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基于EIT技术监测体姿改变对肺通气影响的实验研究张超;吴佳铭;代萌;夏军营;付峰;尤富生【摘要】目的:利用电阻抗断层成像(electricalimpedancetomography,EIT技术监测和比较不同体姿下局部肺通气量和一秒率的改变情况.方法:选取课题组男性学生志愿者12名[年龄(26.6±2.5岁]为测试对象,采取坐姿、仰卧位和俯卧位3种体姿进行用力肺活量测试,同步进行EIT监测;分别对用力肺活量和一秒率的功能EIT图像中肺区域内的像素进行定量分析,求取局部肺通气占比和局部一秒率的均值.结果:腹侧和背侧的局部肺通气占比在坐姿时为37.65%:62.35%,仰卧位时为37.59%:62.41%,而俯卧位时为48.56%:51.44%(更接近1:1;仰卧位和俯卧位时重力依赖区的局部一秒率均值分别为0.84和0.81,坐姿时相应部位的均值分别为0.90和0.94.结论:EIT监测结果表明,俯卧位时通气向重力依赖区明显转移,但肺通气流速下降,为机械通气患者轮换采用俯卧位以改善氧合提供了直接证据,也为临床上开展EIT监测局部肺通气研究打下了基础.%ObjectiveTomonitorandcomparetheeffectsofbodypositionontheregionallungvolumeandFEV1/FVCwithelectricalimpedancetomography(EIT.MethodsTwelvehealthyyoungsubjects[(26.6±2.5yr]weredetectedbyEITduringFVCmaneuverin3bodypositions(sitting,supineandprone.FunctionalEITimagesofFVCandFEV1/FVCwereobtained;theproportionofregionalventilationvolumeandthemeanofregionalFEV1/FVCwerecalculated.ResultsTheventralanddorsalproportionofventilationvolumewas37.65%:62.35%insittingpositionand37.59%:62.41%insupineposition,respectively.Whileintheproneposition,thevaluewas48.56%:51.44%,whichwascloseto1:1.ThemeanofregionalFEV1/FVCin
thedependentlungregionwas0.84insupinepositionand0.81inproneposition,whileinsittingposition,thecorrespondingvaluewas0.90and0.94,respectively.ConclusionTheresultsshowsthattheventilationtransferstothegravitydependentregionobviously,whiletheflowratedecreases.Theresultprovidesdirectevidencesformechanicalventilationpatientsusingpronepositiontoimproveoxygenation,aswellasaresearchfoundationforEITmonitoringregionallungventilationintheclinicalsetting.【期刊名称】《医疗卫生装备》【年(卷,期】2018(039004【总页数】5页(P6-10【关键词】电阻抗断层成像;体姿;肺通气量;肺通气流速;用力肺活量;重力依赖【作者】张超;吴佳铭;代萌;夏军营;付峰;尤富生【作者单位】空军军医大学军事生物医学工程学系,西安710032;空军军医大学军事生物医学工程学系,西安710032;陆军军医大学士官学校,石家庄050081;空军军医大学军事生物医学工程学系,西安710032;空军军医大学军事生物医学工程学系,西安710032;空军军医大学军事生物医学工程学系,西安710032;空军军医大学军事生物医学工程学系,西安710032【正文语种】中文【中图分类】R318;Q-334;R445.70引言
