Bachmannetal.CriticalCare.;22:.

急性呼吸窘迫综合症(ARDS)是一种影响肺实质的临床急症,特征性表现为弥漫性肺泡损伤和肺毛细血管通透性增加.CT是目前ARDS诊断和预后判断最常用的手段.但危重患者行CT检查相当复杂,需要将患者转运至CT间.幸运的是现在已有新的技术能够行床边监测.电阻抗断层成像(EIT)是一种能在床边连续,实时评估患者肺通气分布的监测工具,已被证实能够优化重症患者的机械通气参数.在过去几年中发展出EIT的一些临床应用,这项技术也引起了研究者越来越多的兴趣.但医师对于EIT的技术原理和在ARDS患者中的潜在应用价值仍然缺乏认识.本文旨在介绍EIT的特点,技术概念及临床应用,以更好的监测ARDS患者肺功能.

背景

急性呼吸窘迫综合征

急性呼吸窘迫综合症(ARDS)是一种影响肺实质的急性临床疾病,可被多种易感因子所诱发.ARDS特征性表现为弥漫性肺泡损伤,肺血管通透性增高,肺重量增大以及肺通气丧失.临床上这种综合症最重要的特征为急性低氧血症,肺影像学上双肺渗出,且并不能完全用心功能异常或是容量过负荷来解释[1].

目前收住重症监护室(ICU)10%患者及接受机械通气23%患者为ARDS[2].ARDS不但病死率高(约40%)[1,2],还经常伴有长期疾病如肌肉无力,认知功能障碍,抑郁及创伤后应激障碍[3].

ARDS的重要特征之一是由于细胞之间产生间隙所导致的上皮和内皮通透性增加[4].炎性水肿诱导的肺泡不稳定和局部不张,导致了肺泡通气的异质性,向着重力依赖区有个明显的肺不张的梯度变化(叠加梯度)[5].使用CT量化的ARDS患者肺实质不均一性和疾病严重程度及病死率相关[6].ARDS患者中正常通气的肺组织约为g至g,和5岁孩童肺大小相当,因此形成了「婴儿肺」这个术语[7].

ARDS中特征性存在垂直梯度的肺不张以及/或者背侧肺泡内大量渗出.由于肺循环同样优先分布于背侧区域,出现大片区域的V/Q下降产生真性分流.在这种情况下,即便是使用肺保护性通气策略[12,13],施加的潮气量将会导向肺的腹侧,使腹侧肺泡产生较大的应变而导致呼吸机诱导的肺损伤[8-11].

CT是管理和研究ARDS患者有用的工具.其能够用来评估VILI发生发展及产生的一系列相关现象,比如肺泡周期性的开放和关闭,肺泡的过度扩张[14],以及整体和局部的应变情况[15,16].另外CT还为临床决策提供了相关信息,比如肺可复张性的量化[17].然而CT具有辐射性,并且需要将患者转运至CT室,这些都限制了CT的常规使用.在这种场景下,近年来出现了电阻抗断层成像(EIT),可作为监测和调整机械通气患者管理的重要工具.

电阻抗断层成像的概念

EIT是一种无创,无辐射性的临床成像工具,用来床边实时监测通气的分布情况.EIT根据肺随着呼吸的电阻率变化进行计算来重建图像[18].肺扩张时肺泡间隔变薄变长,使得电流通过困难,电阻率增加.据报道深呼吸时电阻率可增加两倍以上[19],并且和进入胸腔气体量密切相关.通过静脉注射高渗盐水,EIT还能用来追踪肺内血流分布.

EIT成像的原理在其他文献中有详述[20].简言之,环绕胸廓平均分布的8-32个(根据模型和品牌不同)电极放出很小的交流电(图1A).在某个时间点仅一对电极放出电流而余下的电极读取电压水平(图1B).放电的电极对按顺序不断变化,最终完成一圈的电压测定,通过特定的重建程序产生图像.每个图像帧产生时都会和基线期采集的参考期对比.最后重建产生的精细的有限元网格将会投射到一个32×32像素点的阵列,每个像素点代表的是在一定时间间隔内电阻率相对于参考期的变化情况(图1C)[21].像素代表的是相对于参考的变化,图像帧也经常称为相对图像.从空间方向而言,EIT图像和CT图像类似,胸腔的右侧位于图像的左侧,胸腔的前方位于图像上方(图1B,C).

