周嘉渝，曲志華，代 萌

（1.空軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，西安 710032；2.深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司醫(yī)學(xué)影像事業(yè)部，廣東深圳 518132；3.空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，西安 710032）

0 引言

機(jī)械通氣是急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）等嚴(yán)重呼吸衰竭患者的主要呼吸支持手段，其使用呼吸機(jī)使氣道口與肺泡間產(chǎn)生壓力差來支持呼吸功能不全的患者的呼吸，即將自主呼吸運(yùn)動(dòng)以機(jī)械裝置來代替、控制或改變。在使用機(jī)械通氣時(shí)，為了避免肺泡隨著呼吸運(yùn)動(dòng)反復(fù)張開/閉合而導(dǎo)致進(jìn)一步的肺損傷，呼吸機(jī)需要在患者呼氣末時(shí)給予氣道內(nèi)適當(dāng)?shù)恼龎簛肀３址闻菖蛎洿蜷_，該正壓即為呼氣末正壓（positive end-expiratory pressure，PEEP）[1]。臨床上，對于如何設(shè)置合理的PEEP 值一直是一個(gè)難題：PEEP 值的設(shè)置過低可能會(huì)使得曾經(jīng)塌陷（collapse，CL）但已張開的肺泡在呼氣末時(shí)再次塌陷，喪失通氣功能；過高的PEEP 值又可能會(huì)使一些正常的肺泡過度膨脹（over-distension，OD），導(dǎo)致肺泡破裂引發(fā)氣胸等更加嚴(yán)重的肺損傷[2]。因此，合理的PEEP 值應(yīng)使CL 和OD 區(qū)域同時(shí)達(dá)到較小的范圍。

現(xiàn)有評估肺CL 和OD 區(qū)域的理想方法是對胸部CT 的計(jì)算分析，根據(jù)不同的CT 值來獲得肺CL 區(qū)域或OD 區(qū)域[3]。但顯而易見的是，CT 因設(shè)備龐大、輻射暴露等問題，不適合作為一種床旁快速評估肺CL 和OD 區(qū)域的常規(guī)方法，因此，不適合作為機(jī)械通氣PEEP 滴定方法，但其計(jì)算肺CL 和OD 區(qū)域的準(zhǔn)確性較高。

電阻抗斷層成像（electrical impedance tomography，EIT）通過向人體胸腔注入安全電流，并采集相應(yīng)的電壓信息，然后利用相應(yīng)的重建算法計(jì)算獲得能夠反映胸腔內(nèi)部由呼吸引起的電阻抗變化分布圖。由于EIT 無創(chuàng)無輻射、實(shí)時(shí)床旁動(dòng)態(tài)成像等特點(diǎn)，其非常適用于在床旁監(jiān)測機(jī)械通氣的患者[4-6]。目前已有不少研究探索利用EIT 來滴定PEEP 的方法，其中基于呼吸阻抗順應(yīng)性的方法應(yīng)用最為普遍[7]。但通過EIT 計(jì)算獲得的肺CL 和OD 區(qū)域，以及由此滴定的PEEP 值，是否與CT 獲得結(jié)果相同或存在明顯差異，仍鮮有報(bào)道?；诖?，本文以小豬為實(shí)驗(yàn)對象，重點(diǎn)研究由EIT獲得的肺CL 和OD 區(qū)域占比以及由此滴定的最佳PEEP 值是否與CT 獲得的結(jié)果存在差異，以此證實(shí)EIT 是否是一種可靠且無創(chuàng)的床旁PEEP 滴定工具。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與測量方法

本實(shí)驗(yàn)由空軍軍醫(yī)大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

動(dòng)物選擇：7 只德國家養(yǎng)健康幼豬，其體質(zhì)量范圍為60～70 kg，胸圍范圍（腋下）為70～110 cm，年齡范圍為5～7 個(gè)月。

實(shí)驗(yàn)器材：呼吸機(jī)（Evita V600，Dr?ger，Lübeck，德國），CT 掃描儀（SOMATOM Definition AS，Berlin，德國），EIT 數(shù)據(jù)采集設(shè)備（PulmoVista 500，Dr?ger，Lübeck，德國），氣管導(dǎo)管等。

