电阻抗断层成像是一种无创、无辐射、可实时监测肺通气的工具。通过测量胸腔内阻抗的变化,能够以逐次呼吸为基础可视化空气分布情况。电阻抗断层成像最初用于通气监测,但也可通过静脉注射生理盐水来测量灌注。
电阻抗断层成像是一种无创、无辐射、可实时监测肺通气的工具。通过测量胸腔内阻抗的变化,能够以逐次呼吸为基础可视化空气分布情况。电阻抗断层成像最初用于通气监测,但也可通过静脉注射生理盐水来测量灌注。
电阻抗断层成像(EIT)是一种突破性的无创、无辐射成像技术,可用于连续、实时的通气监测。该技术也可应用于肺灌注监测。EIT通过测量和处理胸壁阻抗变化,量化肺部通气和灌注的分布模式。对于临床医生而言,EIT是一种可视化呼吸周期中肺功能动态变化的有力工具。
电阻抗断层成像(EIT)的一项创新应用是利用屏气期间注射高渗溶液后对其动力学进行分析,从而评估肺灌注。随着该溶液流经肺血管系统,会在胸腔内产生阻抗变化。这种间接方法可用于估算灌注模式,显著提升了我们在床旁对肺血流动力学的理解。
电阻抗断层成像(EIT)不仅是一种监测工具,还可对气胸和支气管内插管等呼吸系统疾病起到关键诊断作用。对于接受有创机械通气的患者,EIT有助于识别通气/血流(V/Q)不匹配的病因,而这是其他诊断工具无法实现的。此外,EIT可辅助个体化优化呼吸机参数设置,例如呼气末正压(PEEP)滴定和潮气量调整,从而改善重症监护患者的氧合状况和肺部健康。
总之,电阻抗断层成像(EIT)代表了床旁肺部监测与诊断领域的范式转变。其无创性及数据的即时性使EIT成为现代呼吸医学中不可或缺的工具。随着应用范围的不断扩大,EIT将在深化我们对呼吸系统疾病的认识以及改进呼吸支持策略方面发挥关键作用,尤其在重症监护环境中尤为重要。
电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)是一种肺部监测技术,可通过随时间变化的阻抗差异生成断层图像。该技术通过环绕躯干周向放置的电极注入微弱的交变电流(5–10 mA)来实现(图1A)。阻抗反映了组织对电流流动的阻碍程度。在吸气过程中,阻抗升高;而在呼气过程中,阻抗降低。当存在静脉输液时,阻抗也会发生类似变化。例如,通过中心静脉导管注入电导率高于血液的液体时,会导致电阻抗相应下降1,2,3,4。
出于实用性考虑,EIT的电极(数量为16或32个)被安置于一条带状物上,随后将该带状物环绕于患者胸廓,具体位置位于第4肋间th 和 5th 肋间隙。这种放置方式可提供对肺部的最佳观测视野,并减少膈肌的干扰。在测量过程中,两枚不同的电极依次注入预设电流,其余电极则作为接收电极获取相应的电压读数。该过程以20-50 Hz的频率围绕胸廓快速轮换,对每一对电极重复进行。这种快速轮换使得EIT具有较高的时间分辨率。胸部EIT设备根据每次测量周期的数据计算胸腔横截面内电阻抗的分布情况,并将这些数值转换为二维图像。该图像随后在专用显示器上实时呈现。
EIT 具有多种临床应用。基于阻抗技术,可以监测胸腔内气体分布以及灌注分布,尤其是在给予对比剂以产生肺部阻抗变化的情况下。为接受机械通气的患者确定 PEEP 设置值既具有挑战性,又对减少肺损伤至关重要。此外,EIT 能够随时间追踪通气和灌注的变化,为患者的长期监测提供极为宝贵的数据。在患者病情可能迅速变化的动态临床环境中,这一特性至关重要5。
EIT不仅能够可视化通过流量传感器获得的全局力学信息,或在EIT设备与呼吸机连接时获取呼吸机数据,还能提供关于肺泡过度膨胀和区域性塌陷的关键信息6,7,8,9。所生成的图像可提供肺部功能信息,但并非用于解剖学诊断,且不产生辐射。在美国,目前唯一获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准的EIT设备是ENLIGHT 2100。其他公司现正处于为EIT设备在成人、儿童及新生儿人群中应用获取FDA批准的过程中。本文所使用的硬件(如带子和屏幕)、通气图及灌注图均来自ENLIGHT 2100设备。
EIT系统设置除了监测仪本身外,还包括三个基本部件:电极带、流量传感器和参考电缆。电极带用于获取断层二维图像。EIT肺部图像以二维形式呈现,分辨率可变,例如32 × 32、24 × 24或16 × 16像素,具体取决于胸围尺寸和制造商的规格。图像通过电压测量值并利用重建算法生成。流量传感器为单患者使用设计,提供两种尺寸:一种用于成人和儿科患者,另一种用于新生儿。成人-儿科流量传感器无法测量低于40 mL的潮气量,而新生儿传感器可记录0至100 mL的潮气量。若未连接流量传感器,EIT仅显示阻抗数据。一旦将流量传感器连接至患者,即可实现阻抗波形数据与压力、流量和容积参数的同步。参考电缆可重复使用,作为注入电流值的参考点。

