机械通气下采用EIT 与CT 滴定最佳呼气末正压的对比研究

周嘉渝，曲志华，代 萌

（1.空军军医大学基础医学院，西安 710032；2.深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司医学影像事业部，广东深圳 518132；3.空军军医大学军事生物医学工程学系，西安 710032）

0 引言

机械通气是急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）等严重呼吸衰竭患者的主要呼吸支持手段，其使用呼吸机使气道口与肺泡间产生压力差来支持呼吸功能不全的患者的呼吸，即将自主呼吸运动以机械装置来代替、控制或改变。在使用机械通气时，为了避免肺泡随着呼吸运动反复张开/闭合而导致进一步的肺损伤，呼吸机需要在患者呼气末时给予气道内适当的正压来保持肺泡膨胀打开，该正压即为呼气末正压（positive end-expiratory pressure，PEEP）[1]。临床上，对于如何设置合理的PEEP 值一直是一个难题：PEEP 值的设置过低可能会使得曾经塌陷（collapse，CL）但已张开的肺泡在呼气末时再次塌陷，丧失通气功能；过高的PEEP 值又可能会使一些正常的肺泡过度膨胀（over-distension，OD），导致肺泡破裂引发气胸等更加严重的肺损伤[2]。因此，合理的PEEP 值应使CL 和OD 区域同时达到较小的范围。

现有评估肺CL 和OD 区域的理想方法是对胸部CT 的计算分析，根据不同的CT 值来获得肺CL 区域或OD 区域[3]。但显而易见的是，CT 因设备庞大、辐射暴露等问题，不适合作为一种床旁快速评估肺CL 和OD 区域的常规方法，因此，不适合作为机械通气PEEP 滴定方法，但其计算肺CL 和OD 区域的准确性较高。

电阻抗断层成像（electrical impedance tomography，EIT）通过向人体胸腔注入安全电流，并采集相应的电压信息，然后利用相应的重建算法计算获得能够反映胸腔内部由呼吸引起的电阻抗变化分布图。由于EIT 无创无辐射、实时床旁动态成像等特点，其非常适用于在床旁监测机械通气的患者[4-6]。目前已有不少研究探索利用EIT 来滴定PEEP 的方法，其中基于呼吸阻抗顺应性的方法应用最为普遍[7]。但通过EIT 计算获得的肺CL 和OD 区域，以及由此滴定的PEEP 值，是否与CT 获得结果相同或存在明显差异，仍鲜有报道。基于此，本文以小猪为实验对象，重点研究由EIT获得的肺CL 和OD 区域占比以及由此滴定的最佳PEEP 值是否与CT 获得的结果存在差异，以此证实EIT 是否是一种可靠且无创的床旁PEEP 滴定工具。

1 材料与方法

1.1 实验材料与测量方法

本实验由空军军医大学动物实验伦理委员会批准。

动物选择：7 只德国家养健康幼猪，其体质量范围为60～70 kg，胸围范围（腋下）为70～110 cm，年龄范围为5～7 个月。

实验器材：呼吸机（Evita V600，Dräger，Lübeck，德国），CT 扫描仪（SOMATOM Definition AS，Berlin，德国），EIT 数据采集设备（PulmoVista 500，Dräger，Lübeck，德国），气管导管等。

实验试剂：麻醉剂，生理盐水。

实验前准备：（1）实验开始前8 h 小猪禁止进食、饮水；（2）麻醉小猪；（3）在小猪前肢腋下10 cm 范围内备皮；（4）在小猪胸骨剑突上方5 cm 处，绑定EIT数据采集设备配套的S 尺寸电极带，于腹部放置参考电极；（5）经小猪口部行气管插管术；（6）接呼吸机，采用容量控制模式，潮气量为8 mL/kg，呼吸频率为25 次/min，PEEP 为0 cmH2O（1 cmH2O=98.06 Pa），吸入氧气体积分数（FiO2）为40%。

ARDS 造模：（1）设置呼吸机参数：潮气量为6 mL/kg，PEEP 为4 cmH2O，其余保持不变；（2）断开呼吸机管道，将37 ℃生理盐水通过气管导管注入小猪肺中灌洗（30 mL/kg），按摩胸部10 s 后吸出，然后重新接呼吸机，每10 min 进行1 次。当氧合指数[pa（O2）/FiO2]小于150 达到30 min 以上即认为造模完成[8]。

