基于EIT測定不同體姿下通氣分布實驗方法研究

方海東，駱栩瀟，吳陽，周童，高貴鋒，劉凱，姚佳烽

(1. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016；2. 蘇州大學附屬第二醫院 呼吸與危重癥醫學科，江蘇 蘇州 215004；3. 深圳市安保醫療科技股份有限公司，廣東 深圳 518100)

0 引言

電阻抗成像(electrical impedance tomography, EIT)是一種功能性成像技術，通過向外部電極傳感陣列施加一定頻率的安全電流，并測量邊界電壓變化，以此重構生物內部阻抗分布圖像，實現診斷或監測患者的功能[1]。EIT低成本、實時動態功能成像和對組織功能變化高度敏感等優點，使其非常適用于床邊連續監測肺功能[2-3]。在醫學領域中，EIT也被積極研究用于乳腺癌檢測[4-5]、體外血栓檢測[6]和腦檢測[7]等。

體姿變化會導致重力依賴區的通氣改變，從而導致肺內氣體的重新分布以及造成重力依賴區肺排空能力的改變[8]。EIT可以實時地監測肺局部通氣量的變化，因此，獲得了國內外研究小組的關注。FRERICHS I等[9]通過EIT確定了不規則自主呼吸模式和體姿對無呼吸疾病新生兒通氣空間分布的影響。FRERICHS I小組[10]通過對青年和老人在不同體姿下的EIT研究，確定了年齡和體位對局部通氣的影響。張超等[11]利用EIT監測和比較不同體姿下局部肺通氣量和一秒率的改變情況，反映了體姿改變對肺通氣的影響。王冠等[12]統計了不同體姿下健康志愿者EIT的基礎范圍值，可作為EIT系統研究和臨床使用的參考依據。雖然這些研究小組利用EIT開展了不同體姿下的相關臨床研究，但仍處于初步探索階段，僅僅證明了EIT可以反映體姿變化所引起的肺通氣變化，缺少量化指標的計算和具體的評價方法。EIT圖像所包含的多種生理信息，需要根據預期的臨床應用進行進一步的數據處理。

通氣中心(CoV)、不均勻性(GI)、局部通氣延遲(RVD)3種通氣均勻性指標[13]和RVD分布圖[14]是在EIT研究中衍生出的重要參數。CoV能夠反映肺通氣在腹背方向上的均勻性；GI計算了局部和整體的差異，能夠更為精確地反映通氣均勻性；RVD結合RVD分布圖則能反映出肺通氣區域內時間尺度上的不均勻性。利用3種通氣均勻性指標和RVD分布圖像可以從EIT圖像中發掘出更深層次的信息，用于比較不同體姿下的肺通氣均勻程度。

目前，臨床上一般采用俯臥位通氣以促進肺泡復張，改善氧合情況[15-16]。本文提出一種無線遠程監控電阻抗成像(wireless telemonitoring electrical impedance tomography, WTEIT)實驗方法，對不同體姿下的通氣分布進行測定，采用3種指標和RVD分布圖對通氣均勻程度進行評價，用EIT方法證明了俯臥位通氣在臨床上應用的有效性，也為深入研究提供了動態監測的方法。

1 實驗設備與方法

1.1 實驗設備

本實驗使用的WTEIT系統是自主研發的JLPulmo01-V1.0.0。該系統包括基于Red Pitaya開發板的數據采集模塊、可穿戴式彈性縛帶多電極傳感器和上位機，如圖1所示。

圖1 電阻抗成像實驗設備原理

Red Pitaya發出幅值可調的電壓信號，控制壓控電流源產生電流信號，電流信號通過模擬多路復用器和多電極傳感器對受試者進行激勵，采集到的電壓信號，經差分放大回到Red Pitaya。在Red Pitaya內完成快速傅里葉變換，并計算出電壓幅值，把電壓幅值通過無線模塊傳到上位機，經數據預處理和成像算法進行圖像重建、波形顯示和數據存儲等。電極數量為16電極，采用相鄰激勵、相鄰測量的驅動測量方式，激勵電流幅值在1～5 mA范圍內可調，頻率為122 kHz，成像速度20幀/s。該系統能夠滿足肺通氣功能的床旁連續監測需求。肺功能儀采用日本某公司的AS-507。

1.2 實驗方法

選取50名健康志愿者進行試驗，其中男性33名，女性17名。選取標準如下：無心肺病史、無吸煙史、無飲酒史及無慢性疾病史；體內無移植性電子設備；無胸、脊柱畸形史；同意進行EIT測量者[12]。年齡、身高、體重和身體質量指數如表1所示。

表1 受檢人群基線特征

具體實驗步驟如下：

1)根據受試者的胸廓大小選擇合適長度的電極帶，用酒精擦拭受試者胸部測量區域，在電極上均勻涂抹少量導電膏，將電極帶水平固定在第4-第5肋間處，同時保證電極間距均勻、與皮膚接觸可靠，且8、9號電極間的基準線正對脊柱，連接EIT數據采集系統，開始監測；

