電阻抗斷層成像在急性呼吸窘迫綜合征診斷與治療中的應用及展望

【摘要】急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）是一種多因素的炎癥性肺部疾病，其特征為非心源性肺水腫引起的嚴重低氧血癥，X線檢查可見雙側胸部陰影，發病率和死亡率高，主要需要支持治療。電阻抗斷層成像（EIT）是無創、無輻射的一種非侵入性床旁成像技術，可為重癥患者提供實時的肺部通氣信息，也可以縮短機械通氣的持續時間，并防止由于過度擴張或塌陷而導致的肺損傷，EIT還可以識別肺萎陷或肺復張操作期間的肺復張情況。目前來說，機械通氣仍然是治療ARDS患者最重要的方法，因此EIT成為優化機械通氣效果中有價值的工具，特別是在ARDS患者中。本文旨在分析ARDS的病理生理與診斷、EIT工作原理及技術特點及在ARDS患者中診斷與治療中的應用進展，為后續EIT技術的發展及其在ARDS臨床管理中提供一定的參考。

【關鍵詞】急性呼吸窘迫綜合征 ; 電阻抗斷層成像 ; 機械通氣

【中圖分類號】R563.8 【文獻標識碼】A 【文章編號】2096-3718.2025.01.0133.05

DOI：10.3969/j.issn.2096-3718.2025.01.042

急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）是一種嚴重的肺部疾病，其特征為彌漫性肺泡損傷和肺血管通透性增加，導致肺部通氣和換氣功能嚴重障礙，準確的診斷和有效的治療對于改善ARDS患者的預后至關重要。隨著醫學影像技術的不斷進步，電阻抗斷層成像（EIT）作為一種新興的無創、無輻射的成像技術，能夠在床邊實時、連續地監測肺部通氣和血流灌注的分布情況，這種技術對于監測肺部通氣和血流分布具有獨特優勢，尤其是在需要連續、動態監測的ARDS患者中。本文旨在探討EIT在ARDS診斷和治療中的應用，評估其在臨床實踐中的應用潛力，并展望其未來發展方向。通過本文的綜述，以期為臨床醫生和研究人員提供一個關于EIT在ARDS領域應用的全面概述，以及對其未來發展的深入思考。

1 ARDS的病理生理與診斷標準

ARDS是一種以急性發作、嚴重低氧血癥和高病死率為特征的綜合征。在各亞型中，ARDS由相同的病理生理機制觸發，起始于肺內失調的炎癥反應，導致肺表面活性物質失活、中性粒細胞跨內皮 - 上皮屏障遷移增加、肺間質積水，導致肺順應性喪失、肺容量減少和肺泡功能障礙，最終導致很高的短期病死率[1]。ARDS通常有3個階段，分別為滲出期、增殖期和纖維化期，在急性滲出期（持續長達7 d），炎癥細胞及其介質損害肺泡上皮 - 內皮屏障，導致富含蛋白質的液體和免疫細胞積聚在肺泡間隙中，凝血功能失調，淋巴引流功能受損，Ⅱ型肺泡細胞產生的表面活性物質的能力受損。ARDS是重癥患者常見臨床綜合征，其定義和診斷標準在不斷更新。1994年美歐共識會議提出診斷標準后，2012年歐洲重癥醫學會與美國胸科學會聯合委員會發表了柏林定義與診斷標準。近年來，高流量鼻導管氧療（HFNC）在重癥患者中應用普遍，但其臨床應用可能延誤ARDS的診斷，WARE[2]建議將HFNC納入ARDS診斷標準。2023年歐洲危重癥醫學會在《重癥監護醫學雜志》發布新指南，聚焦ARDS“定義”“表型”及“呼吸支持策略”三個主題，之后，《美國呼吸與危重病醫學雜志》提出了關于ARDS的全球新定義[3]。對于ARDS診斷標準的不斷更新，反映了近年來ARDS領域臨床研究的最新進展，但挑戰依然存在。