图1A.胸部放置电极带.推荐将电极带放置于第五和第六肋间位置.B.胸部CT轴向切面显示带有32个电极的电极带,图示为电流通过胸腔.一对电极发出电流而其余电极读取胸腔内电流强度分布所产生的不同电压.放出电流的电极对按顺序变化,完成一周后产生图像.C.EIT通过色阶行功能性图像重建:蓝色越明亮,局部通气越好.注意该色阶并非固定.

EIT和其他成像方法比较的优势在于高时间分辨率.现代EIT每秒钟能产生50张影像,能够研究通气的动态分布,局部的肺灌注和肺搏动性.例如可显示部分肺区域较之其他区域延迟充气,提示存在潮式复张（图2）或是气体摆动的存在.这项技术的不足部分便是空间分辨率低,仅和闪烁扫描术类似.

图2A异质性肺泡膨胀.腹侧区域首先膨胀,而背侧区域中途开始膨胀直至吸气结束.B.同质性肺泡膨胀.腹侧和背侧区域同时开始膨胀.

一些动物模型研究表明使用EIT指导调节呼吸机参数能够改善气体交换及呼吸力学[22-25].而在临床工作中,越来越多的证据表明EIT是优化危重患者个体化呼吸机参数的有效工具,能够降低VILI的风险[26,27].以下将介绍EIT的基本工具,以及EIT作为临床工具在ARDS中的应用.

电阻抗断层成像基本工具

EIT体积描计图

相对图像(帧)给定感兴趣区域(ROI)所有像素之和随着时间变化所绘制的波形.代表了进出ROI的气体量.

呼吸周期引起的整体EIT体积描计图潮式波动称为ΔZ,和CT评估的肺容积变化密切相关(R2=0.92)[28].通过多次呼吸氮气洗脱法测定的呼气末肺容积(EELV)和呼气末肺阻抗(EELZ)之间也存在密切关系(R2=0.95)[29].因此除了监测肺通气情况(ΔZ),EIT还能够明确因比如体位或是呼气末正压(PEEP)变化所导致的肺内气体量的变化(通过ΔEELZ)(图3).

图3整体(全图)体积描记法和气道压波形(Paw).(I)呼气末正压(PEEP)增加使呼气末肺容积(ΔEELZ)增加.(II)通气周期性变化(ΔZ)追踪潮气量(VT)的变化情况.

通气地图

通气地图或功能性成像代表了每个像素点阻抗的潮式变化(如根据每个像素点ΔZ绘制的彩色图像).选取这个功能性图像水平和/或垂直的不同位置,能够分别定量左/右侧,腹/背侧或是四个象限中通气的分布情况.电子束CT[30],单光子发射CT(SPECT)[31]和普通CT[32]都已验证这种方法的可行性,其通常用于明确各种病变及/或通气设定下气体分布的异质性(图4).

图4肺炎患者CT表现及相对应EIT的功能性成像.注意EIT上右下肺的通气消失和相对应胸部CT上右肺大片实变.

图5显示了猪ARDS模型的功能性图像,分为了两个ROI(腹侧和背侧).注意在PEEP为5cmH2O时腹侧和背侧区域通气分布的异质性(表示为百分比).而将PEEP提高到15cmH2O后两个区域间气体分布的异质性改善.

图5通气地图将急性呼吸窘迫综合征模型分为两个感兴趣区域,分别使用5cmH2O(左)和15cmH2O(右)的PEEP

临床工具

评估肺不张和过度膨胀

ARDS肺通气异质性通常和存在损伤性机制相关,比如肺不张,小气道和肺泡的周期性开放以及肺过度膨胀.Costa等通过在降低PEEP过程中的区域信息(像素顺应性)来评估肺不张和过度膨胀.在每个不同的PEEP水平下,顺应性可通过进入肺的气体量(ΔZ)和呼吸系统的弹性阻力,也就是平台压(Pplateau)减去PEEP,进行计算.因此每EIT像素的顺应性计算如下:

这种方法认为,当像素顺应性降低时的PEEP高于最佳像素顺应性时的PEEP时存在肺过度膨胀.同样当像素顺应性降低时的PEEP低于最佳像素顺应性时的PEEP时存在肺不张(图6).这种方法能够评估可复张的肺不张的范围;也就是在降低了PEEP过程中复张的肺再次塌陷的范围.当在肺复张后正确操作时,通过EIT评估肺不张和CT定量评估结果相近.