實(shí)驗(yàn)試劑：麻醉劑，生理鹽水。

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：（1）實(shí)驗(yàn)開始前8 h 小豬禁止進(jìn)食、飲水；（2）麻醉小豬；（3）在小豬前肢腋下10 cm 范圍內(nèi)備皮；（4）在小豬胸骨劍突上方5 cm 處，綁定EIT數(shù)據(jù)采集設(shè)備配套的S 尺寸電極帶，于腹部放置參考電極；（5）經(jīng)小豬口部行氣管插管術(shù)；（6）接呼吸機(jī)，采用容量控制模式，潮氣量為8 mL/kg，呼吸頻率為25 次/min，PEEP 為0 cmH2O（1 cmH2O=98.06 Pa），吸入氧氣體積分?jǐn)?shù)（FiO2）為40%。

ARDS 造模：（1）設(shè)置呼吸機(jī)參數(shù)：潮氣量為6 mL/kg，PEEP 為4 cmH2O，其余保持不變；（2）斷開呼吸機(jī)管道，將37 ℃生理鹽水通過氣管導(dǎo)管注入小豬肺中灌洗（30 mL/kg），按摩胸部10 s 后吸出，然后重新接呼吸機(jī)，每10 min 進(jìn)行1 次。當(dāng)氧合指數(shù)[pa（O2）/FiO2]小于150 達(dá)到30 min 以上即認(rèn)為造模完成[8]。

數(shù)據(jù)采集：保持呼吸機(jī)其他參數(shù)不變，在PEEP由20 cmH2O 逐漸下降到0 cmH2O 時(shí)（每次調(diào)整2 cmH2O），保持通氣2 min，同時(shí)每秒采集40 幀的EIT 數(shù)據(jù)。然后記錄平臺(tái)壓，得到呼氣末與吸氣末的CT 圖像。

1.2 基于CT 分割評估CL 和OD 區(qū)域及PEEP 滴定方法

本文通過對采集的CT 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分割出肺區(qū)感興趣區(qū)（region of interest，ROI），再使用雙閾值計(jì)算得到不同PEEP 下肺OD 區(qū)域與CL 區(qū)域，并定量評估其占比（%）情況；選取OD 區(qū)域與CL 區(qū)域同時(shí)達(dá)到最小的PEEP 值作為最佳PEEP 值。

具體而言，首先選取包含整個(gè)肺臟的CT 斷層圖像作為評估CL 和OD 區(qū)域的數(shù)據(jù)來源，將所有像素點(diǎn)的值與1 024 相減使像素值能夠與CT 值相對應(yīng)；使用偽彩色條顯示所選CT 斷層圖像從而將可辨識(shí)度提高，并將窗寬修改為-1 000～200 HU（OD肺組織和CL 肺組織的CT 值范圍）。其次，通過手動(dòng)勾勒出肺區(qū)ROI。得到肺區(qū)ROI 后，設(shè)定2 個(gè)閾值θ1、θ2（-1 000 HU<θ1<θ2<200 HU），將肺區(qū)ROI 內(nèi)的像素分割為RCL、RNM和ROD3 個(gè)部分，即

式中，RLung，ROI為肺區(qū)ROI 內(nèi)的所有像素點(diǎn)，包含CL肺組織像素點(diǎn)RCL、正常肺組織像素點(diǎn)RNM和OD 肺組織像素點(diǎn)ROD。本文利用最大間類方差法與概率相結(jié)合的思路[9]，得到雙閾值分割圖像的方法：對于灰度值范圍為0～m-1 的圖像，采用θ1、θ2將圖像分為C0={0～t1}、C1={t1+1～t2} 和C2={t2+1～m-1}3 個(gè)組（t1和t2分別指不同的分割閾值）。3 個(gè)組的概率為ω0、ω1和ω2，均值為μ0、μ1和μ2，則兩兩組合得到共同概率為

兩兩組合均值為

式中，pi表示灰度值i 的概率。同理可得

則3 組的間類方差為

σ2（θ1，θ2）取最大值時(shí)的θ1*和θ2*即為最佳閾值。

本文實(shí)驗(yàn)中得到PEEP 為20 cmH2O 時(shí)，肺OD區(qū)域比例最大，PEEP 為0 cmH2O 時(shí)肺CL 區(qū)域比例最大，故選取這2 個(gè)PEEP 值下圖像中的θ1*和θ2*作為區(qū)分OD 區(qū)域像素、正常肺像素、CL 區(qū)域像素的閾值。實(shí)驗(yàn)中將得到的閾值取均值（θ1*=-840 HU，θ2*=-184 HU）作為劃分的統(tǒng)一閾值，＜-840 HU 的像素為OD 區(qū)域，＞-184 HU 的像素為CL 區(qū)域。選擇使得肺OD 區(qū)域和CL 區(qū)域同時(shí)最小的PEEP 值為最佳PEEP 值，記為PEEPCT。

