EIT在呼吸系统疾病中的应用进展

王晓玉，周伊南，赵婷，李向阳

复旦大学附属华东医院 呼吸与危重症学科，上海 200040

引言

电阻抗断层成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）是近几年发展起来的一门新兴成像技术，具有无创性、无辐射性、灵活性、低成本、操作简单等突出优势。目前EIT的临床应用研究包括肺功能、胃排空、大脑功能、乳房成像等方面[1-3]，其中肺功能成像为最主要的应用领域，涉及肺通气成像、肺灌注成像、肺血栓栓塞、人工机械通气等方面[4-6]。

现阶段，临床医生在呼吸系统疾病诊疗的过程中面临以下主要问题：首先，胸部X线、CT等具有辐射剂量的检查在疾病诊疗中的应用次数受到了限制，因此，反复的X线及CT检查既增加了患者受辐射的剂量，也不利于医患交流与沟通；其次，临床医生在面对行动不便、危重症等无法外出配合检查的患者，无法适时地评估患者病情，更甚者影响患者的预后。目前，随着EIT的应用与发展，能够有效解决上述出现的两大问题，不仅便于得到公众的认可，还能辅助临床医生对疾病病情实时作出准确的评估，提高临床医生的工作效率以及提高医疗水平。

1 EIT肺功能成像基本原理

EIT将一条含16个电极的电极缚带缠缚到胸壁上，多置于第4或第5肋间[7]，并将另一端的参比电极连接到身体中央部位。参比电极可确保所有不同电极对的阻抗测量均参照相同的电位，根据恒定电流和测得的电压判定通电电极和测量电极对之间的生物电阻抗。通电和测量电极对的位置会依次轮换围绕整个胸前持续进行，轮换一圈后的测量结果为一帧，通过一定的重构算法即可得到相应的人体胸廓电阻抗成像图像，该图像不但包含了解剖学结构性信息，更重要的是可以给出与人体病理和生理状态相对应的功能性图像结果[6]。值得注意的是，EIT在电极模式应用方面尚无统一标准。1983年Barber等[8]研制出了Sheffield Mark I原理样机系统，该系统在人体表面一圈采用16个等距的电极方式进行数据采集，这种采集方式被大多数EIT系统采用，成为研究人员进行肺功能成像的主要电极选择模式[9]。

在临床应用中，我们通常将EIT图像由腹侧到背侧分为等距的4个“感兴趣区”（Region of Interest，ROI），其中ROI 1区与ROI 2区代表腹侧区，也称为非重力依赖区；ROI 3区和ROI 4区代表背侧区，也称为重力依赖区。我们在监护仪上可以看到ROI 1～4区的潮气比例，可比较肺部不同区域通气分布情况。

2 EIT在呼吸系统疾病中的临床应用

2.1 急性呼吸窘迫综合征

急性呼吸窘迫综合征（Acute Respiratory Distress Syndrome，ARDS）是一种肺部急性炎症损伤疾病，同时伴随着肺泡塌陷，肺顺应性降低、肺容积减少、严重通气血流比例失调等病理生理变化。近几年，重症监护病房中10%的患者以及23%接受机械通气患者都存在ARDS，而且ARDS的死亡率可达40%[10]。目前，呼吸支持仍是唯一有效的治疗方法[11]，其中呼气末正压（Positive End Expiratory Pressure，PEEP）在机械通气治疗中占据着重要的地位。从理论上讲，PEEP的设置应以氧合水平、压力-容积曲线、平台压、驱动压、胸肺顺应性等为基础，但是这些检查方法都不能满足对肺部功能变化动态性监测的要求，而EIT作为一种无创、无辐射的技术，可以对肺部进行单独、实时的床边成像[1]，弥补了传统成像方式的不足，逐渐应用于ARDS患者。