2)受試者在坐姿下進行測試，平靜呼吸一段時間后，待EIT采集數據穩定即可開始用力肺活量測試，并同步記錄EIT數據，重復3次；

3)受試者依次變換為仰臥和俯臥，重復步驟2)的測試流程。

進行坐姿EIT監測實驗如圖2所示。

圖2 坐姿EIT監測實驗

采集到的EIT數據采用如下方式處理：

①上位機自動完成圖像重建、波形顯示功能；

②根據EIT系統繪制的曲線計算得到一秒率，并與由肺功能儀測得的結果進行比較，驗證自主研發設備采集數據的有效性；

③將得到的EIT圖像劃分為腹側和背側兩個感興趣區域，分別統計腹側和背側的通氣占比。

4)分別計算不同體姿下的3種通氣均勻性指標，繪制RVD圖，具體方法在下一小節中給出。

1.3 通氣均勻性指標

采用通氣中心(CoV)、不均勻性(GI)、局部通氣延遲(RVD)3種通氣均勻性指標和RVD分布圖，可以對不同體姿下的肺部通氣均勻性進行評估。與通常采用的根據像素計算方式不同，本文是根據節點來計算。

為了計算出這些指標，首先需要表示出功能EIT的潮汐變化(TV)，根據吸氣末圖像與呼氣末圖像來計算。一般取1 min為分析周期，并計算平均值以提高信噪比。計算公式如下：

(1)

式中：TVi表示EIT圖像中i號節點的TV值；N表示分析周期內包含的呼吸次數；ΔZi,in,n和ΔZi,ex,n分別表示吸氣末和呼氣末對應的阻抗值。由于這些指標的計算需經過歸一化處理，阻抗之差可用吸氣末與呼氣末的計算電導率差代替。

CoV表示肺背側通氣量與整體通氣量之比，比值越大說明肺背側部分通氣越多。計算公式如下：

CoV=[∑(yi×TVi)/∑TVi]×100%

(2)

式中yi表示i號節點在腹背方向上對應的高度，該值被歸一化到0～1之間，腹部對應0，背部對應1。

GI是反映各節點TV值差異的通氣均勻性指標，是EIT圖像中通氣區域TV值的中位數與各節點之間差異總和，與通氣區域所有節點TV值總和之比。該比值越小，說明肺通氣越均勻。計算公式如下：

GI=∑l∈lung|TVl-median(TVl)|/∑l∈lungTVl

(3)

式中歸一化后的TV值<0.4部分對應的節點表示在肺通氣區域內，其TV值用TVl表示。

RVD是通過計算各節點通氣時在時間上的差異得到的參數，其標準差記為RVDSD，RVDSD越小，說明肺通氣越均勻。根據EIT肺通氣區域不同節點通氣情況分別繪制出局部阻抗變化曲線，并由曲線進行計算RVD值。計算公式如下：

(4)

式中：tl,40%表示從吸氣開始達到最大阻抗40%所需的時間；tin-ex表示根據全局阻抗曲線計算的吸氣總時間；L表示通氣區域包含節點的總個數。

另外，可以根據肺通氣區內各節點的RVD生成RVD分布圖。RVD代表通氣延遲程度，RVD越大，代表通氣越遲。使通氣過程中時間尺度上的不均勻性得到直觀反映，具體方法如圖3所示，圖中以A、B、C3點為例。這3點的RVD指數依次減小，說明在時間尺度上A點通氣最遲，實現了區域肺泡通氣延遲的可視化。

圖3 RVD分布圖

2 實驗結果

2.1 不同體姿下用力肺活量測試

肺功能檢查是對受試者的整體肺通氣功能進行診斷和評估的金標準，健康人的一秒率>70%[17-18]。一秒率是其中的重要指標，常用于判斷阻塞性氣道疾病的嚴重程度[19]。將EIT系統與肺功能儀測得的一秒率進行比較，驗證自主研發設備采集數據的有效性。

某一受試者坐姿下用力肺活量期間EIT測試結果如圖4所示。圖4(a)中反映了呼吸過程中208個通道的邊界電壓之和隨時間變化的關系。吸氣過程中，隨著空氣的吸入，肺部阻抗增大，邊界電壓和隨之增大；呼氣時，邊界電壓和不斷減小。在兩次平靜呼吸之后，開始進行用力肺活量測試，用力吸氣至t=7.4 s時，達到吸氣最大值，隨后盡力盡快呼出肺內所有氣體。這部分呼氣量記為用力肺活量(FVC)，7.4 s～8.4 s這1 s內的呼氣量記為一秒鐘用力呼氣容積(FEV1)。FEV1與FVC之比即為一秒率(FEV1%)，此受試者的一秒率為82.8%。圖4(b)反映了用力肺活量測試呼氣前1 s內的EIT圖像。此過程中，肺部截面積不斷減小，說明肺部氣體不斷減少，與圖4(a)中的曲線相對應。

