电阻抗断层成像作为机械通气监测新技术的临床应用

2021
09/16

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古麻今醉
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张童 编译 刘美云 吕欣 审校  

上海市肺科医院麻醉科

 

目前,胸部X线、CT以及超声等影像学方法已广泛应用于机械通气治疗的监测和评估。但X线和CT的辐射性以及超声的操作者依赖性等特点限制了其在某些场景中的应用。近年来,电阻抗断层成像(Electrical impedance tomography, EIT)技术得到了快速发展。该技术通过检测肺部组织在机械通气期间的阻抗改变以获得肺部的通气状态,进而对通气方法进行评估和调整。该方法相较传统方法具备无创性、实时性等优势,目前已在多种肺部疾病的监护中得到了应用,有极高的潜在应用价值。该文从EIT的工作原理出发,介绍了EIT在多种肺部疾病的通气治疗中的应用,全面综述展示了其在个体化机械通气治疗中的应用价值和发展潜能。该文由Dariusz Maciejewski等人于2021年8月发表于Advances in Medical Sciences杂志。 

摘要

电阻抗断层成像(Electrical impedance tomography, EIT)技术是一种无创、无放射性的影像学诊断方法, 支持实时的床旁肺功能动态评估,可作为其他成像方法如计算机断层扫描技术(computed tomography, CT)或超声成像的替代方案。尽管EIT是一种新技术,但具有广泛的潜在应用价值。在机械通气治疗普及的当下,如若能够实现对患者呼吸情况的动态评估,即可实现个体化治疗的理念。此外,在ICU患者中,呼吸衰竭发生率正逐渐增加,迫切需要更好的监测方法。该文旨在介绍EIT技术,并展示其在重症监护方面的潜在应用价值。 

1 介绍

电阻抗断层成像(Electrical impedance tomography, EIT)技术是一种无创、无放射性的影像学诊断方法,支持实时的床旁肺功能动态评估。对于移动不便的患者或考虑到患者或医务人员的辐射暴露,CT检查难以频繁执行,EIT是一种较好的替代方案。EIT可以评估多种胸肺功能,因此能够对每例机械通气病例做到个体化处理,这在冠状病毒(COVID-19)流行的背景下尤其重要。EIT的功能多样性在采用不同通气策略的各类呼吸衰竭的监测中发挥了重要作用,对于ARDS的监测至关重要。例如,重症急性呼吸综合征冠状病毒2(Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2)感染能够导致肺均质丧失,引起肺内通气不均匀分布,不利于肺通气的优化。而EIT支持临床医生针对患者胸肺的生物力学改变情况调整通气策略,从而进行肺通气的优化。 

2 综述

2.1 获取肺阻抗图像的基本原则

人体内各种组织对电流均有特定的电阻力,这种电阻力即“阻抗”。不同组织的阻抗大小受多种因素影响,包括降阻抗物质的含量(如:高含水量组织、电解质、细胞连接含量高的组织)、升阻抗物质的含量(如:骨组织、脂肪组织、尤其是肺组织充气的情况)。因此,吸气可以导致肺部的阻抗升高,而呼气可以降低肺的阻抗。

