏縛到胸壁上，多置于第4或第5肋間[7]，并將另一端的參比電極連接到身體中央部位。參比電極可確保所有不同電極對的阻抗測量均參照相同的電位，根據恒定電流和測得的電壓判定通電電極和測量電極對之間的生物電阻抗。通電和測量電極對的位置會依次輪換圍繞整個胸前持續進行，輪換一圈后的測量結果為一幀，通過一定的重構算法即可得到相應的人體胸廓電阻抗成像圖像，該圖像不但包含了解剖學結構性信息，更重要的是可以給出與人體病理和生理狀態相對應的功能性圖像結果[6]。值得注意的是，EIT在電極模式應用方面尚無統一標準。1983年Barber等[8]研制出了Sheffield Mark I原理樣機系統，該系統在人體表面一圈采用16個等距的電極方式進行數據采集，這種采集方式被大多數EIT系統采用，成為研究人員進行肺功能成像的主要電極選擇模式[9]。

在臨床應用中，我們通常將EIT圖像由腹側到背側分為等距的4個“感興趣區”（Region of Interest，ROI），其中ROI 1區與ROI 2區代表腹側區，也稱為非重力依賴區；ROI 3區和ROI 4區代表背側區，也稱為重力依賴區。我們在監護儀上可以看到ROI 1～4區的潮氣比例，可比較肺部不同區域通氣分布情況。

2 EIT在呼吸系統疾病中的臨床應用

2.1 急性呼吸窘迫綜合征

急性呼吸窘迫綜合征（Acute Respiratory Distress Syndrome，ARDS）是一種肺部急性炎癥損傷疾病，同時伴隨著肺泡塌陷，肺順應性降低、肺容積減少、嚴重通氣血流比例失調等病理生理變化。近幾年，重癥監護病房中10%的患者以及23%接受機械通氣患者都存在ARDS，而且ARDS的死亡率可達40%[10]。目前，呼吸支持仍是唯一有效的治療方法[11]，其中呼氣末正壓（Positive End Expiratory Pressure，PEEP）在機械通氣治療中占據著重要的地位。從理論上講，PEEP的設置應以氧合水平、壓力-容積曲線、平臺壓、驅動壓、胸肺順應性等為基礎，但是這些檢查方法都不能滿足對肺部功能變化動態性監測的要求，而EIT作為一種無創、無輻射的技術，可以對肺部進行單獨、實時的床邊成像[1]，彌補了傳統成像方式的不足，逐漸應用于ARDS患者。

現階段，許多研究提出了基于EIT來優化PEEP滴定的方法[6]，臨床上常利用肺動態順應性指導最佳PEEP值的設定。在一項動物試驗[12]中，驗證了在ARDS小豬模型PEEP滴定過程中，得出EIT的全局非均勻性指標（Global Inhomogeneity Index，GI）與肺動態順應性兩項肺全局參數指導最佳PEEP值設定的結果基本一致，GI可以從肺均勻性方面為臨床醫生判斷肺部情況提供實時幫助。在Zhao等[13]研究中，將EIT引導PEEP滴定法應用于24名重癥ARDS患者，與壓力-容積曲線法進行臨床療效比較，EIT引導的PEEP滴定與較低的驅動壓力、較高的呼吸系統順應性、較高但不顯著的住院存活率和脫機成功率相關，表明了在重癥ARDS患者中，EIT指導床旁PEEP滴定是具有可行性和安全性的。因此，EIT逐漸成為監測和調節機械通氣患者的重要管理設備[14]，但EIT在通氣監測方面的臨床應用并未得到大量推廣，要實現常規的臨床應用，仍需要更多臨床試驗的支持。

2.2 肺栓塞

肺栓塞（Pulmonary Embolism，PE）是一種常見的心血管疾病，由內源性或外源性栓子堵塞肺動脈或其分支引起的肺循環障礙。肺栓塞的診斷方法包括CT肺動脈血管造影（CT Pulmonary Angiogram，CTPA）、肺通氣/灌注SPECT顯像、多層螺旋CT等，其中CTPA為診斷肺栓塞的“金標準”，但上述這些檢查方法患者都是需要接受放射劑量，在一定程度上對人體有不良的影響[15]。

EIT在診斷肺栓塞的過程中可以起到指導性作用。Kunst等[16]和Leathard等[17]的研究中，都表明EIT能夠檢測到肺灌注中斷的區域，該區域肺通氣是正常的，間接表明存在肺栓塞。2002年Frerichs等[18]以5.65%氯化鈉作為對比劑，結果顯示EIT在對比度稀釋曲線峰值處獲得的圖像與小豬模型中缺陷肺和正常肺中CT得到的圖像具有可比性。2011年Suarez-Sipmann等[19]使用20%氯化鈉作為對比劑，然后通過一種血流動力學算法追蹤這個對比劑來測量肺內的相對區域血流，結果顯示這與SPECT測量的6頭健康小豬和6頭肺栓塞的小豬的肺灌注是高度相關的。Nguyen等[20]在前兩者研究的基礎上，用綿羊作為模型，以0.77 mL/kg 3%氯化鈉與0.13 mL/kg 20%氯化鈉為對比，顯示前者優于后者。這些研究都是建立在動物試驗的基礎上，關于EIT檢測人類肺栓塞試驗還較少，有待進一步研究。