圖4 受試者坐姿下用力肺活量期間EIT測試結果

在坐姿、仰臥和俯臥3種不同體姿下分別進行用力肺活量測試，其余條件保持相同。用EIT系統和肺功能儀測得的一秒率結果分別用平均值±標準差形式給出，如圖5所示。結果表明志愿者不同體姿下的一秒率平均值都在80%以上。EIT系統測得的一秒率結果與用肺功能儀測得的結果具有良好的一致性，說明該系統采集數據的有效性。

圖5 不同體姿下EIT系統與肺功能儀一秒率測試結果

2.2 肺部通氣均勻性評價

對坐姿、仰臥和俯臥3種不同體姿下腹側和背側的通氣占比進行統計，結果用平均值±標準差形式給出，如圖6所示。3種體姿下，腹背側肺通氣占比分別為(61.25±9.61)%∶(38.75±9.61)%、(66.13±9.27)%∶(33.87±9.27)%和(57.54±7.89)%∶(42.46±7.89)%。其中，俯臥時兩者之比最接近1∶1，說明俯臥時的通氣分布最均勻。結果表明：EIT能夠反映體姿變化導致的肺通氣分布和肺排空能力的改變。

圖6 不同體姿下腹背側通氣比例結果

根據計算公式，得到不同體姿下3種通氣均勻性指標的計算結果如表2所示，用平均值±標準差形式給出。

表2 3種體姿下的通氣均勻性指標結果

圖7以雷達圖的形式給出結果，直觀地反映出指標大小關系，并根據肺通氣區域內各點的RVD生成RVD分布圖。結果表明：CoV在俯臥時最大，代表俯臥時肺背側通氣最多，與通氣占比結果吻合；GI在俯臥時最小，代表俯臥時肺通氣最均勻；RVDSD在俯臥時最小，也說明了俯臥時通氣最均勻。圖中的灰度深淺分布清晰地反映出區域通氣延遲的程度。俯臥時，肺通氣區域范圍內的顏色分布變化較為平緩，而對應的RVDSD在俯臥時最小，進一步說明了俯臥時通氣最均勻。

圖7 不同體姿下通氣均勻性指標和RVD分布圖

3 討論

本文采用3種通氣均勻性指標對不同體姿下的通氣情況進行評價。CoV不需要經過復雜的計算，就能反映重力對通氣分布的影響。KARSTEN J等[20]用實驗證明：基于EIT的CoV監測可以評估麻醉、氣腹和不同PEEP水平的效果。GI與CoV相比，更好地反映了局部與整體的差異。ZHAO Z Q等[21]利用GI來選擇與通氣均勻性相關的PEEP水平。RVD則體現了肺在通氣過程中時間尺度上的局部差異。MUDERS T等[14]利用RVD估計潮氣補充量，可能有助于個性化的通氣設置。這些指標在臨床上已有簡單的應用，但仍需要進一步深入研究。

3種體姿的EIT實驗證明了俯臥位通氣在臨床應用上的合理性。不同區域的肺通氣量會隨體姿改變而變化，且與重力影響有關。俯臥時，腹側區域通氣減少，而背側區域通氣增加，相對另外兩種體姿，肺通氣分布更均勻。從生理角度分析，主要有以下幾點原因[15-16, 22]：1)俯臥時腹側區域血流增加而背側區域血流減少，通氣血流比改善，分流減少；2)俯臥能減少心臟、腹部對肺的壓迫，促進重力依賴區肺復張；3)俯臥時重力依賴區和非重力依賴區變化導致腹背側順應性變化，而背側通氣區域順應性增加相較于腹側減少明顯，使整體順應性增加。因此，臨床上采用俯臥位通氣方式。

4 結語

本文提出一種無線遠程監控電阻抗成像實驗方法，對健康人開展肺通氣數據采集，對不同體姿下的通氣分布進行測定，采用CoV、GI、RVD3種指標和RVD分布圖對通氣均勻程度進行評價。得到以下結論。

1)EIT能夠反映體姿變化導致的肺通氣分布和肺排空能力的改變，俯臥時腹背側通氣占比為(57.54±7.89)%∶(42.46±7.89)%，最接近1∶1。

2)3種指標和RVD分布圖在不同體姿下能反映肺通氣分布的均勻性。俯臥時CoV最大，為(55.26±1.10)%，說明背側通氣最多；GI最小，為0.25±0.03，說明通氣最均勻；RVDSD最小，為5.01±1.43，也說明通氣最均勻。

3)俯臥相比坐姿和仰臥，能夠使肺部通氣更加均勻。因此，臨床上采用俯臥位通氣以促進肺泡復張，改善氧合情況。