数据采集：保持呼吸机其他参数不变，在PEEP由20 cmH2O 逐渐下降到0 cmH2O 时（每次调整2 cmH2O），保持通气2 min，同时每秒采集40 帧的EIT 数据。然后记录平台压，得到呼气末与吸气末的CT 图像。

1.2 基于CT 分割评估CL 和OD 区域及PEEP 滴定方法

本文通过对采集的CT 数据进行处理，分割出肺区感兴趣区（region of interest，ROI），再使用双阈值计算得到不同PEEP 下肺OD 区域与CL 区域，并定量评估其占比（%）情况；选取OD 区域与CL 区域同时达到最小的PEEP 值作为最佳PEEP 值。

具体而言，首先选取包含整个肺脏的CT 断层图像作为评估CL 和OD 区域的数据来源，将所有像素点的值与1 024 相减使像素值能够与CT 值相对应；使用伪彩色条显示所选CT 断层图像从而将可辨识度提高，并将窗宽修改为-1 000～200 HU（OD肺组织和CL 肺组织的CT 值范围）。其次，通过手动勾勒出肺区ROI。得到肺区ROI 后，设定2 个阈值θ1、θ2（-1 000 HU<θ1<θ2<200 HU），将肺区ROI 内的像素分割为RCL、RNM和ROD3 个部分，即

式中，RLung，ROI为肺区ROI 内的所有像素点，包含CL肺组织像素点RCL、正常肺组织像素点RNM和OD 肺组织像素点ROD。本文利用最大间类方差法与概率相结合的思路[9]，得到双阈值分割图像的方法：对于灰度值范围为0～m-1 的图像，采用θ1、θ2将图像分为C0={0～t1}、C1={t1+1～t2} 和C2={t2+1～m-1}3 个组（t1和t2分别指不同的分割阈值）。3 个组的概率为ω0、ω1和ω2，均值为μ0、μ1和μ2，则两两组合得到共同概率为

两两组合均值为

式中，pi表示灰度值i 的概率。同理可得

则3 组的间类方差为

σ2（θ1，θ2）取最大值时的θ1*和θ2*即为最佳阈值。

本文实验中得到PEEP 为20 cmH2O 时，肺OD区域比例最大，PEEP 为0 cmH2O 时肺CL 区域比例最大，故选取这2 个PEEP 值下图像中的θ1*和θ2*作为区分OD 区域像素、正常肺像素、CL 区域像素的阈值。实验中将得到的阈值取均值（θ1*=-840 HU，θ2*=-184 HU）作为划分的统一阈值，＜-840 HU 的像素为OD 区域，＞-184 HU 的像素为CL 区域。选择使得肺OD 区域和CL 区域同时最小的PEEP 值为最佳PEEP 值，记为PEEPCT。

1.3 基于EIT 呼吸阻抗顺应性评估CL 和OD 区域及PEEP 滴定方法

本文首先通过分析多个PEEP 下采集的EIT 数据，然后对EIT 数据预处理计算出肺区ROI，最后使用相应的方法处理ROI 内的像素点来评估CL 区域和OD 区域占整个肺区的比值。

首先，计算肺区ROI。本文使用基于线性回归功能电阻抗成像（functional electrical impedance tomography，fEIT）的肺区ROI 计算方法。线性回归fEIT 图像中的像素值反映了每个像素点阻抗变化与总体阻抗变化之间的相关程度，其关系由以下线性回归方程得出：

式中，Δzi（t）为原始数据中第i 个像素点相对阻抗变化值；α、β 为回归系数；e 为拟合误差；取斜率α 为fEIT 图像的像素值。以fEIT 图像中最大像素值的20%作为阈值，大于阈值的像素点为肺区ROI。

其次，基于呼吸阻抗顺应性法计算CL 区域和OD区域占整个肺区的比值，并选择使得CL 和OD 区域的面积同时最小的PEEP 值作为最佳PEEP 值。传统的肺顺应性是指单位压力改变时肺容积的变化速率，即

式中，C 代表顺应性，单位为mL/cmH2O；V 代表潮气量；pplat为平台压，即为吸气后屏气时的压力；pPEEP为呼吸末正压。由于EIT 阻抗和肺容积高度线性相关，因此对于EIT 图像而言，像素点的阻抗顺应性表示为