1.3 基于EIT 呼吸阻抗順應(yīng)性評估CL 和OD 區(qū)域及PEEP 滴定方法

本文首先通過分析多個(gè)PEEP 下采集的EIT 數(shù)據(jù)，然后對EIT 數(shù)據(jù)預(yù)處理計(jì)算出肺區(qū)ROI，最后使用相應(yīng)的方法處理ROI 內(nèi)的像素點(diǎn)來評估CL 區(qū)域和OD 區(qū)域占整個(gè)肺區(qū)的比值。

首先，計(jì)算肺區(qū)ROI。本文使用基于線性回歸功能電阻抗成像（functional electrical impedance tomography，fEIT）的肺區(qū)ROI 計(jì)算方法。線性回歸fEIT 圖像中的像素值反映了每個(gè)像素點(diǎn)阻抗變化與總體阻抗變化之間的相關(guān)程度，其關(guān)系由以下線性回歸方程得出：

式中，Δzi（t）為原始數(shù)據(jù)中第i 個(gè)像素點(diǎn)相對阻抗變化值；α、β 為回歸系數(shù)；e 為擬合誤差；取斜率α 為fEIT 圖像的像素值。以fEIT 圖像中最大像素值的20%作為閾值，大于閾值的像素點(diǎn)為肺區(qū)ROI。

其次，基于呼吸阻抗順應(yīng)性法計(jì)算CL 區(qū)域和OD區(qū)域占整個(gè)肺區(qū)的比值，并選擇使得CL 和OD 區(qū)域的面積同時(shí)最小的PEEP 值作為最佳PEEP 值。傳統(tǒng)的肺順應(yīng)性是指單位壓力改變時(shí)肺容積的變化速率，即

式中，C 代表順應(yīng)性，單位為mL/cmH2O；V 代表潮氣量；pplat為平臺(tái)壓，即為吸氣后屏氣時(shí)的壓力；pPEEP為呼吸末正壓。由于EIT 阻抗和肺容積高度線性相關(guān)，因此對于EIT 圖像而言，像素點(diǎn)的阻抗順應(yīng)性表示為

式中，Δzi表示潮氣圖中像素點(diǎn)i 的像素值。肺區(qū)ROI內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)每個(gè)PEEP 值下具有唯一的阻抗順應(yīng)性。由公式（9）得到每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)各PEEP 值下的阻抗順應(yīng)性后，可得各像素點(diǎn)的順應(yīng)性-PEEP變化曲線，如圖1 所示。

圖1 EIT 肺通氣阻抗圖與不同像素點(diǎn)的阻抗順應(yīng)性-PEEP 變化曲線

將每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的阻抗順應(yīng)性最大的點(diǎn)處的值稱為該點(diǎn)的最佳順應(yīng)性，記為C0i，此時(shí)的PEEP值記為pPEEP0i。根據(jù)最佳順應(yīng)性和其對應(yīng)的PEEP 值來定義每個(gè)像素點(diǎn)的CL 或OD 程度：

式中，PCL和POD分別代表肺區(qū)ROI 內(nèi)的CL 區(qū)域和OD 區(qū)域占比。選擇使肺CL 區(qū)域和OD 區(qū)域同時(shí)最小的PEEP 值為最佳PEEP 值，記為PEEPEIT。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

由于本文中小豬的樣本量較少而無法驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正態(tài)性與方差齊性，故采用兩樣本W(wǎng)ilcoxon 秩和檢驗(yàn)（SPSS 26.0，IBM Corp.，Armonk，NY，美國）來評估由CT 計(jì)算CL 和OD 區(qū)域占比所獲得的最佳PEEP 值與由EIT 計(jì)算CL 和OD 區(qū)域占比所獲得的最佳PEEP值差異是否有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（統(tǒng)計(jì)顯著性設(shè)為P<0.05）。

