吳佳銘，曲志華，劉文博，代萌，張超，付峰，尤富生

1. 空軍軍醫(yī)大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，陜西 西安 710032；2. 陸軍軍醫(yī)大學(xué) 士官學(xué)校，河北 石家莊 050081；3. 西安電子科技大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710126；4. 空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院 神經(jīng)外科，陜西 西安 710032

引言

急性呼吸窘迫綜合征（Acute Respiratory Distress Syndrome，ARDS）是指心源性以外的各種肺內(nèi)外致病因素導(dǎo)致的急性、進(jìn)行性低氧性呼吸衰竭[1]。作為ARDS的輔助治療手段，機(jī)械通氣的主要目的是改善患者的通氣情況與氧合，通過外部手段維持組織供氧，進(jìn)而維持患者機(jī)體的基本生理功能。呼吸機(jī)通氣中設(shè)置呼氣末正壓（Positive End-Expiratory Pressure，PEEP）的主要作用包括：擴(kuò)張陷閉肺泡，減輕肺水腫，擴(kuò)張氣道以及預(yù)防肺泡陷閉等[2]。然而與此同時，由于PEEP值設(shè)置不當(dāng)所導(dǎo)致的機(jī)械通氣相關(guān)性肺損傷（Ventilation-Associated Lung Injury，VALI）的報道逐年增多[3]，這是因為ARDS患者的肺多表現(xiàn)為不均勻性[4]，PEEP設(shè)定數(shù)值小，肺泡不能完全張開，缺氧得不到改善，PEEP設(shè)定數(shù)值大，肺泡易產(chǎn)生過度膨脹加劇低氧血癥。因此，根據(jù)機(jī)械通氣時肺局部通氣情況確定最佳PEEP值以減小病人VALI的發(fā)生率顯得尤為重要。

近幾年，學(xué)者們通過血氣和機(jī)械力學(xué)等參數(shù)獲取肺整體信息，提出了多種最佳PEEP值的設(shè)定方法[5-6]，目前臨床上常利用肺動態(tài)順應(yīng)性（Global Dynamic Compliance，Cdyn）指導(dǎo)最佳PEEP值的設(shè)定。肺順應(yīng)性是指單位壓力改變時引起的肺容積改變，它代表了胸腔壓力改變對肺容積的影響，肺動態(tài)順應(yīng)性反映了肺組織彈性和氣道阻力的大小，其值最大時所對應(yīng)的PEEP值即為最佳PEEP值。但此方法是基于肺整體機(jī)械力學(xué)信息指導(dǎo)最佳PEEP值的設(shè)定，無法對肺區(qū)域信息進(jìn)行監(jiān)測。電阻抗斷層成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）技術(shù)作為一種動態(tài)、快速、無輻射、成本低、操作簡單的功能成像技術(shù)[7]，在肺部應(yīng)用方面具有其獨特優(yōu)勢。EIT可通過連續(xù)實時的床旁監(jiān)護(hù)對肺通氣局部區(qū)域提供充分信息，在指導(dǎo)機(jī)械通氣時PEEP值設(shè)定等方面具有廣泛的應(yīng)用前景[8]。

因此本文的研究目的是，通過開展動物實驗，驗證比較在ARDS小豬模型PEEP滴定過程中肺動態(tài)順應(yīng)性和EIT指標(biāo)分別指導(dǎo)的最佳PEEP值是否存在差異，為后期開展相對應(yīng)的臨床試驗研究奠定良好的基礎(chǔ)，以指導(dǎo)臨床更好地選擇呼吸機(jī)參數(shù)和治療ARDS。

1 材料與方法

1.1 動物模型的建立

12只健康小豬由空軍軍醫(yī)大學(xué)動物實驗中心提供，造模成功9只，雄性，體重（14.6±1.3）kg（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）。1%戊巴比妥納以30 mg/kg腹腔注射誘導(dǎo)麻醉，胸腔一周備皮，仰臥位固定，經(jīng)口置入氣管插管，接誼安VG70型呼吸機(jī)，CARDELL-9500型動物監(jiān)護(hù)儀監(jiān)測血氧飽和度等指標(biāo)，鹽酸賽拉嗪注射液0.05 mL/kg肌肉注射維持麻醉。以0.2 mL/kg油酸，用0.9%生理鹽水稀釋10倍，30 min持續(xù)緩慢注入中心靜脈。造模前、造模后以及肺復(fù)張后取股動脈血行血氣分析，造模后氧合指數(shù)（OI）≤200 mmHg為制模成功[9]。