图1:电阻抗断层成像电极带的放置。(A)将电阻抗断层成像电极带环绕胸部置于第4th 和 5th 肋间隙。(B)胸围测量。 通过将卷尺环绕整个胸部来测量胸围。然而,大多数患者长期卧床,无法完成整个胸部的测量。图中展示了一种替代方法:从胸椎棘突测量至胸骨,所得数值乘以2,以估算胸部对侧部分的周长。 请点击此处以查看此图的放大版本。
本视频论文的主要目的是使读者掌握记录和解读EIT图像所需的知识与技能。为实现这一目标,我们将概述EIT的基本原理,展示其对肺部气体分布进行实时可视化的能力,并探讨其在灌注评估中的扩展应用。通过完成这些目标,我们旨在帮助读者自信地将EIT技术应用于肺功能评估。
本文提供的图像已匿名化处理,属于在 ClinicalTrials.gov 注册的正在进行的研究方案的一部分,注册编号为 NCT04497454,并已获得当地伦理委员会批准(巴西圣保罗大学 Incor/HC-FMUSP 4001231)。
1. 如何开始使用EIT设备

图 2:流量传感器的放置位置。(A)流量传感器位于管路与气管插管(ETT)之间。(B)围绕胸廓的带子连接至电阻抗断层成像(EIT)设备。流量传感器连接在气管插管与管路之间。参考电缆连接至腹部电极。缩写:ETT = endotracheal tube。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:电阻抗断层成像监测设备的初始化界面。 以红色星号标记的字段表示必须填写的必要信息,以确保设备正确设置和运行。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4:EIT屏幕显示的动态图像、通气图和体积描记图。屏幕左侧为按区域划分的通气分布(A/P,R/L)。屏幕右侧为通气参数,包括驱动压、PEEP、自动PEEP、PIP、PPlat Alv、VT、CRS、RR和RAW。缩写:EIT = 电阻抗断层成像;A/P = 前/后,R/L = 右/左;PEEP = 呼气末正压;PIP = 气道峰压;PPlat Alv = 肺泡平台压;VT = 潮气量;CRS = 呼吸系统顺应性;RR = 呼吸频率;RAW = 气道阻力。请点击此处查看该图的放大版本。
通气监测
动态图像(图4)通过从深蓝色(通气最差)到白色(通气最佳)的颜色变化,实时显示通气过程中空气分布的区域变化。灰色区域表示通气无变化。动态图像有助于快速识别肺内时间常数的差异以及矛盾通气模式的存在。需要注意的是,在呼吸周期中空气变化受限的区域可能由过度膨胀或肺泡塌陷所致。
“通气图”(图4)展示了在呼吸周期中,气量如何分布于特定横截面。亮蓝色表示接收大部分潮气量的肺区,其颜色强度与吸气和呼气之间阻抗信号的变化成正比。相反,深蓝色代表容积变化较小的区域。通气图可用于评估肺内区域性通气分布。肺被划分为前/后及右/左区域,从而实现对特定区域的详细评估,并可在屏幕上显示相应区域的体积描记图4。
容积描记法胸阻抗变化曲线(图4)表示与潮气量相对应的波幅,其基线相当于肺通气量或功能残气量(FRC)或呼气末肺容积(EELV)。通气信息可用于估算胸腔内总空气容积的相对变化。
屏幕右侧的气道参数(图4)由流量传感器采集,并以波形图和数值形式显示。在控制通气周期中,系统会计算驱动压、自动PEEP、肺泡平台压、顺应性和阻力(右侧数值栏中的参数)。PEEP、峰压、潮气量和呼吸频率等参数将在所有通气周期中显示。使用近端流量传感器可实现通气数据与阻抗数据在同一屏幕上的整合,不受呼吸机品牌或型号的限制。
呼气末正压(PEEP)滴定工具(图5)
患者应与呼吸机保持同步,避免自主呼吸努力和可能影响PEEP滴定的体动。可通过充分镇静实现,必要时可使用肌松剂。流量传感器和呼吸机管路应无任何阻塞物,如液体或分泌物,以确保准确监测。
EIT 可检测区域通气的变化,当与流量计结合时,能够估算区域呼吸力学参数,包括气道压、潮气量和流量。通过计算区域顺应性的变化,EIT 可呈现不同呼气末正压(PEEP)水平下肺塌陷区域和过度膨胀区域所占的百分比。一些研究者建议将 PEEP 调整至过度膨胀百分比(图中白色曲线)与塌陷百分比(图中黑色曲线)两条曲线的交点处 图5 和白色区域在 图6)以及塌陷百分比(蓝色曲线) 在 图5 和蓝色区域在 图6)。在此PEEP水平下,过度膨胀区域和塌陷区域的发生程度均最小(图中橙色曲线) 图5)和肺功能的影响。目前正在进行的研究旨在探讨在过度膨胀与肺泡塌陷的交点处设置呼气末正压(PEEP)是否具有临床优势。

