肺部电阻抗成像技术评估持续性+3 Gz暴露对肺功能的影响

杨 琳，李宝辉，高志君，杨明浩，王 航，金 朝，代 静，王 红，刘 洋，卫晓阳，王春晨，秦义隆，郑媛憬，曹新生

(1空军军医大学航空航天医学系航空航天人机工效学教研室，陕西 西安 710032；2空军特色医学中心加速度生理研究室，北京 100142)

生理学研究表明，呼吸系统的生理过程及其力学特性与重力具有密切的关系，人体肺通气同样受到重力的影响[1]。军用战机在进行高机动飞行时，飞行员经常暴露于远大于正常重力的高过载中，而持续性+Gz暴露，呼吸系统受到的实际重力远大于正常重力条件，故呼吸生理功能会发生明显的变化，甚至引发严重的功能障碍[2]，例如，发生于高性能战斗机飞行员的加速度肺不张[3]。高过载对人体呼吸功能的影响一直是航空医学研究领域的热点，已有研究对比加速度暴露前后的肺功能，发现加速度暴露后，肺活量降低20%～28%、膈肌升高、肺顺应性和功能残气量明显减少[4-7]。但是，由于肺功能检查设备(肺功能仪、CT、MRI和SPECT等)体积大、需要特定呼吸动作等实际原因，尚未有研究探索在高过载暴露期间，人体肺通气的实时动态变化，而深入理解高过载期间的肺通气功能对预防发生加速度性肺通气功能障碍具有重要的意义。

肺部电阻抗成像(electrical impedance tomography， EIT)技术是一种无创无辐射的可视化医学成像技术，其通过在人体肺部体表贴放体表电极，向人体肺部注入安全电流，并测量体表电压，最后依据图像重构算法计算人体肺部的气体分布[8-9]。而且，EIT还具有操作简便、设备便携、高时间分辨率等特点，已经被广泛应用于临床动态监测与实时评估区域性肺通气功能[10-11]。基于肺部EIT技术的独特优势，本文对比分析了人体暴露于+1 Gz和+3 Gz期间的区域性肺通气功能，包括肺通气、肺容积以及肺动态变化特性，以期为深入理解高过载对人体呼吸生理功能的影响提供客观依据。

1 对象与方法

1.1 对象

本研究纳入8名健康青年男性作为被试，年龄为(20.6±0.8)岁，无吸烟史和手术史，前期已经接受过系统抗荷耐力体能锻炼。所有被试在试验开始前知悉试验内容并签署了知情同意书。该研究通过空军军医大学伦理委员会审查(许可证号：KY20224101-1)。

1.2 方法

1.2.1 实验前准备 采用空军特色医学中心载人离心机(奥地利AMST公司)模拟产生高过载暴露环境。首先，所有被试在开展离心机实验前，测量血压和心电，确保生理功能正常。其次，将肺部EIT成像仪[VenTOM-100，点奇生物医疗科技(北京)有限公司]的束缚带佩戴于被试第4～5肋间，并连通软硬件，确保数据采集正常。肺部EIT成像仪采用蓝牙方式传输数据，采集设备体积为12 cm×8 cm×3 cm，电极数为16，采集帧率为20 Hz，激励电流为700 μA。为了防止高载荷引起电极与皮肤之间发生位移，采用定制的心电电极式束缚带，心电电极[2223CN，明尼苏达矿业制造医用器材(上海)有限公司]可扣于束缚带上。并且，在束缚带佩戴完成后，采用自粘性绷带(McDavid-4575，Bellwood，美国)包裹束缚带，进一步使得电极与皮肤之间保持稳定(图1)。

之后，给被试佩戴耳脉搏和心电电极，以实时监测被试在整个实验过程中的心电和脑供血状态，判断+Gz耐力终点是否来临。最后被试进入载人离心机座舱，在整个实验过程中保持坐位状态。

图1 被试在佩戴心电电极式EIT束缚带后，采用自粘性绷带包裹束缚带

1.2.2 数据采集 被试进入座舱、所有生理监测设备和载人离心机准备完成后，被试在+1 Gz条件下保持平静呼吸30 s，继而进入基线加速度+1.4 Gz状态，持续10 s，然后采用快增长率方式(增长率+1 Gz/s)，将被试暴露于+3 Gz，持续10 s，最后以-1 Gz/s增长率下降回到+1 Gz，并在此状态下持续30 s。整个实验过程中，连续监测被试的胸部电阻抗数据。