图6在降低PEEP过程中评估可复张的肺不张和过度膨胀.A在不同PEEP水平(黄色波形)下呼气末肺阻抗(蓝色波形)的降低.B在不断降低PEEP过程中的呼吸系统顺应性,肺不张和过度膨胀.注意较好的整体顺应性(17cmH2O)的PEEP水平,与通过EIT计算的肺不张及过度膨胀最小化的PEEP水平(15cmH2O)并不一致.C在不同PEEP水平下肺过度膨胀和不张的图像.可见随着PEEP的降低肺不张逐渐进展,主要在重力依赖区.

最近Beda等[34]发现通过EIT绘制的压力-容积(PV)曲线能够区分出可能存在潮式复张和过度膨胀的区域.PV形状提示潮式复张的变化和通气不良变化相关,而PV形状提示过度膨胀变化和更高PEEP下过度通气的区域的变化密切相关(r=0.73).

Meier等[35]使用EIT监测在去除肺表面活性物质的实验模型中,PEEP滴定过程中局部潮气量的变化情况.随着PEEP水平的变化,局部通气情况也发生着变化,研究者目前明确了在整体的肺力学发生变化之前就已经出现了肺不张和局部的肺复张的情况.把这些研究发现和CT影像做对比发现,用两种工具评估的局部的呼气末气体容积和潮气量具有良好的相关性.作者因此推论EIT能够用来监测PEEP变化对于局部通气的动态影响.

EIT另一项有趣的应用在于可能可以用来监测气道陷闭,这是一种最近由Chen等[36]在仔细分析ARDS患者低流速压力-容积曲线时发现的现象.他们注意到医师在床边很容易忽视气道陷闭.Sun等[37]最近分析了一例中度ARDS患者,在低流速通气时评估了整体和局部的PV曲线,EIT通气地图和体积描计图,发现EIT描绘的PV曲线可能是明确存在气道陷闭现象的一种有用的工具.

检测气胸

ARDS患者中气胸的发生率为8-10%[38].EIT可用来床边实时监测是否存在气胸.6年Hahn等[39]通过建立不同程度气胸的实验模型观察EIT图像变化情况.他们发现了气体地图上阻抗的增加(静态变化)和与之相关的局部通气的降低(动态变化).经CT图像验证后明确EIT能够实时的检测气胸的存在.Costa等[40]通过实验模型明确EIT实时检测气胸的敏感度为%(图7).

图7实验猪在基线水平及诱导气胸后的CT,通气地图和气体变化图像.箭头指向胸膜腔气体聚集.

最近Mrais等[41]描述了一例病例在ARDS病程中后期行肺复张时并发气胸在EIT上的表现.在该病例中,气胸引起了EIT发生变化(EIT图像的亮度突然增加,同时气体增加的比例高于PEEP的增加),因此立即停止了肺复张操作以免临床情况进一步恶化.这个例子显示在重度ARDS患者进行一些存在气压伤风险的操作如肺复张时,可使用EIT监测协助管理.

监测气道内吸引对于肺容积的影响

EIT的另一项应用在于明确气道内吸引对于肺容积的影响.Lindgren等[42]使用EIT评估了去除肺表面活性物质实验模型中气道内吸引时肺容积的变化,发现特别是肺背侧区域出现了更为显著的肺泡塌陷.当断开管路时功能残气量约下降了50%,而吸引时进一步下降了20%[42].而在心脏术后患者中,即使是重新连上呼吸机30分钟后,EELZ仍然低于吸引之前的状态[43].图8显示的是严重ARDS模型中开放吸引对于肺容积的影响.注意在吸引之后EELZ和ΔZ都出现了显著的下降.通气地图显示了在开放吸引后腹侧和背侧区域之间的通气分布发生了倒转.

图8重度ARDS模型开放吸引(OS)过程中的整体EIT体积描计图和通气地图.实线和虚线的水平线分别代表了基线水平和OS后呼气末肺阻抗(EELZ).注意EELZ并不能回到基线水平(箭头显示了实线和虚线之间的差别),提示了肺内气体的减少.同时注意OS后肺通气的减少(ΔZI-ΔZII).通气地图I和II(上图左和右)显示了OS之后肺后部区域通气减少.