现阶段，许多研究提出了基于EIT来优化PEEP滴定的方法[6]，临床上常利用肺动态顺应性指导最佳PEEP值的设定。在一项动物试验[12]中，验证了在ARDS小猪模型PEEP滴定过程中，得出EIT的全局非均匀性指标（Global Inhomogeneity Index，GI）与肺动态顺应性两项肺全局参数指导最佳PEEP值设定的结果基本一致，GI可以从肺均匀性方面为临床医生判断肺部情况提供实时帮助。在Zhao等[13]研究中，将EIT引导PEEP滴定法应用于24名重症ARDS患者，与压力-容积曲线法进行临床疗效比较，EIT引导的PEEP滴定与较低的驱动压力、较高的呼吸系统顺应性、较高但不显著的住院存活率和脱机成功率相关，表明了在重症ARDS患者中，EIT指导床旁PEEP滴定是具有可行性和安全性的。因此，EIT逐渐成为监测和调节机械通气患者的重要管理设备[14]，但EIT在通气监测方面的临床应用并未得到大量推广，要实现常规的临床应用，仍需要更多临床试验的支持。

2.2 肺栓塞

肺栓塞（Pulmonary Embolism，PE）是一种常见的心血管疾病，由内源性或外源性栓子堵塞肺动脉或其分支引起的肺循环障碍。肺栓塞的诊断方法包括CT肺动脉血管造影（CT Pulmonary Angiogram，CTPA）、肺通气/灌注SPECT显像、多层螺旋CT等，其中CTPA为诊断肺栓塞的“金标准”，但上述这些检查方法患者都是需要接受放射剂量，在一定程度上对人体有不良的影响[15]。

EIT在诊断肺栓塞的过程中可以起到指导性作用。Kunst等[16]和Leathard等[17]的研究中，都表明EIT能够检测到肺灌注中断的区域，该区域肺通气是正常的，间接表明存在肺栓塞。2002年Frerichs等[18]以5.65%氯化钠作为对比剂，结果显示EIT在对比度稀释曲线峰值处获得的图像与小猪模型中缺陷肺和正常肺中CT得到的图像具有可比性。2011年Suarez-Sipmann等[19]使用20%氯化钠作为对比剂，然后通过一种血流动力学算法追踪这个对比剂来测量肺内的相对区域血流，结果显示这与SPECT测量的6头健康小猪和6头肺栓塞的小猪的肺灌注是高度相关的。Nguyen等[20]在前两者研究的基础上，用绵羊作为模型，以0.77 mL/kg 3%氯化钠与0.13 mL/kg 20%氯化钠为对比，显示前者优于后者。这些研究都是建立在动物试验的基础上，关于EIT检测人类肺栓塞试验还较少，有待进一步研究。

2.3 慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Diseases，COPDs），尤其是肺气肿型，其特征是肺泡壁和肺小血管同时丧失。目前，肺功能检测（Pulmonary Function Testing，PFT）是COPD的主要诊断方法，由于PFT不能实时监测肺部功能情况，尤其对于肺功能较差、昏迷等因素造成无法配合检查患者，其应用有一定的局限性。EIT经证实可以对阻塞性肺病患者肺部通气状态进行床旁评估[21]。在Karagiannidis等[22]研究中，确定了COPD和ARDS插管患者呼吸局部呼气时间常数，通过EIT有效地证明了重度慢性阻塞性肺疾病不同肺部区域排空不均匀性，而部分ARDS患者肺内排空较为均匀。在Zhao等[23]研究中，对25例阻塞性肺部疾病患者进行前瞻性研究，通过EIT测量患者吸入支气管扩张剂治疗前后局部呼气末流量（End Expiratory Flow，EEF），提示EIT可以检测到EEF在机械通气过程中的区域空气滞留效应，为监测疾病治疗过程提供诊断信息。现阶段，作为哮喘、慢性阻塞性肺病或细支气管炎等阻塞性肺部疾病的标志之一的气流限制逐渐在区域水平上得到监测[5]，未来的研究中EIT在慢性阻塞性肺疾病中的应用价值不容忽视，其是否优于PFT，仍有待确切地研究结果证实。