1.2 肺復(fù)張及PEEP滴定方法

基礎(chǔ)通氣條件：容量控制模式，潮氣量6 mL/kg，吸入氧濃度21%，PEEP 2 cmH2O，通氣頻率15次/min，吸呼比1:1。應(yīng)用壓力控制模式（PCV）行肺復(fù)張術(shù)，驅(qū)動壓（ΔPdrive）恒定10 cmH2O，PEEP值由0 cmH2O每隔60 s增加5 cmH2O直至平臺壓達(dá)到35 cmH2O。PEEP滴定過程采用PCV模式，PEEP自20 cmH2O每隔60 s減小2 cmH2O直至0 cmH2O。同步進(jìn)行EIT監(jiān)測并記錄以上每一步驟起始EIT幀號、血氧飽和度SpO2、潮氣量Vt以及動態(tài)順應(yīng)性Cdyn。動態(tài)順應(yīng)性最大時所對應(yīng)的PEEP值為最佳PEEP值[10]。

1.3 EIT原理及監(jiān)測

在一次EIT的激勵過程中，系統(tǒng)通過對向電極注入激勵電流，引起體表電壓變化，電壓測量模塊依次測量相鄰兩個體表電極之間共計12個電壓差（激勵電極不參與電壓測量），即為本次激勵的電壓測量結(jié)果；依次循環(huán)激勵電極共得到16×12共計192個測量電壓數(shù)據(jù)，形成一幀數(shù)據(jù)。根據(jù)電流和電壓之間的關(guān)系，通過一定的重構(gòu)算法即可重構(gòu)出內(nèi)部的電導(dǎo)率變化分布。

本實驗采用空軍軍醫(yī)大學(xué)肺部EIT研究小組研發(fā)的16電極PEIT4系統(tǒng)，成像速率12幀/秒，激勵電流1 mA，100 kHz，測量精度優(yōu)于1‰，EIT數(shù)據(jù)通過無線傳輸至上位機(jī)實時成像。小豬麻醉、備皮后，將電極均勻置于胸腔一周開始測量。EIT監(jiān)測ARDS小豬模型PEEP滴定實驗如圖1所示，其中，（A）為實驗小豬，（B）為呼吸機(jī)機(jī)械通氣，（C）為EIT監(jiān)測，（D）為EIT16電極，（E）為動物監(jiān)護(hù)儀。

圖1 EIT監(jiān)測ARDS小豬模型PEEP滴定實驗

1.4 EIT數(shù)據(jù)分析

（1）肺感興趣區(qū)域（Regions of Interest，ROI）和潮氣阻抗變化圖像。使用Matlab R2014a，基于EIDORS V3.9[11]使用格拉茨共識EIT重建算法[12]（Graze Consensus Reconstruction Algorithm for EIT，GREIT）對EIT數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)。以肺復(fù)張階段PEEP為25 cmH2O時邊界電壓（Total Boundary Voltage，TBV）最大時的吸氣末做成像幀，PEEP為0 cmH2O時TBV最小時的呼氣末做參考幀，使用function ROI肺邊界區(qū)域界定方法獲得肺ROI[13]。在PEEP滴定階段，吸氣末平均值做成像幀，呼氣末平均值做參考幀，獲得各階段的潮氣阻抗變化圖像。成像幀和參考幀選擇示意圖，見圖2。

圖2 成像幀和參考幀選擇示意圖

（2）EIT全局非均勻性參數(shù)（Global Inhomogeneity Index，GI）[14]。該參數(shù)為反映肺部全局通氣均勻性的一項指標(biāo)，計算公式如下：

其中，ΔZ代表潮氣圖像中的阻抗變化值，ΔZxy為已確定的肺ROI區(qū)域內(nèi)各像素點，ΔZlung為全肺區(qū)域，Median即計算中位數(shù)。GI值最小時的PEEP值為該方法指導(dǎo)的最佳PEEP值。