人机不同步

人机不同步在机械通气过程中十分常见,并且通常和不良事件如脱机延迟及病死率升高相关[44].即便如此,大多数的人机不同步(超过60%)通过观察呼吸机波形并不能被发现[45].

在这种情况下EIT体积描记图提供的信息能够协助医师早期识别有害的不同步如呼吸叠加和气体摆动.

呼吸叠加通常继发于反向触发或是双触发,呼吸机给予的第二个呼吸周期施加在前一个不完全的呼气相上[46].图9分别显示了同步周期(A)和呼吸叠加的不同步(B)时气道压,流速和容量(呼吸机所施加的)及EIT波形.发生呼吸叠加时容量波形提示吸入的气体容积约为8ml/kg预期体重;然而EIT所检测到的吸入容积几乎是平时呼吸的两倍,提示了损伤性肺过度扩张.

图9人机同步(A)和呼吸叠加不同步(B)时气道压(Paw),流速,潮气量(VT)和EIT波形.在呼吸叠加时,体积描记图显示吸入气体量是平时呼吸周期几乎两倍.这种肺过度的扩张并不能够被目前使用的呼吸机波形所检测.

气体摆动是在有膈肌强烈收缩时的肺内不同步,气体在不同的肺区域间移动(图10)[47].气体摆动可导致重力依赖区的潮式复张(局部不张伤),伴重力依赖区的肺泡塌陷.而这种容量的传递同时导致了重力依赖区肺泡过度牵张(局部容积伤).这两种损伤机制均会引起局部炎症加重[48].这种由于强烈吸气努力所导致的局部跨肺压的增大通常无法检测.而这种放大效应相关的临床危害也十分「隐蔽」,因为呼吸机只能测定气道开放压.只有EIT才能够在床边连续测定,追踪,定位和定量气体摆动.

图10气体摆动现象.辅助和控制通气时阻抗变化(ΔZ)和气道压力(Paw)变化.蓝色:肺后侧区域.红色:肺前侧区域.辅助通气时,辅助通气时,肺前侧区域阻抗变化降低(气体减少)而同时后侧区域增加(气体增加).

肺灌注

机械通气的目标之一在于促进足够的气体交换,但是这个过程的效率不仅依赖于通气同时还需要有足够的肺灌注.有趣的是EIT同样能够床边评估肺灌注情况.EIT评估肺灌注可通过两种方法实现:首过动力学,在短暂屏气过程中,将高渗盐水迅速注射进入中心静脉(由于盐水的高传导性,可作为血管内对比剂)(图11)[49,50];另一种则是通过心电图设门或是通过基于主成分分析的程式将心电信号和通气信号分开[51,52].

图11左下肺社区获得性肺炎患者电阻抗断层成像(EIT)通气和灌注图像.色彩范围通过线性标化调整.A.和右下肺相比左下肺通气减少,双下肺灌注无改变.B.左下肺通气-灌注失偶联,表现为分布比率降低.

Freitchs等[49]设计了肺血栓栓塞(使用肺动脉漂浮导管阻断肺动脉)的动物模型,研究使用EIT首过增强法造影,并且与电子束CT进行了比较.研究者生成了反映肺局部血流分布的新的影像,并且和电子束CT给出的数据具有良好的相关性,因而推断EIT能够用于检测肺灌注血流变化及随着时间的变化情况.之后,同样这个团队建立了一种肺搏动性的方法,即使用一个频率过滤器将所有的阻抗信号中的通气和灌注成分分开.这种工具能够用来评估肺灌注的功能性变化如单肺通气时低氧性肺血管收缩的激活[53].

基于EIT的指标/EIT衍生指标

从不同患者得到的EIT图像并不能用来相互之间直接比较,因为此项技术只能给出相对值(从不同的参考图像得到的气体变化情况).为量化,同时也为了具有可比性,EIT发展出了各种指标,从而能够「离线」分析数据.接下来介绍三种文献中最常用的指标:通气中心(CoV),整体非均一指数(GI)以及局部通气延迟(RVD)

通气中心

年Frerichs等[54]提出了「几何学上的通气中心」.这个参数描述了随着腹侧-背侧方向肺通气分布的变化情况,数学定义为在纵坐标上的某个点,这个点将肺各区域通气之和(腹侧和背侧)分为相等两个部分.这个团队之后研究了在表面活性物质缺乏导致的新生儿急性肺损伤的实验模型上EIT的变化情况,发现急性肺损伤时通气中心从重力依赖区移动到了非重力依赖区.同样在给予了肺复张和表面活性物质之后,通气中心重新回到了重力依赖区,是通气的分布更为均一化[55].