1.2.3 肺部EIT图像重构 基于Matlab R2015b，采用EIDORS 2.8平台完成肺部EIT图像重构，重构方法采用GREIT算法[12]。基于真实成年男性CT图像构建有限元模型，然后计算重构矩阵。重构的EIT图像由32×32像素组成，噪声系数为默认值0.5。为了比较高载荷条件下和正常重力条件下的肺通气功能，选择正常重力下呼气末时刻作为参考帧，重构整个实验期间的肺部EIT图像，即

It=R·(dt-dref)

其中，dt为t时刻采集的肺部EIT数据，dref为正常重力下呼气末时刻的EIT数据，It为t时刻的肺部EIT图像，R为图像重构矩阵。

A：EIT潮气图；B：肺通气区域。

肺容积EIT图描述了+3 Gz期间的呼吸末肺容积相较于+1 Gz期间的呼吸末肺容积的相对变化，表征了肺区的呼气末肺容积变化分布，进一步对比分析所有被试在+1 Gz和+3 Gz期间的呼气末肺容积，即

肺排空EIT图描述了呼吸阶段肺局部区域的气体变化与肺整体的气体变化之间的关系，表征了呼气阶段的局部气体变化特性，具体计算如下：采用二次多项式函数(y=ax2+bx+c)拟合呼气阶段EIT图像中各像素值变化与肺整体值(所有像素之和)变化，其中，二次项系数a>0表示在呼气阶段早期，该区域肺排空快，a<0反之。考虑到高载荷可能影响膈肌和呼吸肌的功能，本研究将肺通气区域分为腹侧和背侧(图2A)，分别对比腹背侧呼气阶段的二项式系数。针对每个被试，将+1 Gz和+3 Gz期间5个呼吸周期计算出的肺功能参数的均值作为该被试的肺功能参数最终值。

1.2.5 统计学分析 基于SPSS 22.0软件完成数据统计。采用配对t检验对比+1 Gz和+3 Gz期间的三种功能EIT图像参数。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 区域性肺通气特性

图3为第一位被试在整个实验过程期间的胸部电阻抗变化。图4为+1 Gz和+3 Gz期间的区域性肺通气特性结果。从结果可以看出，+3 Gz期间的肺通气面积较+1 Gz明显减小(P<0.05)，平均减小12.4%；同样，+3 Gz期间的潮气量也明显小于+1 Gz(P<0.05)，平均减小31.9%；通气减少主要发生于腹侧区域，背侧区域减少不明显。但是，+3 Gz期间的呼吸频率明显高于+1 Gz(P<0.01)。

图3 EIT数据采集过程

2.2 区域性肺容积变化特性

从+1 Gz和+3 Gz期间的区域性肺通气特性结果可以看出，+3Gz期间呼气末肺容积明显增多(P<0.05)，增多的气体容积位于整个肺区，无呼吸末肺容积减少区域(图5)。

2.3 区域性肺排空特性

在+1 Gz期间，腹背侧气体排空略有不同(图6A)，但由于二次项系数都很小(小于0.07，图6B)，所以腹背侧气体排空是同步的；在+3 Gz期间，腹背侧气体排空差异很大，腹侧气体排空的二次项系数为-0.327 1，而背侧气体排空的二次项系数为0.517 4，说明腹侧气体排空在初始阶段快，之后排空速度减慢，而背侧气体排空特性反之。另外，+1 Gz和+3 Gz期间腹侧和背侧气体排空的二次项系数存在明显差异(P<0.01，图6C)，说明高载荷改变了肺排空特性。

图4 +1 Gz和+3 Gz期间的区域性肺通气特性(aP<0.05， bP<0.01)

图5 +1 Gz和+3 Gz期间的区域性肺容积变化特性

A：第一位被试在+1 Gz(上图)和+3 Gz(下图)期间肺排空速度，蓝色区域表示在呼气的开始阶段肺排空速度快，然后排空速度降低，黄色区域反之；B：第一位被试在+1 Gz(上图)和+3 Gz(下图)期间腹侧和背侧肺排空的二次拟合曲线；C：所有被试在+1 Gz和+3 Gz期间背侧(上图)和腹侧(下图)肺排空的二次拟合曲线的二次项系数对比。 bP<0.01。

