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EIT在ARDS患者中的临床应用

谢俊刚 华中科技大学同济医学院附属同济医院 发布于2024-09-19 浏览 1686 收藏

作者:谢俊刚

单位:华中科技大学同济医学院附属同济医院呼吸与危重症医学科


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一、EIT技术原理简介


1. 概念
电阻抗成像(electrical impedance tomography,EIT)通过在人体表面放置的电极注入微弱安全电流和测量表面电压,并利用相应的成像算法获得人体内部的电阻抗变化分布情况,以此来反映与之相关的生理病理信息。EIT是唯一床旁、非侵入、无放射、实时、连续动态监测全局和局部肺功能的技术,可以成为传统影像设备的有效补充或替代方案。
2. 技术发展史
1978年,美国Henderson和Webster教授首次提出临床上使用EIT监测肺通气。1987年,英国Sheffield大学Barber和Brown等建立了第一个完整的DMS-Mark Ⅰ System。1995年,英国Sheffield大学Brown和Smith等建立了能够用于人体研究的Mark Ⅱ系统。1999年, 开始研究三维EIT图像。2010年, Draeger推出第一款用于临床的产品, 获得了欧洲认证。2010年后, 多家企业也陆续推出通过注册认证的EIT产品。
人体组织符合电场特性,不同组织间存在较大的阻抗差异,同一组织在不同生理状态下阻抗值也不相同。当生物组织发生病变时,与正常时的阻抗区分明显。因此,为EIT的应用提供了理论基础。生物组织阻抗特性与频率有关,不同的测量频率下阻抗特性各异。一般认为,人体安全电压是36 V,人体安全电流是10 mA。图1是肺的成像模式图,蓝色表示肺的通气良好;红色代表的是肺的血流信号,提示肺血流灌注较好。
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图1  肺的EIT图像


图2胸部CT可见左下肺明显不张,EIT图像表现为4区亮度减弱,提示该区域肺通气不良。图3胸部CT可见左侧肺动脉血栓,导致肺部血流灌注不足,EIT图像表现为左肺血流灌注下降。
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图2  肺不张情况下EIT图像


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图3  肺部存在血栓情况下EIT图像


                                                                                                                
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二、EIT在ARDS患者中的临床应用



以经典的ARDS为例,肺容积小且顺应性差,肺内改变不均一,肺损伤主要表现为容积伤、气压伤、生物伤以及萎陷伤(不张伤)。既往治疗常通过小潮气量通气、滴定最佳PEEP、控制平台压<30 cmH2O、控制驱动压<15 cmH2O等方法来降低肺损伤,或者通过食道压测量跨肺压滴定最佳PEEP。无论哪种方法,提供的都是一种思路,患者肺内情况究竟如何一直无法进行直观的观察。EIT应用的初衷就是希望通过成熟的电学成像技术打开这一盲区,实现个体化呼吸系统管理和精细化肺保护。

随着危重症患者管理的精细化,重症患者的全程肺保护性管理越来越受到重视,人们开始注意到肺损伤本身是一种恶性循环的机制,当损伤发生,肺泡-毛细血管屏障受到破坏,液体渗出,肺水肿加重,气体交换障碍,导致患者低氧,在这样的状态下,患者呼吸驱动加强,跨肺压增大,气体摆动加剧,肺泡受到的剪切伤导致肺损伤进一步加重。因此,如何避免肺损伤成为医学上重要的问题。

EIT在ARDS患者不同病程阶段都有应用,包括通过EIT监测各种呼吸支持治疗的影响、指导个体化通气设置、滴定最佳PEEP、早期发现并发症等(图4)


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图4  EIT在ARDS中的应用


1. EIT指导呼吸支持方式的选择及监测通气效果
图5所示同一患者在使用经鼻高流量氧疗时,1区(右肺)通气不良,更换为无创通气(NIV)后,患者通气状况改善。
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图5  EIT指导呼吸支持方式的选择


注:上图为HFNC,下图为NIV。图源:Dr. BaldassareFerro, Italia
通过EIT发现:早期俯卧位有利于通气均一性的改善,降低肺损伤发生风险(图6)
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图6  EIT监测俯卧位通气效果