式中，Δzi表示潮气图中像素点i 的像素值。肺区ROI内每个像素点对应每个PEEP 值下具有唯一的阻抗顺应性。由公式（9）得到每个像素点对应各PEEP 值下的阻抗顺应性后，可得各像素点的顺应性-PEEP变化曲线，如图1 所示。

图1 EIT 肺通气阻抗图与不同像素点的阻抗顺应性-PEEP 变化曲线

将每个像素点对应的阻抗顺应性最大的点处的值称为该点的最佳顺应性，记为C0i，此时的PEEP值记为pPEEP0i。根据最佳顺应性和其对应的PEEP 值来定义每个像素点的CL 或OD 程度：

式中，PCL和POD分别代表肺区ROI 内的CL 区域和OD 区域占比。选择使肺CL 区域和OD 区域同时最小的PEEP 值为最佳PEEP 值，记为PEEPEIT。

1.4 统计学分析

由于本文中小猪的样本量较少而无法验证数据的正态性与方差齐性，故采用两样本Wilcoxon 秩和检验（SPSS 26.0，IBM Corp.，Armonk，NY，美国）来评估由CT 计算CL 和OD 区域占比所获得的最佳PEEP 值与由EIT 计算CL 和OD 区域占比所获得的最佳PEEP值差异是否有统计学意义（统计显著性设为P<0.05）。

2 CT 结果和EIT 结果对比分析

2.1 基于CT 分割获得的CL 和OD 区域结果

图2 展示了不同PEEP 水平下基于CT 分割获得的相应的CL 和OD 区域。图2 第一行展示了不同PEEP 水平下的原始CT 图，可以看到，随着PEEP 水平的降低，小猪背侧的肺泡逐渐塌陷。PEEP 水平降低到4 cmH2O 时，背侧的高密度影更明显，表明大面积肺泡塌陷，证明ARDS 造模成功。图2 第二行展示了不同PEEP 水平下肺区ROI 的分割结果。获得CT 图像中肺区的ROI 后，可进一步分析CL 和OD 区域及其占比。图2 第三行展示了不同PEEP 水平下CT 图像中肺区CL 和OD 的区域，其中腹侧标注深蓝色的区域为肺OD 区域，背侧标注为橙色的区域为肺CL肺区域。从图中可以看出，由于肺大血管与CL 区域的CT 值接近，图中在高PEEP 水平下肺大血管区域也标记为橙色圆形区域。但在计算CL 和OD 区域比例时，为保证结果的准确性，本文手动勾勒排除肺大血管区域。由图2 可知，根据CT 图中肺区的CL 和OD 区域，可确定最佳PEEP 值；当CL 和OD 区域的面积同时较小时（CL 和OD 区域的面积值的交叉点对应的PEEP值），相应的PEEP 值判定为最佳PEEPCT值。

图2 不同PEEP 水平下基于CT 分割获得的CL 和OD 区域

2.2 基于EIT 呼吸阻抗顺应性获得的CL 和OD 区域结果

图3 展示了不同PEEP 水平下基于EIT 呼吸阻抗顺应性获得的相应的CL和OD 区域。图3 第一行给出了在不同PEEP 水平下EIT 采集的潮气量图。蓝白色区域代表由于空气进入肺脏而产生的肺区阻抗升高。由图3 可知，随着PEEP水平的升高，小猪潮气量变化更加靠近背侧，而腹侧由于OD 的肺泡越来越多，无法进行正常潮气通气。图3 第二行展示了肺阻抗的顺应性分布图，红色和蓝色均表示相应的肺区顺应性降低，红色代表由于PEEP 压力过高肺泡过度膨胀引起顺应性降低，蓝色代表由于PEEP 压力过低塌陷引起顺应性降低。而最佳PEEP 值的选择和CT 类似，不同PEEP 水平下CL 的面积值与OD 的面积值的交叉点对应的PEEP 值确定为最佳PEEPEIT值。

图3 不同PEEP 水平下基于EIT 呼吸阻抗顺应性获得的CL 和OD区域

2.3 CT 与EIT 结果的对比

如图4 所示，基于CT 的CL 和OD 区域得出的最佳PEEPCT值为（6±2）cmH2O，而基于EIT 的CL 和OD 区域得出的最佳PEEPEIT值为（8±2）cmH2O。采用两样本Wilcoxon 秩和检验得与P=0.09＞0.05，即2 种方法得到的最佳PEEP 值无统计学差异。由此可得，EIT 技术作为一种无创无辐射的床旁肺通气监测手段，其滴定的PEEP 值与由CT 获得的PEEP 值差异无统计学意义。