2 EIT的工作原理與技術特點

2.1 EIT測量肺部功能的基本原理 EIT是在患者第4和第6肋間綁縛一條電極帶，通過一個由8到32個皮膚電極組成的系統，以高頻率（50～80 kHz）反復注入小的交變電流（通常為5 mA） [4]。原始EIT數據表示通過肺部的電阻率分布，將這些電壓差繪制成與電極平面中的電組織電導率相對應的二維32×32像素矩陣[5]。胸部橫截面的阻抗斷層攝影圖由簡化形狀表示，共享標準胸部計算機體層攝影（CT）的取向（即胸部的右側在圖像的左側）由各個像素構成，當EIT裝置初始定位時，校準過程收集基線數據，給出基線參考圖像，所有定量阻抗數據均以任意單位表示，并且只能量化局部肺阻抗與參考狀態相比的相對變化，因此，未參與潮氣通氣的肺區域顯示阻抗無變化。阻抗的變化按照一套專有的顏色標尺進行“顏色編碼”，不同EIT系統的顏色標尺各不相同。雖然不同廠家生產的色標各不相同，但為了便于解釋，所有系統都使用顏色變化來表示與基線相比阻抗的增加和減少。EIT波形展示呼吸周期中阻抗的變化，可通過感興趣區域（ROI）分析不同區域的通氣情況，功能性EIT圖像可展示動態生理信息，EIT測量指標包括平均阻抗變化和空間分布描述等[5-6]。

2.2 EIT技術在肺部成像方面的優勢和局限性

2.2.1 優勢 EIT具有高時間分辨率，將原始圖像和波形結合起來的數學算法生成的功能性EIT圖像可動態研究通氣分布、區域肺灌注和肺搏動性[7]，其重要優點是成本低、無創，并且可以在床邊輕松進行，可實時提供人體內部的阻抗分布信息，例如潮氣量、呼氣末肺容積、氣體空間分布及整個肺或不同肺區域內的呼吸時間常數的變化。阻抗斷層掃描數據與其他經驗證的測量整體肺容量或區域分布肺容量［例如：正電子發射計算機斷層顯像（PET）、單光子發射計算機斷層掃描（SPECT）、CT］的方法之間具有良好的相關性。FRERICHS等[8]在3頭豬中研究了局部通氣和電子束計算機斷層掃描（EBCT）之間的相關性，報道了EIT和EBCT測量值之間的良好相關性。VICTORINO等[9]在一項對10名患者進行的人體研究中，CT確定的局部空氣含量變化與EIT測量的阻抗變化之間有良好相關性，因此EIT可以可靠地評估機械通氣期間肺的通氣分布情況。

2.2.2 局限性 EIT的空間分辨率較低，對人體內部的細節信息顯示不夠準確，不能提供組織的精確解剖學定位，且測量結果容易受到多種因素的影響，如電極位置、測量噪聲、物體形狀等。胸腔阻抗受呼氣終末正壓（PEEP）、血管外肺水、體位、電極縛帶位置等多種因素的影響[10]，有胸腔積液的患者中，EIT信號可能倒置，影響對局部肺通氣的定量評估，抽取胸腔積液及向胸腔注入林格氏液時會有不同的電阻抗變化，快速靜脈推注生理鹽水會使呼氣末肺容積（EELI）下降但不影響局部肺通氣分布。不建議在帶有心臟起搏器和電活性植入物的患者中使用。

3 EIT在ARDS中的應用

3.1 肺通氣監測 ARDS肺通氣不均勻性通常與損傷機制的存在有關，例如小氣道和肺泡的塌陷和周期性開放及肺過度擴張。COSTA等[11]開發了一種在PEEP遞減操作期間使用區域信息（像素順應性）估計肺萎陷和過度擴張的方法，在每個PEEP設置步驟中，順應性可以根據進入肺的空氣量（ΔZ）和呼吸系統的彈性壓力計算，即平臺壓力（Pplateau）和PEEP之間的差值。因此，每個EIT像素的順應性可以估計為：Compliancepixel=ΔZ/（Pplateau－PEEP）。該方法假設在高于最佳像素順應性的PEEP水平處像素順應性的缺失指示過度擴張。該方法假設在低于最佳像素順應性的PEEP水平處的順應性缺失指示塌陷。EIT通過重建體內組織電阻的分布及其變化，生成阻抗斷層通氣圖[12]，實時、動態地監測肺通氣情況，可用于評估整體及局部肺通氣，識別通氣不良的區域，如靜默空間，以及評估PEEP設置對肺通氣的影響[13]。