2 CT 結(jié)果和EIT 結(jié)果對比分析

2.1 基于CT 分割獲得的CL 和OD 區(qū)域結(jié)果

圖2 展示了不同PEEP 水平下基于CT 分割獲得的相應(yīng)的CL 和OD 區(qū)域。圖2 第一行展示了不同PEEP 水平下的原始CT 圖，可以看到，隨著PEEP 水平的降低，小豬背側(cè)的肺泡逐漸塌陷。PEEP 水平降低到4 cmH2O 時(shí)，背側(cè)的高密度影更明顯，表明大面積肺泡塌陷，證明ARDS 造模成功。圖2 第二行展示了不同PEEP 水平下肺區(qū)ROI 的分割結(jié)果。獲得CT 圖像中肺區(qū)的ROI 后，可進(jìn)一步分析CL 和OD 區(qū)域及其占比。圖2 第三行展示了不同PEEP 水平下CT 圖像中肺區(qū)CL 和OD 的區(qū)域，其中腹側(cè)標(biāo)注深藍(lán)色的區(qū)域?yàn)榉蜲D 區(qū)域，背側(cè)標(biāo)注為橙色的區(qū)域?yàn)榉蜟L肺區(qū)域。從圖中可以看出，由于肺大血管與CL 區(qū)域的CT 值接近，圖中在高PEEP 水平下肺大血管區(qū)域也標(biāo)記為橙色圓形區(qū)域。但在計(jì)算CL 和OD 區(qū)域比例時(shí)，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文手動(dòng)勾勒排除肺大血管區(qū)域。由圖2 可知，根據(jù)CT 圖中肺區(qū)的CL 和OD 區(qū)域，可確定最佳PEEP 值；當(dāng)CL 和OD 區(qū)域的面積同時(shí)較小時(shí)（CL 和OD 區(qū)域的面積值的交叉點(diǎn)對應(yīng)的PEEP值），相應(yīng)的PEEP 值判定為最佳PEEPCT值。

圖2 不同PEEP 水平下基于CT 分割獲得的CL 和OD 區(qū)域

2.2 基于EIT 呼吸阻抗順應(yīng)性獲得的CL 和OD 區(qū)域結(jié)果

圖3 展示了不同PEEP 水平下基于EIT 呼吸阻抗順應(yīng)性獲得的相應(yīng)的CL和OD 區(qū)域。圖3 第一行給出了在不同PEEP 水平下EIT 采集的潮氣量圖。藍(lán)白色區(qū)域代表由于空氣進(jìn)入肺臟而產(chǎn)生的肺區(qū)阻抗升高。由圖3 可知，隨著PEEP水平的升高，小豬潮氣量變化更加靠近背側(cè)，而腹側(cè)由于OD 的肺泡越來越多，無法進(jìn)行正常潮氣通氣。圖3 第二行展示了肺阻抗的順應(yīng)性分布圖，紅色和藍(lán)色均表示相應(yīng)的肺區(qū)順應(yīng)性降低，紅色代表由于PEEP 壓力過高肺泡過度膨脹引起順應(yīng)性降低，藍(lán)色代表由于PEEP 壓力過低塌陷引起順應(yīng)性降低。而最佳PEEP 值的選擇和CT 類似，不同PEEP 水平下CL 的面積值與OD 的面積值的交叉點(diǎn)對應(yīng)的PEEP 值確定為最佳PEEPEIT值。

圖3 不同PEEP 水平下基于EIT 呼吸阻抗順應(yīng)性獲得的CL 和OD區(qū)域

2.3 CT 與EIT 結(jié)果的對比

如圖4 所示，基于CT 的CL 和OD 區(qū)域得出的最佳PEEPCT值為（6±2）cmH2O，而基于EIT 的CL 和OD 區(qū)域得出的最佳PEEPEIT值為（8±2）cmH2O。采用兩樣本W(wǎng)ilcoxon 秩和檢驗(yàn)得與P=0.09＞0.05，即2 種方法得到的最佳PEEP 值無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。由此可得，EIT 技術(shù)作為一種無創(chuàng)無輻射的床旁肺通氣監(jiān)測手段，其滴定的PEEP 值與由CT 獲得的PEEP 值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖4 EIT 和CT 滴定的PEEP 值對比