电阻抗断层成像（electricalimpedancetomography，EIT）技术是一种动态、安全、无创的功能成像技术。它的基本测量原理是通过配置在胸部的体表电极阵列施加一定频率的安全电流，并测量体表电极的电压变化，从而重构出胸部断层内肺通气及灌注引起的阻抗分布图像[1]。目前该技术已进入临床研究阶段[2]。肺通气的EIT监测研究开展较早[3]，具有良好的应用前景，目前在临床研究中主要包括机械通气监测、肺灌注监测以及肺功能监测等几个方向[4]。肺功能检查（pulmonaryfunctiontesting，PFT）是呼吸系统疾病诊断、鉴别和疗效评估的重要内容，对于早期检查肺及气道病变、评估肺部疾病的严重程度及预后、评定药物或其他治疗方法的疗效、评估外科手术前风险等有重要的指导意义[5]。人在自然状态下发生体姿改变将导致肺重力依赖区的改变，从而影响肺整体和局部通气的分布[6]。EIT技术可无创实时地监测肺通气导致的相对阻抗变化（relativeimpedancechange），常记作rel.ΔZ，从而反映肺局部通气量的变化情况。因此，可以利用EIT技术研究体姿改变对肺通气的影响，实时监测肺内气体的再分布情况，为临床上采取何种体位通气做出指导。同时，对局部肺通气功能的监测也可为监测肺部疾病的发展和评价治疗效果提供依据。目前，国际上已有研究报道了不同体姿测试潮气量和用力肺活量（forcedvitalcapacity，FVC）时的EIT监测对比[7]。结果显示，EIT可以反映随姿势改变时左、右肺局部区域的通气改变情况。然而，该研究未使用EIT监测俯卧位通气时重力依赖区的局部肺通气改变，也未探讨姿势对局部肺通气流速的影响。为此，本课题组开展了坐姿、仰卧位和俯卧位3种体姿下的FVC测试，并利用EIT技术监测和探究肺重力依赖性对局部肺通气量和局部一秒率的影响，为临床上辅助医务人员选择有效的通气姿势及EIT监测机械通气的应用打下基础。1方法
1.1受试者选取课题组男性学生共12名志愿者为受试者，年龄（26.6±2.5）岁，身高（173.3±3.1）cm，体质量（70.5±5.2）kg，身体健康，无吸烟史，无心肺功能疾病。1.2实验材料及设备本实验采用的EIT系统是由空军军医大学肺部EIT研究小组研发的PEIT4系统。该系统为16电极系统，成像速率12帧/s，激励电流1mA，频率100kHz，测量精度优于1‰，EIT数据通过无线传输至上位机实时成像。测量时电极均匀置于胸部第5-6肋间隙平面位置[8]。胸部电极通过16电极导联线与系统相连接。肺功能测试采用的是日本捷斯特公司HI-101型肺功能测试仪。1.3实验流程向受试者说明实验方案及注意事项，进行信息登记。将导联线与电极相连，并从左腋下中线开始将16个电极顺时针依次均匀置于第5-6肋间隙。连接导联线和EIT设备，启动EIT上位机软件系统。受试者分别采用坐姿、仰卧位及俯卧位3种体姿进行FVC测试，调整姿势完毕5min后开始，同步进行EIT监测并收集数据，分别记录各体姿进行FVC测试时所对应的EIT开始及结束帧号，以备后续分析。EIT监测坐姿FVC测试如图1所示。图1EIT监测坐姿FVC测试图1.4EIT数据分析使用MatlabR2014a，基于EIDORSV3.9[9]对EIT数据进行图像重构和分析。分析方法如下：（1）识别出FVC测试的开始和结束时刻，分别对应最大肺总量位和残气位，将用力呼气结束帧作为参考帧。（2）基于圆柱体胸腔、真实边界肺部三维模型，使用格拉茨共识EIT重建算法