3.2 肺灌注監測 機械通氣的目標之一是促進充分的氣體交換，但這一過程的效率不僅取決于通氣，還依賴充分的肺灌注，而EIT可以在床旁通過監測不同區域胸腔電阻抗的變化，反映出局部肺灌注情況，可評估整體及局部無效腔百分比、分流百分比、死腔/分流比（V/Q）匹配百分比等參數，評估ARDS患者的肺灌注情況[14]。通過EIT進行肺灌注評估一般有兩種方法：造影法，通過短暫的呼吸暫停，然后通過中心靜脈快速注射高電導率造影劑（如高滲鹽水）；肺血管搏動法，基于通過心電圖門控或通過基于主成分分析的算法將心臟信號與通氣信號分離，主要分析肺血管搏動阻抗變化反映肺灌注，但搏動的電阻并不是直接反映前向局部肺灌注血流，容易受到肺動脈壓、心臟收縮舒張、氣道壓等影響，準確性相對較低。造影EIT肺灌注技術使用更為廣泛，通過結合生理鹽水造影劑的使用，可以幫助臨床醫生檢測肺灌注和通氣情況，輔助肺栓塞的診斷[15]。FRERICHS等[8]研究了EIT造影方法在正常灌注動物模型中的有效性，模擬肺血栓栓塞的存在（通過Swan-Ganz導管閉塞肺動脈），并將其與SPECT提供的數據進行比較，得出結論認為，EIT能夠檢測肺灌注的變化及其隨時間的變化。

3.3 PEEP優化 EIT能夠發現ARDS患者中的鐘擺現象，為呼吸管理提供依據，通過評估不同區域肺順應性的變化，可以指導PEEP的個性化設置，以達到最佳的通氣效果[16]。在經鼻高流量濕化氧療（HFNC）等呼吸支持治療中，EIT可用于監測治療效果，如呼氣末肺容積（EELI）的增加和肺復張區域的擴大[17]。在中國，多達47家臨床試驗機構配備了EIT設備用于常規臨床使用。由于ARDS的異質性，使用氧合和順應性等替代參數可能會產生誤導，滴定PEEP最可靠的方法是使用EIT的基于區域順應性的方法，它可以可視化和計算區域過度擴張和肺泡塌陷。有研究結果顯示，通過對應用機械通氣的ARDS患者逐步增加和降低PEEP水平，利用EIT監測全肺及區域性肺部通氣分布情況，顯示PEEP的變化對肺泡擴張/塌陷的影響，實現了通過EIT對PEEP優化[18]。在一個觀察性隊列中，EIT的使用導致三分之二的患者PEEP調整[19]。HSU等[20]在87名ARDS患者中比較了使用呼吸機嵌入式壓力 - 體積環滴定，該試驗發現EIT組的驅動壓較低，依從性相似，死亡率降低（69% vs 44%；P=0.02）。SCARAMUZZO等[21]報告了一項交叉試驗，比較了EIT的PEEP滴定與通過食道球囊的跨肺壓，雖然兩種方法的結果基本一致，但在細分為肺內源性和肺外源性ARDS時，EIT分析的結果是肺內源性PEEP較低，肺外源性PEEP較高。

3.4 氣胸檢測 ARDS患者氣胸的發生率為8%～10%，EIT已被用作床邊工具來檢測氣胸的存在。2006年，HAHN等[22]通過建立實驗模型，誘導出不同程度的氣胸來改變EIT成像情況，結果發現通氣圖中阻抗的增加（靜態變化）與局部通氣的減少（動態變化）相關，將這些數據與CT圖像進行了比較，證明了EIT能夠在真實的時間內檢測氣胸。COSTA等[23]也在實驗模型中證實，EIT能夠以100%的靈敏度在真實的時間（延遲的三個呼吸周期）內檢測氣胸的存在。在動物模型中，EIT對于檢測小于20 mL的氣胸具有很高的靈敏度。MORAIS等[24]描述了一例EIT氣胸表現，這是在ARDS病程后期進行肺復張操作的并發癥，在這種情況下，氣胸引起的EIT變化（EIT圖像中亮度突然增加，通氣增加與PEEP增加不成比例）導致在臨床惡化發生之前提前中斷肺復張操作。在肺復張的實時監測中，床旁EIT效果較好。

3.5 監測通氣不同步 患者與呼吸機不同步在機械通氣期間很常見，通常與脫機延長和死亡率增加等不良事件有關。盡管如此，專家在檢查呼吸機波形時仍無法發現超過60%不同步[25]。在這種情況下，EIT描記圖中包含的信息可幫助重癥監護醫師早期識別潛在有害的不同步，例如呼吸堆積和鐘擺現象，EIT能夠在床邊連續地檢測和量化觸發不同步的程度，還可監測在自主呼吸中具有呼吸努力的不規則呼吸分布。