（3） EIT順應(yīng)性圖像[15]。在EIT潮氣圖像中，依據(jù)公式(2)可計算每個像素點的順應(yīng)性變化。

我們使用Cpixel來反映各像素點在不同PEEP值下的過度膨脹和塌陷狀態(tài)。在PEEP滴定的每一階段，都可計算像素點的順應(yīng)性，該像素點順應(yīng)性最大時的PEEP值為最佳PEEP值。公式表示如下：

其中，PPEEP為滴定過程中的PEEP設(shè)定值，arg max返回肺ROI內(nèi)每個像素點最大順應(yīng)性所對應(yīng)的PEEP值。對每個像素點的成像即可得到EIT順應(yīng)性圖像。

（4）肺局部過度膨脹和塌陷[15]。確定每個像素點后，PEEP值大于判定為過度膨脹，PEEP值小于判定為產(chǎn)生塌陷，依照公式(5)可計算每一像素點過度膨脹比率和塌陷比率。

F 范圍為[-1,1]，各PEEP值下肺過度膨脹率和肺塌陷率計算方法如下：

OD曲線和CL 曲線的交點為該指標(biāo)指導(dǎo)的最佳PEEP值。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，所有統(tǒng)計數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，多個樣本均數(shù)之間比較采用方差分析，不同方法確定的最佳PEEP值之間的差異比較采用Bonferroni t檢驗，P＜0.05。

2 結(jié)果

2.1 監(jiān)護(hù)結(jié)果

在PEEP由20 cmH2O滴定至0 cmH2O過程中，動態(tài)順應(yīng)性、潮氣量、血氧飽和度的變化曲線，見圖3。

圖3 PEEP滴定階段各參數(shù)曲線圖

2.2 EIT結(jié)果

肺ROI如圖4左上角所示，藍(lán)色區(qū)域為肺ROI區(qū)域，灰色區(qū)域為非肺部區(qū)域。圖4中其他圖像為PEEP滴定過程中EIT潮氣圖像結(jié)果及GI值，colorbar如圖最右所示。PEEP滴定過程中GI參數(shù)變化曲線，見圖5。

圖4 ROI和PEEP滴定潮氣分布圖

圖5 PEEP滴定GI曲線

EIT順應(yīng)性圖像，見圖6左上角，colorbar由綠色（=0）向紅色（=20）過渡。圖6中其它圖像是PEEP滴定過程中過度膨脹和塌陷程度示意圖，上方數(shù)字為過度膨脹和塌陷比率，colorbar由黑色（塌陷100%）向紅色（過度膨脹100%）過渡。過度膨脹比率曲線和塌陷比率曲線，見圖7。

圖6 EIT順應(yīng)性圖像、過度膨脹和塌陷分布圖

圖7 過度膨脹和塌陷比率曲線

2.3 統(tǒng)計學(xué)結(jié)果

由動態(tài)順應(yīng)性指導(dǎo)的9只小豬最佳PEEP值為（9.00±0.71）cmH2O， 由 GI指 導(dǎo) 的 最 佳 PEEP值為（7.78±1.20）cmH2O，由F指導(dǎo)的最佳PEEP值為（3.33±1.41）cmH2O。圖8為三種方法指導(dǎo)最佳PEEP設(shè)定的統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果，動態(tài)順應(yīng)性指導(dǎo)的最佳PEEP和F指導(dǎo)的最佳PEEP有顯著統(tǒng)計學(xué)差異；GI指導(dǎo)的最佳PEEP和F指導(dǎo)的最佳PEEP有顯著統(tǒng)計學(xué)差異；動態(tài)順應(yīng)性指導(dǎo)的最佳PEEP和GI指導(dǎo)的最佳PEEP無顯著統(tǒng)計學(xué)差異。

3 討論

本文得到的主要研究結(jié)果包括：① 血氧飽和度、潮氣量和動態(tài)順應(yīng)性三者之間呈正相關(guān)；② 在PEEP滴定過程中，EIT可以有效地監(jiān)測ARDS小豬模型的肺局部通氣情況，獲得肺過度膨脹和塌陷程度數(shù)據(jù)；③ 兩項EIT指標(biāo)指導(dǎo)的最佳PEEP值都要低于由動態(tài)順應(yīng)性指導(dǎo)的最佳PEEP值，并且兩項EIT指標(biāo)指導(dǎo)的最佳PEEP值具有顯著統(tǒng)計學(xué)差異。