（GrazeconsensusreconstructionalgorithmforEIT，GREIT）[10]对用力呼气过程中各帧数据进行图像重构，获得128×128像素点的原始EIT图像序列；使用functionROI[11]肺边界区域界定方法得到肺通气区域，并选择最大像素值的25%作为阈值，以滤除由于姿势改变导致的边界干扰信息对成像结果的影响。（3）对照FVC测试结果，根据分析需求得到功能EIT（functionalEIT，fEIT）图像[7]。以用力呼气开始帧为成像帧，可得FVC的fEIT图像，图中所有像素的相对阻抗变化量之和能够反映整体肺通气量的改变。肺功能测试中，1s用力呼气容积（forcedexpiratoryvolumeinonesecond，FEV1）与FVC的比值（FEV1/FVC）即为一秒率，是最常用的判断气流受限的指标，能够反映肺通气流速的改变情况。因此，对用力呼气第1s时的数据成像，并依照公式（1）求得用力呼气第1s时的相对阻抗变化量占FVC相对阻抗变化量的比值，即可获得一秒率对应的fEIT图像，从而对肺局部区域的气流受限程度进行分析。其中，ΔZFEV1和ΔZFVC分别表示FEV1和FVC对应的EIT相对阻抗变化，ΔZFEV1/ΔZFVC表示一秒率的fEIT图像分别表示FVC和用力呼气第1s时的EIT图像在（x，y）处的像素值。（4）将FVC的fEIT图像划分为腹侧和背侧2个感兴趣区域（regionofinterest，ROI），依照公式（2）得到各ROI的相对阻抗变化与总体相对阻抗变化之比，来反映局部区域通气改变情况。腹、背侧通气占比之和为1。其中，ΔZROI/ΔZTotal表示感兴趣区域相对阻抗变化占总体相对阻抗变化的比值，分别表示ΔZFVC图中局部区域、总体区域中各像素点值。（5）对一秒率的fEIT图像各感兴趣区域的像素一秒率求平均值，即可得到反映平均气流受限程度的评价指标μ：
其中，num表示一秒率的fEIT图像内感兴趣区域像素点数量，表示图内各像素点的值。EIT数据处理流程如图2所示。图2EIT数据处理流程图1.5统计学分析采用SPSS20.0进行数据统计分析，应用Graph-PadPrism5绘图。考虑总体均数不等，需进行多个样本均数间的两两比较，使用LSD-t检验统计方法分别对所有受试者在坐姿、仰卧位和俯卧位时腹、背侧的相对阻抗改变占比和局部一秒率的均值进行统计分析，P<0.05认为具有统计学差异。2结果实验过程按照事先设计的方案开展实施，获得了受试者3种姿势进行FVC测试的EIT数据及肺功能数据。测量条件控制良好，受试者无一产生不良反应。2.1FVC及局部肺通气占比某一受试者坐姿时ΔZFVC图像和腹、背侧通气占比示意如图3所示。图3某一受试者坐姿时FVC测试时通气量改变图表1列举了12位受试者3种体姿时肺功能FVC值、整体和局部区域相对阻抗变化值rel.ΔZ以及局部区域占总体相对阻抗改变比值。从表1可以看出，相对于坐姿，仰卧位和俯卧位的FVC值均下降；仰卧位和俯卧位的整体rel.ΔZ相对于坐姿均下降；仰卧位的腹侧和背侧的rel.ΔZ相对于坐姿均下降；俯卧位时，腹侧rel.ΔZ升高，背侧rel.ΔZ下降。表1不同体姿肺功能FVC值和EIT局部区域相对阻抗改变结果背侧通气占比/%坐姿4.31±0.473.54±1.041.31±0.302.24±0.7637.65±3.9962.35±3.99仰卧位3.96±0.503.25±0.721.21±0.302.04±0.5637.59±6.9062.41±6.90俯卧位3.85±0.593.17±0.741.52±0.341.65±0.4848.56±6.7751.44±6.77体姿肺功
能FVC/L整体rel.ΔZ（×106）腹侧rel.ΔZ（×106）背侧rel.ΔZ（×106）腹侧通气占比/%图4为不同体姿肺局部区域通气占比的统计学分析结果。从腹、背侧通气量改变占比来看，坐姿和仰卧位之间无显著差异，坐姿和俯卧位有显著统计学差异，仰卧位和俯卧位有显著统计学差异。图4不同体姿腹、背侧肺局部区域通气占比注：***表示在0.001水平上具有统计学差异2.2一秒率及局部一秒率均值某一受试者的一秒率的fEIT图像以及肺各区域的一秒率均值如图5所示。图5某一受试者一秒率的fEIT图及肺各区域μ值表2列举了受试者在不同体姿时的肺功能一秒率FEV1/FVC，以及根据ΔZFEV1/ΔZFVC图像得到的腹侧和背侧μ值。从表2可以看出，坐姿、仰卧位和俯卧位的肺功能一秒率基本一致；仰卧位和俯卧位的局部区域一秒率均值相对于坐姿时皆下降。表2不同体姿肺功能一秒率及EIT局部区域一秒率均值对比%体姿肺功能FEV1/FVCEIT腹侧μEIT背侧μ坐姿86.77±5.9490.13±5.7393.62±2.93仰卧86.20±7.2084.95±4.9583.66±8.36俯卧86.85±6.9080.51±8.7389.14±4.71图6为坐姿、仰卧位和俯卧位时腹、背侧区域μ的统计学分析结果。从图6可以看出，仰卧位和俯卧位之间的腹、背侧μ值均无显著统计学差异；坐姿和仰卧位时的背侧μ值、坐姿和俯卧位时的腹侧μ值均有显著统计学差异。图6不同体姿腹、背侧μ值注：**表示在0.01水平上具有统计学差异，***表示在0.001水平上具有统计学差异3讨论（1）FVC。实验中，分别得到了不同体姿下整体和局部肺通气对应的相对阻抗改