3.6 俯臥位通氣 自20世紀70年代以來，俯臥位已在成人ARDS中得到不同程度的應用。俯臥位可使肺中血流實現更均勻的灌注，以及更均勻的肺泡開放，預防/減少肺不張，并最終通過減少肺內分流改善V/Q匹配[26]。俯臥位對氧合和降低死亡率有一致的益處，特別是在與肺部保護性策略結合使用時。早期俯臥位的死亡率獲益不僅僅是通過改善氧合來介導的。區域肺充氣增加可改善氧合，然而，這些并不一定會轉化為通氣和壓力的改善。EIT使人們能夠理解俯臥位的潛在機制，KATIRA等[27]研究證明，俯臥位改善了依賴性和非依賴性區域的通氣，降低了垂直壓力梯度，增加了順應性，并改善了V/Q，同時，胸膜壓力梯度和區域順應性也得到了改善。研究顯示，當俯臥位應用較晚時，這些通氣益處會減弱，此外，確定背側塌陷區域超過13.5%，就能成功預測對俯臥位的氧合反應[28-29]。

3.7 評估治療效果 通過觀察通氣區域、均勻性及潮氣量相關指標，了解治療對通氣功能的影響，從而達到精準的呼吸功能評估?？捎糜谥笇Х螐蛷埡蚉EEP調節，也可用于胸部物理治療的評估[30]，ARDS患者充分及時的胸部物理治療有利于及時排除分泌物，改善通氣，控制感染，通過EIT圖像可以直觀看到患者在拍背吸痰前后肺的通氣均勻性?；陔娮杩棺兓?，在ARDS撤機患者中，通過對呼氣末阻抗的監測可以提高預測拔管結果的準確性，進一步評估治療效果。

4 探討EIT的改進方向

4.1 提高分辨率 目前用于EIT的電極數量有限，對分辨率有一定影響，增加電極數量是一種可能的改進方向，更多的電極可以提供更詳細的肺部電阻抗信息，從而提高成像的分辨率和準確性。而增加電極數量會增加設備的復雜性和成本，同時可能會給患者帶來更多不適。未來需要研究如何在增加電極數量的同時，優化設備設計，減少這些負面影響。例如，可以探索更小、更高效的電極材料和設計，使其既能增加測量點，又不會過度增加設備體積和患者負擔。

電極的設計和放置位置也對測量結果有重要影響，研發更先進的電極材料和設計，根據患者個體差異（如體型、肺部疾病類型等）調整電極位置，使其能夠更好地貼合人體皮膚，降低接觸電阻，減少信號干擾，提高信號采集的質量。

4.2 信號準確性提升 胸腔積液等情況會導致EIT信號不準確，影響對肺部通氣的定量評估，針對胸腔積液等情況下EIT信號不準確的問題，需要開發更先進的信號處理算法，這些算法可以對采集到的信號進行校正和優化，減少因胸腔積液等因素導致的信號反轉或誤差。例如，利用機器學習算法對大量含有胸腔積液患者的EIT數據進行學習和分析，建立模型來準確識別和校正因積液引起的信號異常。

結合其他成像技術或生理參數測量方法，提高EIT信號的準確性和解讀能力。例如，將EIT與胸部X光、超聲等技術相結合，利用不同技術的優勢，相互補充和驗證?；蛘咄瑫r測量患者的呼吸力學參數、血氣分析結果等，綜合多方面信息來更準確地評估肺部功能和EIT信號所反映的肺部功能狀態。

4.3 設備便攜性和易用性 研發更小巧、輕便的EIT設備，使其更便于在床邊使用，甚至可以實現移動監測。借鑒其他便攜式醫療設備的設計理念和技術，采用更小的電路元件和更高效的電源管理系統，減小設備體積和質量。例如，利用微型化的傳感器技術和低功耗的芯片，在保證設備性能的前提下，實現設備的小型化。同時，開發可穿戴式的EIT設備也是一個潛在的研究方向，這樣可以更方便地對患者進行長期監測。

簡化EIT設備的操作流程和界面，使醫護人員能夠更方便地使用設備進行測量和數據分析。開發直觀的操作軟件，提供自動化的測量和分析功能，減少人為操作誤差。例如，設計一鍵式操作模式，醫護人員只需按下一個按鈕即可完成測量，并自動生成易于理解的報告。此外，軟件界面可以采用圖形化顯示方式，直觀地呈現測量結果和分析數據，方便醫護人員快速理解和解讀。

5 小結與展望

電阻抗斷層掃描是一個新型的影像技術，在ARDS患者呼吸管理中的臨床應用實際上是一種可視化肺保護的臨床應用，醫護人員可以通過直觀觀察EIT圖像來了解患者的通氣和血流情況，從而更精細化地進行呼吸治療管理。EIT及其最常見臨床應用的基礎知識的傳播可能會激發人們對其在日常實踐中應用的興趣，并刺激對這種創新技術的潛力和局限性的進一步研究，未來通過技術改進和應用拓展，有望成為ARDS的臨床管理中更為有效的工具。

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