圖8 不同方法指導(dǎo)最佳PEEP統(tǒng)計結(jié)果

在PEEP滴定過程設(shè)定的呼吸機(jī)模式為壓力控制模式且驅(qū)動壓恒定為10 cmH2O，因此血氧飽和度、潮氣量和動態(tài)順應(yīng)性三者之間呈正相關(guān)。圖3表明，9只小豬在PEEP滴定各階段的三項監(jiān)護(hù)指標(biāo)峰值均出現(xiàn)在PEEP滴定至8～12 cmH2O之間，即我們認(rèn)為的最佳PEEP設(shè)置區(qū)間。通過動態(tài)順應(yīng)性指導(dǎo)最佳PEEP值設(shè)定的傳統(tǒng)方法反映了肺組織彈性和氣道阻力的全局信息，最佳PEEP在8～10 cmH2O。

EIT技術(shù)通過監(jiān)測潮氣量改變引起的阻抗變化重建圖像，可以實時監(jiān)測肺全局通氣改變情況，獲得PEEP滴定各階段的潮氣圖像，通過提取GI、F等反應(yīng)肺特性的指標(biāo)來尋找最佳PEEP值。從圖4、圖5實驗小豬的潮氣圖像和GI曲線中可以看出，GI參數(shù)并不與圖像中的潮氣變化水平直接相關(guān)，實驗小豬GI參數(shù)的最小值集中出現(xiàn)在PEEP 等于6～8 cmH2O時。通過圖6、圖7中的順應(yīng)性圖像、過度膨脹和塌陷圖以及比率曲線可直觀地反映PEEP滴定過程肺局部區(qū)域的膨脹和塌陷程度，實驗小豬的OD、CL曲線交點集中在PEEP等于2～4 cmH2O處。

綜上所述，全局非均勻性指標(biāo)GI、肺動態(tài)順應(yīng)性兩項肺全局參數(shù)指導(dǎo)最佳PEEP值設(shè)定的結(jié)果基本一致，GI參數(shù)可以從肺均勻性方面實時的為臨床醫(yī)生判斷肺狀態(tài)提供幫助。F得到的最佳PEEP值低于兩項全局參數(shù)的指導(dǎo)結(jié)果，OD、CL指標(biāo)為臨床醫(yī)生提供了肺局部過度膨脹和塌陷信息，醫(yī)護(hù)人員可以在EIT的幫助下結(jié)合病癥情況、血氧及順應(yīng)性參數(shù)等及時調(diào)整呼吸機(jī)參數(shù)設(shè)置。

目前，也有一些研究小組針對動態(tài)順應(yīng)性和EIT指標(biāo)指導(dǎo)最佳PEEP值的比較問題開展了實驗研究，Blankman等[16]和Bikker等[17]的結(jié)果表明，動態(tài)順應(yīng)性高于EIT指標(biāo)指導(dǎo)的最佳PEEP值；Karsten等[10]的研究結(jié)果中，GI和F指導(dǎo)的最佳PEEP值高于由動態(tài)順應(yīng)性指導(dǎo)的最佳PEEP值。PEEP滴定過程中動態(tài)順應(yīng)性這一指標(biāo)本身具有一定的爭議，尚無法作為個體PEEP值設(shè)定的金標(biāo)準(zhǔn)。本文比較了ARDS小豬模型PEEP滴定過程中全局參數(shù)和局部參數(shù)指導(dǎo)的最佳PEEP值的差異性，為后續(xù)開展臨床試驗打下基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本文開展了相關(guān)動物實驗，研究結(jié)果表明，EIT技術(shù)具有無創(chuàng)、可視化、可連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)勢，GI和F等EIT指標(biāo)可反映肺全局和局部信息，對于指導(dǎo)床旁最佳PEEP設(shè)定具有應(yīng)用潛力。在后期可繼續(xù)開展臨床實驗，對需實施肺復(fù)張的患者進(jìn)行EIT床旁連續(xù)監(jiān)測，為臨床醫(yī)生設(shè)定機(jī)械通氣參數(shù)提供幫助。