EIT成像技术的基本原理是通过向一对电极供电,从而获得其余电极产生的表面电位差,并不断重复该过程,最终获得组织的电导率分布(图1)。测量系统包括:8、16、32或64个电极,单独连接,或放置于弹性带或无纺布背心上(图2)。为降低横膈膜顶和肺尖区域对阻抗测量的干扰,EIT电极需放置于第IV-V肋间隙(放置位置过低:影响肺顺应性检测;放置位置过高:假性肺过度充气)。这也是EIT检测结果与传统CT成像方法相比不够清晰的原因。使用EIT检测时,一对电极释放中频电流(如5mA),其余电极随即检测其连接的胸部皮肤处的电压变化。随后,第二对电极释放中频电流,其余电极再次检测电压变化,循环往复。目前较为常用的是16电极检测系统,通过测量13次电压,能够获取16张剖面图(一次电流循环中),产生208个数值模式,形成一次胸部切片的矩阵数据。使用图像边缘过滤技术能够消除大部分伪像(如:心功能伪像)。通过结合所有的剖面图即可显示出肺部阻抗发生改变的部位。通过上述方法检测出的阻抗改变,在EIT检测机器处理后,能够以具有特定色彩强度的像素的形式进行展示。矩阵中的每个像素都对应实际检测中的一块肺部区域。最终得到的图像仅有横向的维度,但该图像其实包括了7-10 cm厚度的胸部切片。肺部情况将通过分层解释器或象限解释器进行评价。通过这种方式能够很容易地表示潮气量分布的特定区域的百分占比(图4)。屏幕视角以头尾轴的方式呈现(与传统CT扫描相同),因此屏幕的右侧对应患者的左侧。为理解EIT的临床特征,需要理解:每张实时图像的内容均与操作者选择的参考图像有关。机器记录到的阻抗改变是通过比较参考图像与获取的图像的阻抗差异得出的。如果没有新通气的区域,或通气区域有限,机器将无法记录阻抗改变,EIT图像也不会产生改变。当患者肺通气增加直至病理性过度通气时,肺部的阻抗明显增加,EIT图像也会相应地产生颜色变化。另一方面,区域性的肺部炎症或渗出灶的形成通常会改变对应区域的阻抗。这常见于急性呼吸窘迫综合征(ARDS)等危急情况。该现象的出现是由于肺部生化特征以及肺泡间隔的厚度发生改变,导致电流通过受阻。

上述条件下的病理生理改变引起进展性的呼吸容积区域化改变,导致评估肺顺应性的静态方法不够精确。

近些年,符合“婴儿肺”原则的保护性通气策略的再兴起以及低至中等呼气末正压和优化驱动压力的通气方法的使用为机械通气有效性的评估增加了困难。整体参数,如氧合能力或呼吸系统顺应性可为评估患者的肺部生物力学概况提供一定的信息。因此,EIT能够进行动态评估以及调整通气过程,这对于评估有呼吸衰竭的患者的通气情况有一定的价值。这也是将阻抗断层成像技术与一些厂商提供的呼吸机进行集成的目的所在(如:Elisa 800 VIT,Lowenstein Medical, Germany)。2017年,TREND组织提出了一项共识,即总结了近阶段EIT在指导机械通气方面的发展优势和可行性。 

 

图1. 16电极系统的胸壁置放位置及检测方法示意图。   每对电极相隔放置,其中一对电极产生电流,其余电极检测各自位置的电压。  
 
图2. 电阻抗断层成像实例;   右:   mobile PulmoVista, Drager, Germany;   左:   Elisa 800 VIT整合型电阻抗断层成像仪, Lowenstein Medical, Germany。      
 
图3. 不同强度的像素代表肺部各个区域阻抗的变化。左:亮蓝处代表通气良好的区域,深蓝处代表通气不佳的区域(PulmoVista, Drager, Germany)。右:绿色像素代表通气良好的区域,灰色像素代表通气不佳的区域(Elisa 800 VIT, Lowenstein Medical, Germany)。  
 
图4. 划分为4部分的目标区域(regions of interest, ROI)。右:各部分占总通气量的比值   (PulmoVista, Drager, Germany)。  

2.2 采用EIT监测机械通气

2.2.1 呼气末正压通气及肺复张策略

评估患者肺部对于PEEP通气及肺复张(recruitment maneuvers, RM)的反应性的基本原则是计算肺阻抗对于参考图像(给予干预前的图像)的变化。阻抗增加表明肺泡复张有效。在特定的PEEP水平下阻抗的增加或减少在图像中均会呈现出色彩的变化(图5)。借助这种评估方法,临床医生能够评价复张的有效性,若未达到期望的复张效果,便可停止后续的尝试。阻抗无增加则表明已扩张的肺泡出现了过度膨胀(overdistension, OD),这也是引发呼吸机相关性肺损伤(ventilator-induced lung injury, VILI)的因素之一。例如,若EIT检测结果表明患者的肺部仅有背部区域能够通气(主要肺区,吸气时最可能通气的区域)且PEEP值较高(如达到18 cmH2O),这或许表明肺的腹部区域已经完全过度膨胀,此时减少PEEP值可以增加肺顺应性并改善通气情况。另外,不论PEEP处于何种水平,不可逆的肺不张均不会呈现出阻抗的改变(调整PEEP值无法改善上述情况的通气情况)。 