2.4 肺动脉高压

肺动脉高压（Pulmonary Artery Hypertension，PAH）是一种罕见的疾病，其定义为静息状态下右心导管检测肺动脉平均压≥25 mmHg[24]，理想状态下肺动脉压的检测应该是无创、无人监督、连续性的方式。目前多普勒超声心动图是唯一用于测量PAH的非侵入性方法，它既不受监督也不兼容连续监测，因为它依赖于专业人员进行测量[25]。在一项对21例PAH患者和30例健康对照者的研究中，EIT作用于患者与对照组相比，显示较低的灌注阻抗变化信号[26]，从而证明通过EIT测量PAH患者肺血管床的缩小成为可能，该研究表明EIT有可能作为一种非侵入性的急性PAH诊断技术。Proenca等[27]在3名健康男性受试者身上，通过追踪肺EIT信号的脉冲传输时间（Pulse Transit Time，PTT）变化来完成，但实际肺动脉瓣开放时间未知，难以无创估计，该研究用一个可接受的近似值作为替代定时参考，即使用心电图的R波峰值，因为有研究表明PTT与所谓的脉冲到达时间近似[28]。虽然上述两项研究在证明EIT监测PAH上未给予准确的证据，但为进一步研究EIT技术的改进和评估其对PAH发展的潜在诊断价值提供了合理的依据。

2.5 肺炎

肺炎是一种常见的感染性呼吸系统疾病，极易发展为重症肺炎，死亡率可达29%[29]。目前胸部平片、CT是诊断及评估肺炎病情改善情况的主要影像学检查手段。在临床上，由于危重症及活动不便等因素造成无法外出检查的患者，临床医生就无法根据胸部平片、CT适时对肺部病变情况作出正确的判断，而EIT作为一种实时、无辐射性地监测肺部通气分布状态的床旁工具恰好弥补了这一不足。Karsten等[30]在24例成人社区获得性肺炎患者研究中，发现EIT与胸部平片检测左右肺通气改善方面是相一致的，同时该研究指出EIT与白细胞计数、C反应蛋白、体温等相关指标无相关性。在Mazzoni等[31]对25名儿童社区获得性肺炎患者研究，发现在EIT与胸部平片检测左右肺通气均匀性分布方面有显著的一致性，这对于EIT监测肺炎随访期间的肺通气分布情况提供了一定的帮助。目前关于EIT监测肺炎病情改善方面的研究较少，随着技术的进步，EIT肺通气成像在临床中的应用具有广泛的前景，而肺炎有可能成为EIT通气成像方面的的主要研究热点。

3 讨论

与传统成像方式相比，CT、MRI，EIT具有较高的时间分辨率，对于肺内生理过程的区域性认识可以进行实时监测，动态掌握患者的病情变化；但EIT获得的是功能性图像，对于病灶大小、性质以及与周围组织关系的确定达不到CT、MRI的诊断程度。在肺通气检测方面，EIT与PFT相比，无需患者强迫呼气运动，它的使用或许将简化对婴儿、儿童和不合作的成人患者肺功能的检查，但无法像PFT一样精准的检测肺功能状态，例如肺活量、潮气容积、深吸气量等。在肺灌注检测方面，EIT与CTPA相比，以高渗性溶液为造影剂可以检测到肺灌注异常的位置，为诊断肺栓塞提供可能。有研究证实EIT在造影剂过敏、肾功能损害、妊娠肺栓塞患者中的应用是具有优势的[32]，但过量高渗溶液的使用易导致心力衰竭，且目前EIT应用于人体的试验较少，未来需要更多的技术支持。

4 研究与展望

EIT作为一门新兴医学成像技术，具有无创性、无辐射性、灵活性、低成本、操作简单等突出优势，但在临床应用中也存在一定的局限性，例如尚无统一的参考指标和操作规范、EIT数据分析的复杂性等。综合以上因素，EIT对呼吸系统疾病的检测仍然是一个挑战。对于临床医生来说，未来应该着重于在现有的实验成果的基础上，进行深入的临床应用研究，形成统一的共识，使患者更快地受益；对于研究人员来说，未来应着重于EIT测量及其参数的规范化制定，从而帮助临床医师更准确、全面地了解肺部功能性变化，为作出正确的诊疗方案提供参考，促进医疗水平的进一步提高。