最近,Sobota和Roubik等[56]提出了一种通过EIT计算通气中心的改良方法,使用下列方程将图像进行分隔:

其中N代表的是潮式图像上像素点的总数,n代表每一行上面所有像素点数量,其中每一行上的总和小于50,而K代表的是防止计算的通气中心在两个像素点之间而所作的校正:

整体非均一指数

Zhao等[57]研究了整体和局部肺实质内的气体分布异质性.为此他们提出了一种测定每个像素在吸气末和呼气之间(潮式或功能性图像)阻抗变化的参数.在实际操作中,GI指数的计算是把每个像素阻抗变化减去相对应的中位数(绝对数值)的总和,除以每个像素阻抗值的总和,从而使得每个患者之间的指数具有可比性:

DI表示的是在潮式图像上阻抗的差值;DIxy表示的是给定肺部区域的像素;DIlung表示的是肺区域所有的像素.之后这个团队通过50个机械通气的受试者证明了GI指数能够间接量化通气异质性,并且能够实现在个体之间进行结果的比较[58].

而在另一种情况下,Bickenbach等[59]评估了GI指数在预测自主呼吸试验(SBT)失败方面的价值.他们评估了31位气管切开行压力辅助通气的困难脱机患者.在比较了基线水平,T管自主呼吸试验过程中(30分)以及之后(分)后,他们发现肺不均一性随着时间逐渐加重.作者认为患者在高GI值时行SBT失败的概率较大,推论在高危患者中通过分析GI指数能够作为预测SBT失败的有效工具.Zhao等[58]在一项回顾性研究中使用GI指数选择最佳的PEEP,定义为肺在同质性最佳的通气条件下PEEP的水平.这种选择方式和肺顺应性法和PV曲线法进行了比较.作者推断使用GI指数可确定最佳PEEP.

局部通气延迟指数

Wrigge等[60]研究了EIT在评估局部通气和肺泡复张中的应用情况.为此他们同时比较了EIT和动态的CT图像.为明确肺泡潜在可复张性,他们在两个肺损伤实验模型(酸性液体吸入加腹内高压,以及油酸注射)中评估了某些ROI的通气延迟时间.通过数学分析局部阻抗-时间曲线,延迟时间定义为和整体图像相比,从吸气开始,直到阻抗/时间曲线斜率到达吸气总时间某个百分比所需要的时间(图12).他们证明了RVD指数和CT图像上提示的肺可复张性具有良好的相关性(R20.6):

Muders等[61]在油酸注射及腹内高压的急性肺损伤的实验模型评估了RVD在量化不同PEEP水平下的可复张性中的作用.将实验动物随机分组行机械通气并设定不同水平的PEEP(0,5,10,15,20及25cmH2O).RVD指数用来量化某些肺区域(四象限区及像素)阻抗变化达到某个界值所需要的时间.为此作者提出了局部通气延迟不均一性的概念,能够量化通气在时间上的不均一性(通过每个像素RVD指数变化计算而得).这个指标和CT评估的潜在可复张性比较,两者间存在中等强度的线性相关性.

图12区域通气延迟(RVD).腹侧区域.机械通气患者.第一层,腹侧；第二层,中心腹侧；第三层,中心背侧；第四层,背侧.

Bickenbach等[59]还研究了RVD在困难脱机患者SBT中的应用,称之为自主呼吸时局部通气延迟指数(spRVD),提示能够成为评估SBT患者肺异质性的有力工具.

结论

肺EIT是一种连续实时检测肺通气很有前途的临床工具,特别是对于如ARDS等危重的机械通气通气患者.EIT能够协助优化机械通气设置,检测并发症如去复张和气胸,并且能够计算肺灌注分布情况.目前仍需要更多的临床验证试验来充分探索这项技术的潜力.

参考文献

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