 

图5. 肺复张前后,肺部通气变化的可视化展示。左:肺复张前,给定潮气量下的肺部情况;右:肺复张后,给定潮气量下的肺部情况。      

EIT能够评估肺部的区域顺应性(regional compliance, Creg)进而实现对肺部结构的电子化“观察”。一张EIT图像中的每处色彩改变都对应Creg值的改变。 

 

该等式是静态肺顺应性方程式。该公式使用潮气阻抗变化值(tidal impedance variation, TIV)而非潮气量作为分子。该公式的分母主要描述呼吸系统在呼吸循环中的压力变化(其在保护性通气中尤其重要),其值对应驱动压力值。有报道称EIT在进行 PEEP滴定方面优于动脉血气分析和肺静态顺应性:患者能够获得更高的动脉血氧分压和肺顺应性并能够更早脱离呼吸机。Creg相较上述参数(整体参数)的优势主要在于临床医生能够评估肺依赖区和非依赖区的存在,从而评估肺萎陷(lung collapse, CL)和过度膨胀(overdistension, OD)的程度。

递增/递减PEEP滴定试验通过逐步升高或降低PEEP值,用以评估肺过度膨胀和萎陷的程度。例如,Blankman等人使用递增PEEP方法评估肺功能,按5 cmH2O, 10 cmH2O,  15 cmH2O, 20 cmH2O顺序递增,每次持续15 min。Puel等人首次在实施肺复张(Pplat = 40 cmH2O with PEEP = 20 cmH2O for 40 s)后逐步降低PEEP至5 cmH2O。也有研究将PEEP短暂(如2 min)维持在某水平,并以2 cmH2O为梯度逐步降低。在上述肺复张动态过程中,需要注意的是驱动压需维持在恒定值。基于上述操作,EIT设备能够监测肺部对设定压力的反应。因此,在特定肺部区域及不同PEEP条件下,计算得到的阻抗变化彼此之间将会进行比较:若PEEP逐步升高时特定肺部区域的顺应性降低,则表明存在肺泡过度膨胀,若顺应性增加,则表明肺泡复张,肺萎陷减少。EIT装置能够基于上述数据将PEEP维持在一定水平,此时OD和CL出现最少,即实现了OD/CL平衡(图6)。有趣的是,Zhao的研究表明,基于OD/CL平衡滴定PEEP的患者与基于压力/容积曲线滴定PEEP的患者相比,具有更高的肺顺应性、氧合指数以及更好的APACHE II评分。同时,作者指出,若研究样本量增加一倍,且各组死亡率维持不变,基于EIT滴定PEEP组的死亡率将在统计学上进一步降低。鉴于OD可能较CL对患者的潜在危害更大,可对OD/CL平衡进行一定的修改,即提出允许15%CL值的“OD/CL15”比值概念,而肺泡OD应当降至最低 (这自然会导致最佳PEEP值降低) 。PEEP的降低与随后的肺泡复张-萎陷相关,即增加了肺不张损伤的风险。有趣的是,Franchineau等人在针对15名ARDS患者的研究中发现根据“OD/CL15”设置的最佳PEEP值与根据肺最佳顺应性估算的值不同。这项发现表明,基于EIT滴定PEEP的方法参考了包括整体肺顺应性的其他因素,即达到肺最佳顺应性并不代表对应的通气条件已达到最佳。 