图5:EIT屏幕上PEEP滴定工具。 橙色曲线代表顺应性,白色曲线代表过度膨胀,蓝色曲线代表肺泡塌陷。缩写:EIT = 电阻抗断层成像;PEEP = 呼气末正压。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6:电阻抗断层成像(EIT)屏幕上显示不同呼气末正压(PEEP)值下的过度膨胀(白色)和塌陷(蓝色)百分比及肺顺应性。 缩写:EIT = 电阻抗断层成像;PEEP = 呼气末正压。 请点击此处查看该图的放大版本。
利用电阻抗断层成像评估肺灌注:面向医疗专业人员的指南
电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)近年来被公认为是一种有价值的肺通气监测工具,其通过测量电导率的变化实现功能成像。尽管EIT主要用于评估肺内气体分布,但借助创新性技术,它亦可为肺灌注提供重要的信息。
胸腔内血液流动引起的阻抗变化幅度远小于与通气相关的阻抗变化。因此,电阻抗断层成像(EIT)传统上并未用于测量灌注。然而,某些方法结合静脉注射高渗盐水溶液和屏气操作,可分离并放大与血流相关的阻抗变化。当该溶液流经血管时,会改变血液的电学特性,EIT能够检测到这种变化。通过观察该溶液在肺血管系统中循环所引起的阻抗变化,EIT可间接推断出灌注模式。这种方法使我们能够同时更深入地了解肺内的通气和灌注情况10。此工具仅在美国用于科研目的和/或根据当地医院的规定和/或其他国家法定监管机构的批准使用。
可视化肺灌注
静脉注射高电导率溶液(如高渗盐水或碳酸氢钠)有助于显示肺血管内的血流情况11,12,13。灌注较高的区域表现出与灌注较低区域不同的阻抗模式。这种电阻抗断层成像(EIT)的创新应用可对灌注进行相对评估,并结合通气成像,全面展现肺功能,有助于区分由灌注缺陷引起的低氧血症(通常采用调节肺灌注的疗法治疗)和由通气障碍引起的低氧血症(通常通过通气策略或体位调整来处理)。该应用还可用于监测区域肺灌注在既定治疗(如吸入性一氧化氮、抗凝剂和溶栓药物)下的变化情况。
灌注成像工具
电阻抗断层成像(EIT)中的灌注成像工具专门用于在控制性机械通气期间可视化肺部血流。该方法涉及在短暂的呼吸暂停期间将高渗盐水溶液注入静脉。所得图像显示肺灌注的分布情况,颜色从黄色(表示灌注较高)到深红色(表示灌注较低)不等,呈现在胸部的横截面上(见图7)。

图7:胸部不同区域灌注分布百分比的变化。 图示胸部横截面中前部、后部、右侧和左侧的灌注变化情况,颜色从黄色(灌注较高)到深红色(灌注较低)不等。还可在线播放处理后的视频,显示对比剂先以蓝色流经心脏,随后以红色进入肺部。缩写:A = 前部;P = 后部;R = 右侧;L = 左侧。 请点击此处查看此图的放大版本。
在线与离线分析
EIT 持续测量容积图以及气体在肺内的分布情况。阻抗变化反映潮气量的改变,从而实现对肺部区域功能的评估。容积图以图形方式呈现吸气和呼气过程中肺容积的变化(图8)。可在肺部不同区域测量气体的变化。这是 EIT 最具优势的测量指标之一,因其可评估区域性通气情况。
EIT 设备创建一个 32 × 32 矩阵以映射整个肺区。该矩阵被转换为覆盖整个肺部的网格。网格中的每个微小方格(称为像素)被赋予一个电阻率或阻抗值。阻抗值的变化对应于肺部特定区域肺容积的变化。
利用专用软件,EIT 可将这些阻抗值的变化生成图像。该图像有助于我们理解容积变化的幅度,并以颜色尺度进行表示。亮蓝色代表高容积,深蓝色代表低容积。阻抗无变化或潮气容积无变化则以灰色表示(图8)。本质上,它起到地图的作用,精确定位这些变化在肺内的发生位置。