3 讨论

高机动飞行是现代战斗机的重要特点，而由其引发的高载荷如何影响人体呼吸系统一直是航空医学研究关注的重点话题。基于肺部EIT技术的可视化成像特点，本文首次分析了人体暴露于+1 Gz和+3 Gz期间的区域性肺功能特性，包括肺通气、肺容积以及肺排空，以期深入阐释高载荷期间的呼吸生理状态。

在肺通气方面，当加速度基线(+1.4 Gz)来临时，肺潮气量减少，而且随着+3 Gz加速度到来，肺潮气量进一步减少，明显少于正常重力环境下的肺潮气量。这种现象可能与呼吸力学相关，在+Gz暴露时，膈肌由于受到更大的机械力作用，使其被重力向腹部方向牵拉，上下活动受限；为了完成呼吸动作，膈肌需对抗比+1 Gz条件下更大的阻力，所以，整体上，潮气量幅度变小。在通气量减小条件下，人体通过加快呼吸频率保证良好的气体交换，故呼吸频率明显升高。另外，从+1 Gz与+3 Gz期间的潮气图差异可以看出，相较于+1 Gz，+3 Gz期间的肺通气减少主要位于腹侧(图4A)，此结果可能与被试在高过载期间的坐姿状态有关，通过回看视频记录发现，在+3 Gz期间，被试均出现不同程度身体前倾和含胸，而含胸会限制胸腹侧呼吸肌的收缩幅度，从而减小腹侧的通气量，即整个肺通气区域也相应减少(图4B)。

在肺容积方面，相较于+1 Gz，在基线加速度(+1.4 Gz)期间，呼气末肺容积出现增加，在+3 Gz暴露条件下，呼气末肺容积进一步增加。这种现象可能与膈肌的运动状态相关，由于加速度作用，使得膈肌下降，导致胸腔内压力减小，胸腔体积增大，所以肺容积变大，随着加速度暴露G值的不断增大，膈肌下降的幅度也逐渐增加，使得肺容积也相应不断增加。由于腹背侧膈肌同时下降，所以腹背侧肺容积均增加。

在肺排空方面，+1 Gz期间的腹背侧气体排空特性相同，与整体肺气体排空完全一致；在+3 Gz期间，腹侧气体排空在呼气初始阶段快，之后排空速度减慢，而背侧气体排空在呼气初始阶段较慢，之后排空速度加快。此结果与呼吸肌状态相关，在+1 Gz期间，腹背侧呼吸肌保持正常呼吸状态，故腹背侧的胸内压相同，排空速度相同；但是在+3 Gz暴露期间，身体前倾和含胸会使得胸腹侧呼吸肌和肺部组织受到挤压，所以在呼气初始阶段，腹侧气体排空速度快于背侧。

本研究从可视化肺通气角度对比分析了+1 Gz和+3 Gz期间的肺通气、肺容积以及肺排空特性，发现高载荷暴露会明显影响人体的呼吸生理功能。本研究还存在以下的缺点：第一，本研究仅涉及+3 Gz的加速度暴露，尚未开展更高载荷下的肺部EIT测量，而现代战斗机的载荷可达+9 Gz，未来将探索更高载荷对人体肺部生理产生的影响；第二，本研究仅开展了肺部EIT测量，未来将结合血氧等其他生理参数，进一步深入探讨高载荷条件下人体肺部的生理功能状态，如气道闭塞程度和肺泡塌陷；第三，本研究仅使用了一个环形电极开展肺部EIT测量，成像结果主要反映电极层面的肺通气状况，未来将应用新一代采用多层电极的EIT技术，开展3D肺部EIT成像[14]，以更加精准地对肺通气进行可视化成像。

综上所述，本文基于可视化的肺部EIT技术，从肺通气、肺容积以及肺排空角度全面评估了+1 Gz和+3 Gz条件下的人体呼吸状态，证实了高载荷对人体肺通气功能会产生明显影响，未来将结合其他生理参数，进一步探索更高载荷对人体肺部生理功能的影响，以期为深入理解高载荷肺生理提供客观评估手段，为制定个体化航空医学防护装备奠定基础。