 
图6. 肺萎陷及过度膨胀程度与呼气末正压(PEEP)值的关系图。两条曲线交叉处对应的PEEP值对应最佳的肺顺应性,此时肺萎陷及过度充气的程度最低。  

EIT也可用于监测通气分布及肺异质性情况。通过EIT图像,可推导全肺异质性指数(global inhomogeneity, GI)。全肺异质性指数是指呼吸循环中通气分布不均匀的程度。GI值由目的区域图像每个像素的阻抗改变与全肺的平均阻抗改变的差值计算得出;GI值越高,异质性越大。因此,通气参数应当进行逐步调整以使GI值降至最低,因为该指标反映了通气的均匀性。一项实验研究表明,基于GI值滴定的PEEP值与ARDSnet指南建议值相差很大,且该PEEP值与PaO2/FIO2也无相关性(这表明完全不同的PEEP值设置可能均可改善患者的氧合,主要取决于呼吸衰竭的具体情况)。同时,另一个参数,吸气相气体分布(intratidal gas distribution, ITV),描述了吸气相的气体分布-根据吸气期总肺阻抗的变化对其进行测量-最终得到的阻抗变化图像平均分成了8个时间间隔,直观地展示了通气的分布情况。基于上述获得的参数,描述全肺整体ITV变化的ITV指数可由下式推导得出: 

 

若ITV指数为1,表明ITV依赖和非依赖区的通气情况相同。Blankman等人指出ITV指数是用于滴定PEEP的最佳方法。在他们的研究中,ITV指数和PaO2/FiO2呈负相关,表明通气情况主要取决于ITV依赖性肺区。

此外,这些数据可以由区域通气延迟(regional ventilation delay, RVD)参数进行补充。RVD参数表示肺部给定区域较总肺的通气延迟情况,代表了肺泡的周期性复张及萎陷。当PEEP值接近最佳值时,随着时间常数的延长和肺内PEEP值的降低,肺泡萎陷减少,周期性的开放和萎陷现象减少到最小(图7)。

     
图7:PEEP调整期间的区域通气延迟变化(PulmoVista, Drager, Germany)。肺部图像的黄色区域代表吸气期的通气延迟区域。缩写:RVD, regional ventilation delay, 区域通气延迟; CW, compliance win, 顺应性增加; CL, compliance loss, 顺应性减少; PEEP, positive end-expiratory pressure, 呼气末正压。      

2.2.2 气胸

中心静脉置管后的患者常规行传统的胸部X光成像,用于气胸的诊断。除了有射线,X光成像的另一个劣势是其无法做到实时监测,因而会推迟气胸的诊断和治疗干预。机械通气可能会因正压而导致气胸发生。保护性通气策略能够减少气胸发生的频率,但大量研究报道,在针对ARDS患者的通气治疗期间,仍有13%-18%的患者会发生气胸。Morais等人的病例分析研究表明,使用EIT可以对气胸进行实时诊断。气胸在EIT检测中表现为肺复张期间,发生气胸的区域的阻抗突然升高,随即出现图像的丢失(这是由于EIT图像仅显示一段时间内的阻抗改变-气胸发生后因该区域不再通气阻抗不再改变)。另一项研究中,研究者采用EIT能够识别低至20 ml的气胸区域,且敏感性达100%。 

2.2.3 胸腔积液

EIT能够辅助判断胸膜腔内是否存在积液并评估抽空积液的有效性。这个问题似乎特别重要,因为胸腔积液的发生率特别高(观察性研究表明高达50%-60%接受低潮气量机械通气的患者会发生胸腔积液)。积液排出后,即可观察到呼气末阻抗增加。但需要注意的是,出现这种现象可能不仅由于肺部通气情况的改善,也可能源于导电流体的清除。因此,EIT图像应当同其他方法的检测结果结合分析。 

2.2.4 物理疗法

呼吸理疗(特殊体位,呼吸练习,雾化吸入和支气管树排痰)的一些步骤也可通过EIT进行实时监测。尽管相关研究较少,但已有研究表明EIT在呼吸理疗方面有极大的应用价值,且EIT方法的无创特性将会促进该领域进行更深层次的研究。 