3 討論

本文以小豬為實(shí)驗(yàn)對象，研究比較了基于CT 計(jì)算肺區(qū)CL 和OD 區(qū)域滴定的PEEP 值與基于EIT計(jì)算肺區(qū)CL 和OD 區(qū)域滴定的PEEP 值之間的差異性。結(jié)果表明，2 種方法獲得的PEEP 值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，初步證明了EIT 技術(shù)是一種結(jié)果與CT 接近，但無創(chuàng)無輻射、可床旁開展的PEEP 滴定方法。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，EIT 觀察得到的CL 和OD 肺區(qū)與CT 觀察結(jié)果類似，CL 區(qū)域占比隨PEEP 減小而增高，OD 區(qū)域占比隨PEEP 減小而降低。這種現(xiàn)象與實(shí)際的ARDS 病理、生理也基本符合：當(dāng)PEEP較低時(shí)，背側(cè)肺泡受重力擠壓影響本身易塌陷，特別是在鹽水灌洗后，肺泡失去表面活性物質(zhì)更易塌陷；從CT 圖像中可以觀察到背側(cè)肺泡呈高密度影，表面大量肺泡組織塌陷，失去通氣功能。同時(shí)，由EIT圖像得到的肺CL 區(qū)域也表明，背側(cè)肺區(qū)域的順應(yīng)性明顯降低。當(dāng)PEEP 較高時(shí)，雖然背側(cè)肺泡被壓力撐開而恢復(fù)通氣功能，但從CT 圖像上觀察到，腹側(cè)肺泡隨著PEEP 的升高而產(chǎn)生過度膨脹；EIT 結(jié)果也表明在高PEEP 下腹側(cè)肺區(qū)域產(chǎn)生塌陷。由此可見，2種手段都從不同的角度評估了不同PEEP 水平下ARDS 的肺狀態(tài)，得到的最佳PEEP 值基本接近。

兩者得到的結(jié)果也存在一定差異，可能的原因在于：CT 以X 射線作為成像介質(zhì)呈直線傳播，反映的是不同物質(zhì)對X 射線的吸收程度，屬于硬場成像；EIT 以電流為成像介質(zhì)，電流在生物體內(nèi)沿阻抗較小的方向呈曲線傳播，反映的是不同物質(zhì)的阻抗特性，屬于軟場成像。因此，兩者反映的生物物理量不同，可能導(dǎo)致最后以此為計(jì)算基礎(chǔ)的臨床指標(biāo)呈現(xiàn)一定差異性。另外，在評估肺區(qū)ROI 內(nèi)CL 和OD區(qū)域占比時(shí)，CT 和EIT 的計(jì)算方法不同：對CT 圖像通過閾值分割來劃分OD、CL 或正常狀態(tài)；對EIT 圖像通過求肺區(qū)ROI 內(nèi)像素阻抗順應(yīng)性的加權(quán)求和來計(jì)算劃分。不同的方法可能導(dǎo)致結(jié)果的差異性。

本文首次針對PEEP 滴定比較了EIT 與CT 的差異性，而采用其他醫(yī)學(xué)檢查手段對比EIT 下PEEP滴定結(jié)果的研究未見報(bào)道。前期EIT 與CT 的對照研究已證明EIT 作為床旁監(jiān)測手段的有效性，如Reinartz等[10]通過雙源CT 對照了EIT 下小豬的肺通氣分布狀況，證明了這種手段具有較高的相似性；Meier 等[11]通過CT 證明了EIT 是一種可在床旁監(jiān)測肺復(fù)張和去復(fù)張現(xiàn)象的有效工具。所以，通過前人研究結(jié)果，結(jié)合本研究，可以證明，EIT 在重癥醫(yī)學(xué)中是一種重要的床旁肺通氣評估手段。

本文研究也存在一定的局限性。首先，基于EIT的CL 和OD 評估方法使用單一值代表平臺(tái)壓pplat來進(jìn)行所有的計(jì)算，并且要求在確定最佳PEEP 值的過程中肺順應(yīng)性保持恒定。但事實(shí)上重力會(huì)影響肺順應(yīng)性，使其在豎直方向上存在差異；且如有鐘擺呼吸的情況下，即使在呼氣末屏氣階段肺內(nèi)壓力也不均一[12]。其次，本研究的樣本量較少，在今后的研究中將繼續(xù)增加小豬的樣本量，但初步的結(jié)果已展現(xiàn)了EIT 在機(jī)械通氣中滴定PEEP 的規(guī)律與價(jià)值。

4 結(jié)語

本文以小豬為實(shí)驗(yàn)對象，比較了基于CT 分割得到的CL 和OD 區(qū)域及其滴定的PEEP 值與基于EIT呼吸阻抗順應(yīng)性得到的CL 和OD 區(qū)域及其滴定的PEEP 值兩者之間的差異性。結(jié)果表明EIT 得到的最佳PEEP 值與CT 得到的最佳PEEP 值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，初步證明了EIT 技術(shù)是一種可靠且無創(chuàng)無輻射的、可床旁開展的、有效的PEEP 值滴定方法。在進(jìn)一步積累實(shí)驗(yàn)樣本量，并優(yōu)化計(jì)算方法后，EIT 可早日開展臨床PEEP 滴定的實(shí)驗(yàn)研究。