图4 EIT 和CT 滴定的PEEP 值对比

3 讨论

本文以小猪为实验对象，研究比较了基于CT 计算肺区CL 和OD 区域滴定的PEEP 值与基于EIT计算肺区CL 和OD 区域滴定的PEEP 值之间的差异性。结果表明，2 种方法获得的PEEP 值差异无统计学意义，初步证明了EIT 技术是一种结果与CT 接近，但无创无辐射、可床旁开展的PEEP 滴定方法。

从实验结果来看，EIT 观察得到的CL 和OD 肺区与CT 观察结果类似，CL 区域占比随PEEP 减小而增高，OD 区域占比随PEEP 减小而降低。这种现象与实际的ARDS 病理、生理也基本符合：当PEEP较低时，背侧肺泡受重力挤压影响本身易塌陷，特别是在盐水灌洗后，肺泡失去表面活性物质更易塌陷；从CT 图像中可以观察到背侧肺泡呈高密度影，表面大量肺泡组织塌陷，失去通气功能。同时，由EIT图像得到的肺CL 区域也表明，背侧肺区域的顺应性明显降低。当PEEP 较高时，虽然背侧肺泡被压力撑开而恢复通气功能，但从CT 图像上观察到，腹侧肺泡随着PEEP 的升高而产生过度膨胀；EIT 结果也表明在高PEEP 下腹侧肺区域产生塌陷。由此可见，2种手段都从不同的角度评估了不同PEEP 水平下ARDS 的肺状态，得到的最佳PEEP 值基本接近。

两者得到的结果也存在一定差异，可能的原因在于：CT 以X 射线作为成像介质呈直线传播，反映的是不同物质对X 射线的吸收程度，属于硬场成像；EIT 以电流为成像介质，电流在生物体内沿阻抗较小的方向呈曲线传播，反映的是不同物质的阻抗特性，属于软场成像。因此，两者反映的生物物理量不同，可能导致最后以此为计算基础的临床指标呈现一定差异性。另外，在评估肺区ROI 内CL 和OD区域占比时，CT 和EIT 的计算方法不同：对CT 图像通过阈值分割来划分OD、CL 或正常状态；对EIT 图像通过求肺区ROI 内像素阻抗顺应性的加权求和来计算划分。不同的方法可能导致结果的差异性。

本文首次针对PEEP 滴定比较了EIT 与CT 的差异性，而采用其他医学检查手段对比EIT 下PEEP滴定结果的研究未见报道。前期EIT 与CT 的对照研究已证明EIT 作为床旁监测手段的有效性，如Reinartz等[10]通过双源CT 对照了EIT 下小猪的肺通气分布状况，证明了这种手段具有较高的相似性；Meier 等[11]通过CT 证明了EIT 是一种可在床旁监测肺复张和去复张现象的有效工具。所以，通过前人研究结果，结合本研究，可以证明，EIT 在重症医学中是一种重要的床旁肺通气评估手段。

本文研究也存在一定的局限性。首先，基于EIT的CL 和OD 评估方法使用单一值代表平台压pplat来进行所有的计算，并且要求在确定最佳PEEP 值的过程中肺顺应性保持恒定。但事实上重力会影响肺顺应性，使其在竖直方向上存在差异；且如有钟摆呼吸的情况下，即使在呼气末屏气阶段肺内压力也不均一[12]。其次，本研究的样本量较少，在今后的研究中将继续增加小猪的样本量，但初步的结果已展现了EIT 在机械通气中滴定PEEP 的规律与价值。

4 结语

本文以小猪为实验对象，比较了基于CT 分割得到的CL 和OD 区域及其滴定的PEEP 值与基于EIT呼吸阻抗顺应性得到的CL 和OD 区域及其滴定的PEEP 值两者之间的差异性。结果表明EIT 得到的最佳PEEP 值与CT 得到的最佳PEEP 值差异无统计学意义，初步证明了EIT 技术是一种可靠且无创无辐射的、可床旁开展的、有效的PEEP 值滴定方法。在进一步积累实验样本量，并优化计算方法后，EIT 可早日开展临床PEEP 滴定的实验研究。