2.2.5 俯卧位通气

ARDS患者最重要的治疗方式之一就是俯卧位通气。随机对照临床试验已证实该方法可以改善ARDS患者的生存率。这种改善效果与胸腔顺应性和弹性区域的逆转和随后的气体交换改善以及呼吸机相关性肺损伤减少有关。这种对呼吸机制的有利影响可能来源于潮气量分布不均减少和跨肺压的有利变化。俯卧位通气对肺背区的复张作用明显超过肺腹侧区域的萎陷水平,因而改善了通气灌注比,在灌注基本不变的情况下,改善了整体氧合水平。尽管俯卧位通气已被证实能够减少死亡率,但需要注意的是,在有些情况下,俯卧位通气并不能达到预期效果。这主要由于ARDS的异质性以及不同患者的呼吸系统对俯卧位通气的反应不同。该结论由一项研究得出,该研究中20名健康成人接受高流量鼻导管通气,同时使用EIT进行监测。该研究表明,在评估仰卧位和俯卧位通气时,EIT能够明确功能残气量的改变情况。因此,在反向通气期间,使用EIT评估呼吸过程,能够明确通气的有效性并确定其持续时间,但该作用仍需要讨论。图8展示了EIT监测下的俯卧位通气效果。 

图8. 俯卧位促进潮气量均匀分布的可视化展示。左:重症ARDS患者仰卧位的潮气量分布;右:同一位患者调整为俯卧位20min后的潮气量分布。      

2.2.6 呼吸机撤机

长期机械通气与多种并发症的发生以及死亡率的增加有关,因此及时停止有创呼吸支持十分重要。自主呼吸试验(spontaneous breathing trial, SBT)是判断患者能否拔除气管导管的方式之一。SBT的结果由临床评估和一些客观指标如动脉血气分析,呼吸频率/潮气量比值确定。研究表明,EIT可以实时对通气区域进行可视化观察,能够辅助监测自主呼吸尝试,特别是能够作为逐步减少压力支持通气的补充评估。若SBT试验成功,则可尝试移除患者的气管导管。但需要注意的是,尽管首次撤机成功,呼吸衰竭也有可能再次发生,特别是在一些高风险患者中。一些报道指出,在高风险患者中,最开始即使用无创通气也许更合适。EIT不仅能够辅助识别需要撤机的患者,也可辅助评估撤机失败的原因。 

2.2.7 肺栓塞

EIT有一项极具价值但仍被低估的应用,即床旁评估肺血流。研究发现,心脏搏动后肺的阻抗会出现改变-右心室收缩,血流泵入肺血管床,肺阻抗整体下降(如前所述,血流是很好的电流导体)。但是上述改变很微弱:心室收缩导致的阻抗改变只有吸气期间阻抗变化的约3%。由于心跳频率和呼吸循环频率的重叠,很难评估上述参数的准确性;但是EIT装置能够通过心电门控及相应软件记录肺灌注造成的阻抗改变情况。需要注意的是,心搏期间记录到的阻抗改变并不代表肺血流,而是反映了血流的波动。因此需要正视这项技术的缺陷,即阻抗改变并不总是随血流的变化而改变(例如,肺血管阻力过高会减少血流但增加阻抗的变化)。有趣的是,有针对上述限制的解决方法,即延长呼吸暂停时间,并于大血管内注入高渗NaCl溶液(20% NaCl)。高渗溶液能够降低阻抗(相对降低)。因此,通过测量阻抗评估通气-灌注比或许可行。上述提及的EIT的应用在COVID-19流行的背景下能够发挥重要作用,因为越来越多的报道表明,COVID-19患者的肺外周血管栓塞的形成在疾病进展中十分重要。Safaee Fakhrs等人的病例研究表明,SARS-CoV-2感染的呼吸衰竭患者在早期发生肺栓塞的概率较低,后因呼吸功能衰竭采取了插管和机械通气治疗。尽管已经采取了治疗措施,但其PaO2/FiO2值并没有增加。EIT检查显示左右肺的灌注分布存在明显不均。D-二聚体高于10000ng/ml,超声心动图提示存在肺动脉高压。持续注射普通肝素治疗数日后,该患者进行了第二次EIT检查,结果显示灌注明显改善,情况趋于稳定(图9)。该项病例报告得到了3例COVID-19患者病例系列的支持,该研究中EIT能够检测出呼吸衰竭的病因,包括肺栓塞(高肺顺应性以及高灌注损伤)和重症肺炎(低肺顺应性以及低灌注损伤)。但需要注意的是,重症ARDS患者的EIT灌注图像可能存在误差。 