2.3 慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Diseases，COPDs），尤其是肺氣腫型，其特征是肺泡壁和肺小血管同時喪失。目前，肺功能檢測（Pulmonary Function Testing，PFT）是COPD的主要診斷方法，由于PFT不能實時監測肺部功能情況，尤其對于肺功能較差、昏迷等因素造成無法配合檢查患者，其應用有一定的局限性。EIT經證實可以對阻塞性肺病患者肺部通氣狀態進行床旁評估[21]。在Karagiannidis等[22]研究中，確定了COPD和ARDS插管患者呼吸局部呼氣時間常數，通過EIT有效地證明了重度慢性阻塞性肺疾病不同肺部區域排空不均勻性，而部分ARDS患者肺內排空較為均勻。在Zhao等[23]研究中，對25例阻塞性肺部疾病患者進行前瞻性研究，通過EIT測量患者吸入支氣管擴張劑治療前后局部呼氣末流量（End Expiratory Flow，EEF），提示EIT可以檢測到EEF在機械通氣過程中的區域空氣滯留效應，為監測疾病治療過程提供診斷信息。現階段，作為哮喘、慢性阻塞性肺病或細支氣管炎等阻塞性肺部疾病的標志之一的氣流限制逐漸在區域水平上得到監測[5]，未來的研究中EIT在慢性阻塞性肺疾病中的應用價值不容忽視，其是否優于PFT，仍有待確切地研究結果證實。

2.4 肺動脈高壓

肺動脈高壓（Pulmonary Artery Hypertension，PAH）是一種罕見的疾病，其定義為靜息狀態下右心導管檢測肺動脈平均壓≥25 mmHg[24]，理想狀態下肺動脈壓的檢測應該是無創、無人監督、連續性的方式。目前多普勒超聲心動圖是唯一用于測量PAH的非侵入性方法，它既不受監督也不兼容連續監測，因為它依賴于專業人員進行測量[25]。在一項對21例PAH患者和30例健康對照者的研究中，EIT作用于患者與對照組相比，顯示較低的灌注阻抗變化信號[26]，從而證明通過EIT測量PAH患者肺血管床的縮小成為可能，該研究表明EIT有可能作為一種非侵入性的急性PAH診斷技術。Proenca等[27]在3名健康男性受試者身上，通過追蹤肺EIT信號的脈沖傳輸時間（Pulse Transit Time，PTT）變化來完成，但實際肺動脈瓣開放時間未知，難以無創估計，該研究用一個可接受的近似值作為替代定時參考，即使用心電圖的R波峰值，因為有研究表明PTT與所謂的脈沖到達時間近似[28]。雖然上述兩項研究在證明EIT監測PAH上未給予準確的證據，但為進一步研究EIT技術的改進和評估其對PAH發展的潛在診斷價值提供了合理的依據。

2.5 肺炎

肺炎是一種常見的感染性呼吸系統疾病，極易發展為重癥肺炎，死亡率可達29%[29]。目前胸部平片、CT是診斷及評估肺炎病情改善情況的主要影像學檢查手段。在臨床上，由于危重癥及活動不便等因素造成無法外出檢查的患者，臨床醫生就無法根據胸部平片、CT適時對肺部病變情況作出正確的判斷，而EIT作為一種實時、無輻射性地監測肺部通氣分布狀態的床旁工具恰好彌補了這一不足。Karsten等[30]在24例成人社區獲得性肺炎患者研究中，發現EIT與胸部平片檢測左右肺通氣改善方面是相一致的，同時該研究指出EIT與白細胞計數、C反應蛋白、體溫等相關指標無相關性。在Mazzoni等[31]對25名兒童社區獲得性肺炎患者研究，發現在EIT與胸部平片檢測左右肺通氣均勻性分布方面有顯著的一致性，這對于EIT監測肺炎隨訪期間的肺通氣分布情況提供了一定的幫助。目前關于EIT監測肺炎病情改善方面的研究較少，隨著技術的進步，EIT肺通氣成像在臨床中的應用具有廣泛的前景，而肺炎有可能成為EIT通氣成像方面的的主要研究熱點。

3 討論

與傳統成像方式相比，CT、MRI，EIT具有較高的時間分辨率，對于肺內生理過程的區域性認識可以進行實時監測，動態掌握患者的病情變化；但EIT獲得的是功能性圖像，對于病灶大小、性質以及與周圍組織關系的確定達不到CT、MRI的診斷程度。在肺通氣檢測方面，EIT與PFT相比，無需患者強迫呼氣運動，它的使用或許將簡化對嬰兒、兒童和不合作的成人患者肺功能的檢查，但無法像PFT一樣精準的檢測肺功能狀態，例如肺活量、潮氣容積、深吸氣量等。在肺灌注檢測方面，EIT與CTPA相比，以高滲性溶液為造影劑可以檢測到肺灌注異常的位置，為診斷肺栓塞提供可能。有研究證實EIT在造影劑過敏、腎功能損害、妊娠肺栓塞患者中的應用是具有優勢的[32]，但過量高滲溶液的使用易導致心力衰竭，且目前EIT應用于人體的試驗較少，未來需要更多的技術支持。

4 研究與展望

EIT作為一門新興醫學成像技術，具有無創性、無輻射性、靈活性、低成本、操作簡單等突出優勢，但在臨床應用中也存在一定的局限性，例如尚無統一的參考指標和操作規范、EIT數據分析的復雜性等。綜合以上因素，EIT對呼吸系統疾病的檢測仍然是一個挑戰。對于臨床醫生來說，未來應該著重于在現有的實驗成果的基礎上，進行深入的臨床應用研究，形成統一的共識，使患者更快地受益；對于研究人員來說，未來應著重于EIT測量及其參數的規范化制定，從而幫助臨床醫師更準確、全面地了解肺部功能性變化，為作出正確的診療方案提供參考，促進醫療水平的進一步提高。