注:Ref为仰卧位;C为俯卧位。
2. 气胸发生前预警和识别呼吸钟摆现象
在ARDS发生过程中,无论是肺基础疾病,还是进行肺复张,由于自主呼吸过强导致跨肺压增加,可能都会有气胸的风险。由于肺气肿和肺大疱的部分顺应性较差,因此与顺应性更好的健康肺区相比,组织时间常数增大,充盈在呼吸周期中发生得较晚,计算不同肺区充盈的区域延迟与整体信号的对比发现,与其他肺区相比,受影响的肺区在气胸发生前1 min出现明显的通气延迟。如图7所示,当第72 s发生单侧气胸,检测到单个肺象限的RVD(区域通气延迟)变化时,提示有气胸风险,临床医生可以考虑采取预防措施,防止气胸发生,例如改变体位或减少潮气量。图7D中蓝色表示气胸区域通气延迟,红色表示胸腔内通气区域通气提前。由此可见,EIT对气胸的发生有预警作用。
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图7  发生单侧气胸时的EIT成像


气胸发生后可以观察到患者右肺腹侧的通气提前,且血流灌注减弱。

                                                                                                    
         如果EIT监测到患者背侧的塌陷区域向腹侧移动的过程,可能提示呼吸钟摆现象。
                                                                                                                 
3. 最佳PEEP滴定
2021年发表在Respir Med 杂志的一项研究,将PEEPP从6 cmH2O有规律地增加到8、10、12、14 cmH2O,发现呼气末肺电阻抗(EELI)也随之增加。如果肺复张后EELI下降超过10%(ΔEELI>10%),则认为PEEP水平不足,需要增加PEEP,直至EELI保持稳定。研究发现, 当PEEPP为10 cmH2O时患者获益最佳, 如果继续增加PEEP, 可能有发生气胸的风险。
整体不均一指数(global inhomogeneity index,GI指数)是指通过EIT计算的各像素点潮气阻抗变化值离散程度,用于反映区域肺通气的不均匀性。通过最小GI法测出的最佳PEEP为14 cmH2O图8,而采用最佳顺应性法测出的最佳PEEP也为14 cmH2O(图9),可见GI在指导PEEP滴定方面是非常精准的,有较高的临床应用价值。
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图8  通过最小GI法测得的最佳PEEP


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图9  通过最佳顺应性法测得的最佳PEEP


区域通气延迟/通气的时间异质性(regional ventilation delay,RVD)指在恒定气体流量的缓慢充气过程中,测量区域和全局阻抗变化达到各自阻抗变化最大值的40%的时间差,与总吸气时间相比,用于显示区域变化的时间常数,即通气的时间异质性。正常情况下,肺泡扩张,“阻抗-时间”曲线直线上升,对于顺应性好的区域,充气快,阻抗变化大,呈“凸型”;顺应性差的区域充气慢,阻抗变化小,呈“凹型”(图10)
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图10  阻抗-时间曲线变化


注:A为腹侧,B为背侧。
PEEP递减,对区域通气延迟不均匀性(RVDI)进行测量;PEEP在20 cmH2O以下,RVDI逐渐增加(图11箭头),这表明潮汐复张也增加了,20 cmH2O的PEEP可能与最小潮汐复张有关。基于EIT的“单独优化PEEP”水平是防止RVDI逐渐增加的最小PEEP水平,选择区域通气延迟最低的值作为最优PEEP值,结果显示出较好的结果。
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11  RVDI指导PEEP滴定


将EIT测得结果与"金标准"CT测定的潮汐复张量进行对比,发现两者具有良好的相关性。另外,RVD也可以用于评估参数合理性。如图12所示,相比于A图,B图中出现了通气(时间)延迟,可能是出现了肺泡潮汐开放(陷闭-开放),提示参数设置不合理,需要进行调整。
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12  RVD评估参数合理性