 

图9. 展示灌注变化的系列图像。缩写:PaO2, partial pressure of arterial oxygen, 动脉氧分压; FIO2, fraction of inspired oxygen, 吸入氧浓度; CRS, compliance of respiratory system, 呼吸系统顺应性; ΔP, driving pressure, 驱动压。  

3 总结

EIT能够辅助评估急性呼吸衰竭患者机械通气的有效性及安全性。EIT的诸多优势使之成为ICU部门的常用工具之一。但目前没有强有力的数据支持EIT的应用优于其他成像技术,而且较高的价格使得该项技术的普及存在困难。但正如TREND组织所言,EIT或许能够成为个体化通气治疗的标准监测装置,并在机械通气期间提高治疗的安全性。目前需要进行如随机对照临床试验等进一步的研究,以使EIT在个体化治疗中发挥作用,特别是在当下COVID-19流行的背景下。

 
点评  
该文首先从EIT的工作原理出发,通过示意图以及实际应用场景实例,展示了EIT的具体实施办法以及目前的商业化产品的应用情况。通过EIT扫描仪的断层成像结果直观地展示了肺部各区域的不同通气情况对肺阻抗变化的影响。随后文章分析总结了目前EIT技术在机械通气监测、气胸,胸腔积液诊疗、呼吸理疗、俯卧位通气监测、呼吸机撤机以及肺栓塞诊疗方面的应用优势及不足。特别是在机械通气方面,EIT能够通过确定最佳PEEP值指导通气参数的设置以获得最佳的肺顺应性,较以往的方法如压力-容积曲线等具有更高的准确性和安全性。最后该文总结了EIT的发展潜能以及促进个体化机械通气治疗理念落地的价值。EIT技术是一项新兴无创技术,除了较以往的有创、辐射技术更具安全性,最重要的是其方便性以及实时性,相信在EIT技术发展的未来,在成本进一步压缩,普及推广使用后,EIT技术还会有更多的临床应用价值将会被发掘。  
张童 编译  
刘美云 吕欣 审校  

原始文献

Maciejewski D, Putowski Z, Czok M, et al. Electrical impedance tomography as a tool for monitoring mechanical ventilation. An introduction to the technique[J]. Advances in Medical Sciences, 2021, 66(2):388-395. doi: 10.1016/j.advms.2021.07.010. PMID: 34371248.

参考文献

【1】Sella N, Pettenuzzo T, Zarantonello F, Andreatta G, De Cassai A, Schiavolin C, Simoni C, Pasin L, Boscolo A, Navalesi P. Electrical impedance tomography: A compass for the safe route to optimal PEEP. Respir Med. 2021 Jul 30;187:106555. doi: 10.1016/j.rmed.2021.106555. Epub ahead of print. PMID: 34352563. 

【2】Kircher M, Elke G, Stender B, Hernandez Mesa M, Schuderer F, Dossel O, Fuld MK, Halaweish AF, Hoffman EA, Weiler N, Frerichs I. Regional Lung Perfusion Analysis in Experimental ARDS by Electrical Impedance and Computed Tomography. IEEE Trans Med Imaging. 2021 Jan;40(1):251-261.

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关键词:
PEEP,新技术,顺应性,俯卧位,断层,电阻,机械,通气

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