变量，可以间接地反映姿势对肺通气量的影响。从肺功能FVC值来看，坐姿时FVC最大，仰卧位相对坐姿下降8.12%，俯卧位相对坐姿下降10.67%。从整体rel.ΔZ来看，坐姿时最大，仰卧位相对坐姿下降8.19%，俯卧位相对坐姿下降10.45%，与肺功能测量结果基本一致。从局部rel.ΔZ来看，仰卧位腹侧相对坐姿下降7.63%，仰卧位背侧相对坐姿下降8.92%，坐姿和仰卧位的腹、背侧通气占比无显著统计学差异；俯卧位腹侧相对坐姿升高16.03%，俯卧位背侧相对坐姿下降26.34%，俯卧位的腹、背侧通气占比发生了较大改变，比值接近1∶1，说明俯卧位肺通气分布更加均匀。值得注意的是，本文采用了几何上的剖分方法界定了腹侧和背侧区域，通过腹、背侧通气占比的改变反映重力依赖区改变肺通气的影响。但此界定方法并非对应生理意义上的肺腹侧和肺背侧，因此仅用于对不同姿势时肺通气情况的横向比较。通过比较可以看出，坐姿时肺功能FVC值和整体相对阻抗变化最大，且姿势改变时两者的变化呈线性关系。当人由坐姿向仰卧位转变时，腹、背侧通气占比大小基本一致，不再有更多的气体向背侧转移。体姿由仰卧位向俯卧位改变时，肺通气向重力依赖区发生转移，腹侧的通气占比升高。（2）一秒率。从表2和图6的结果可以看出，仰卧位和俯卧位相对于坐姿，腹、背侧的局部一秒率均值都呈现出下降趋势，并且在重力依赖区的下降趋势更明显，仰卧位时的背侧μ值最小，俯卧位时的腹侧μ值最小，具有显著的统计学差异。相对坐姿测试FVC，受试者在仰卧位和俯卧位进行用力呼气时明显感觉发力不够，造成腹侧和背侧的流速均出现下降；仰卧位和俯卧位调整完毕后保持姿势5min再进行测试，新的重力依赖区基本形成，同时会造成靠近重力依赖区的肺泡塌陷[12]，因此2种体姿均在重力依赖区流速下降更明显。机械通气是目前针对各类肺部疾病进行呼吸支持的有效手段，可以显著改善患者的气体交换和氧合功能。传统手段为患者使用仰卧位进行机械通气，当前有关俯卧位
通气的研究相继报道[13-14]，开展了多中心、大样本的临床实验研究。结果表明，当保护性机械通气效果欠佳时，连续使用24h俯卧位通气可以有效地提高患者的氧合指数，相较于仅使用仰卧位通气的患者可在一定程度上降低患者28d致死率[15]。但在目前，俯卧位机械通气如何影响通气改变机制仍无定论，该方法也未得到广泛应用。本文采用EIT技术对不同姿势下的肺通气进行监测，表明俯卧位时腹侧肺通气占比明显增加，体姿改变也可导致局部一秒率的改变，从而为俯卧位机械通气的研究提供了动态监测手段和依据。4结语本研究结果表明，仰卧位和俯卧位通气时重力依赖区和非重力依赖区的通气占比和通气流速均出现了明显改变，从而反映了姿势改变对肺通气的影响。在EIT监测下，俯卧位时重力依赖区占比提高，对在临床使用俯卧位机械通气改善氧合指数的方法提供了直接证据。结合临床俯卧位通气需求，EIT技术为床旁实时监测患者肺局部通气量和通气流速的改变提供了可能性。本实验仅对年轻健康男性受试者展开了研究，下一步可进一步开展以下2个方面的研究：（1）在临床上使用EIT监测不同肺疾病下体姿改变对肺通气的影响；（2）EIT监测机械通气条件下俯卧位时肺局部区域通气改变情况。[参考文献]【相关文献】[1]ADLERA，BOYLEA.Electricalimpedancetomography：tissuepropertiestoimagemeasures[J].IEEETransBiomedEng，2017，64（11）：2494-2504.[2]徐灿华，董秀珍.生物电阻抗断层成像技术及其临床研究进展[J].高电压技术，2014，40（12）：3738-3745.[3]BROWNBH，BARBERDC，SEAGARAD.Appliedpotentialtomography：possible
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