此外,过度扩张率和肺泡塌陷指数也可指导PEEP滴定。分别在高PEEP和低PEEP情况下,通过肺泡的过度扩张率和塌陷指数的相交点,升PEEP曲线交点作为开放压,降PEEP曲线交点作为维持压,以此指导参数的设定。图13所示,患者在不同PEEP水平下(20、18、16、14、12 cmH2O),橙色代表过度扩张率,白色代表肺泡塌陷率,取两条曲线的相交点作为PEEP的最佳选择点。
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图13   过度扩张率和肺泡塌陷指数滴定PEEP
多项研究显示,与基于压力-容积曲线拐点上方2 cmH2O、基于PEEP/FiO2表以及基于压力-容积曲线的PEEP滴定相比,EIT指导下的PEEP滴定在降低住院死亡率、缩短机械通气时间、提高患者依从性方面更具优势。
4. 对ARDS治疗效果的评估
EIT可用于评估治疗方案对呼气末肺泡塌陷的影响。研究显示,患者吸痰时,断开管路,呼气末阻抗曲线骤然下降。基线阻抗增加,反映得是呼气末肺容积增加。这样的曲线变化可用于指导肺复张和PEEP调节。
EIT用于胸部物理治疗的评估。ARDS患者充分及时的胸部物理治疗有利于及时排除分泌物,改善通气,控制感染。通过EIT图像可以直观看到患者在拍背吸痰前,肺的通气不均一。在拍背吸痰后,肺的通气更加均一(图14)
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图14  胸部物理治疗前后ARDS患者EIT图像


注:左图为拍背吸痰前。右图为拍背吸痰后。
EIT还可评估肺复张的治疗效果。如图15所示,患者左肺通气不良明显,伴有血流信号降低。增加PEEP以后,肺复张明显。血流灌注改善可能与肺血管阻力改善有关,但仍需进一步研究。这也提示:PEEP的调节既能改变通气分布,也能改变肺部血流灌注,综合影响肺换气的结局。
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图15  EIT评估肺复张疗效


一例重度ARDS患者,VV-ECMO支持,肺复张反应差。仰卧位时PEEP为6 cmH2O,俯卧位时PEEP为16 cmH2O。将PEEP从6 cmH2O增加到16 cmH2O,对背侧塌陷改善的比例:3区18%增大到25%,4区6%增大到8%。从趋势视图差分图像上可以观察到,背侧通气增多的蓝色图像很少,而腹侧因过度膨胀比例增大,通气反而减少了很多(图16。所以此类患者不建议采用高PEEP进行肺复张。
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图16   重度ARDS患者EIT图像


上述患者可以采取俯卧位通气。俯卧位前腹侧可能存在过度膨胀,背侧通气不良;俯卧位后,整体的通气分布改善。从EIT趋势图可以看到腹侧通气降低,背侧通气改善(图17)
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17   EIT评估俯卧位效果
通过EIT还可以观察通气/血流匹配情况(图18)
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图1  EIT评估通气/血流匹配


图19所示为一例肺动脉高压患者吸入一氧化氮(NO)治疗的EIT图像。NO吸入前,通气强度降低可能是由于呼吸窘迫症状缓解;NO吸入1 h后,血流强度较前增强。
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图19   吸入NO治疗前后EIT图像比较


在脱机拔管过程中自主呼吸会带来呼吸摆动现象,肺内通气的时间异质性增加,RVD可用于直观观察脱机拔管过程中患者呼吸驱动的强度(图20)。自主呼吸下的呼吸摆动越强,预示患者自主呼吸驱动越强。
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20   RVD预测撤机拔管结局


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三、小结



EIT在ARDS患者呼吸管理中的临床应用实际上是一种可视化肺保护的临床应用。我们可以通过直观观察EIT图像来了解患者的通气和血流情况,从而更精细化地进行呼吸治疗管理。



   参考文献    

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    作者介绍    

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谢俊刚

华中科技大学同济医学院附属同济医院呼吸与危重症医学科科室副主任,教授、主任医师,博士研究生导师;中华医学会呼吸病学分会慢阻肺学组委员,中国慢阻肺联盟常委,中国医师协会呼吸医师分会急危重症工作委员会委员,武汉市医学会呼吸病学分会副主任委员,湖北省医学会呼吸病学分会常务委员,湖北省慢阻肺联盟主任委员,湖北省病理生理学会呼吸专业委员会副主任委员;《中华结核和呼吸杂志》《国际呼吸杂志》通讯编委,《内科急危重症杂志》编委;长期从事呼吸系统疾病基础及临床研究工作,承担重大专项1项,国家自然科学基金面上项目6项,参与973项目2项。在国内外杂志发表中英文论文100余篇,参与获得教育部科技进步奖一等奖。


感谢武汉市中心医院耿爽医师参与本文的校对工作



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