图8:通气动态图像,显示一个32 × 32的矩阵中的每个像素,共1,024个像素。 通气幅度通过波形的振幅和颜色的强度来表示,其中灰色表示无容积,颜色从亮蓝色到深蓝色分别表示从高到低的容积。 请点击此处查看该图的放大版本。
在多种临床情况下,电阻抗断层成像(EIT)均具有重要应用价值。例如,可用于早期识别可能导致肺损伤的并发症和病理状态,如肺不张、过度膨胀和气胸。肺不张是住院患者中最常见的病理状况之一,表现为肺组织的部分或完全塌陷,导致肺容积减少和气体交换功能受损。EIT 可有效检测肺不张,如图所示 图9A. 图9A 和 图9B 来自同一患者的通气图图像,间隔不到13分钟。在 图9A,仅有23%的阻抗变化发生在后部区域,该区域亮蓝色和深蓝色区域的减少也可见证这一现象。当PEEP从4 cmH₂O增加到10 cmH₂O后2O, 图9B 显示后部肺区通气量增加,从23%上升至43%。与 图9A,患者的顺应性从18.8升至27.6 mL/cmH₂O2O. 值得注意的是,这种增强出现在双侧后部区域,从后部区域加深的浅蓝色和深蓝色区域可以明显看出(图9B此外,驱动压降低,表明进一步增加潮气量和呼气末正压不会对肺部施加额外的应力14,15.

图9不同PEEP值下通气的差异。 (A) 在 PEEP 4 cmH₂O 时2O,图像显示了前部区域(通气较多)与后部区域(通气较少)之间在通气方面的差异。B) 在将呼气末正压(PEEP)从 4 增加至 10 cmH₂O 后2可见后部区域通气明显改善。缩写:PEEP = 呼气末正压。 请点击此处以查看此图的放大版本。
过度扩张是指肺组织超出其生理限度的过度膨胀或拉伸,可能导致肺泡及周围结构的损伤。当机械通气机向肺部输送的压力过高时,可能发生过度扩张。在通气过程中监测肺部区域阻抗可避免过度扩张及肺损伤16。在图10A中,患者的呼气末正压(PEEP)为22 cmH2O,而在图10B中,PEEP降低至12 cmH2O。图10B中的EIT通气动态图像显示前部肺区亮蓝色和深蓝色区域增加,表明通气量增加;同时,后部肺区的亮蓝色和深蓝色区域减少(从67%降至43%),提示与图10A中较高的22 cmH2O PEEP相关的过度扩张得到缓解。此实例展示了EIT识别过度扩张的能力,并有助于在整个肺部实现肺保护性通气策略9。

图10:PEEP的变化。(A)PEEP为22 cmH2O;(B)PEEP为12 cmH2O。请点击此处查看此图的放大版本。
气胸 是一种以胸膜腔内存在空气为特征的病症,胸膜腔是指肺与胸壁之间的空间。空气在此处积聚可导致肺塌陷、纵隔移位以及血流动力学衰竭。通过电阻抗断层成像(EIT),可以实时观察到胸腔阻抗的变化,如通气动态图像17,18,19所示。在通气动态图像中,有一个提示气胸可疑的征象,称为“不同步”征("out of phase" sign)。该征象指肺部阻抗变化在视觉上与呼吸周期不一致。在正常的呼吸周期中,肺部的阻抗变化应与吸气和呼气时相同步。当发生气胸时,通气动态图像会显示出偏离预期模式的现象,即阻抗变化不再与正常的吸气和呼气时相同步。此外,即使已降低呼气末正压(PEEP),容积描记图基线升高,提示呼气末肺阻抗(EELI)增加,也可能进一步提示气胸的存在(图11)。

图11:通气图中的“不同步”征象。 同时,体积描记图显示基线升高,尽管PEEP有所降低。这两项发现均强烈支持并证实气胸的存在。请点击此处查看该图的放大版本。
呼吸功能受损并需要包括有创机械通气在内的支持性干预措施,在住院患者中较为常见。因此,对通气和肺灌注进行监测对于及时、个体化的诊断与治疗至关重要。与X射线和计算机断层扫描(CT-scan)等常规影像学技术不同,电阻抗断层成像(EIT)能够提供无创、无辐射的肺部实时成像,并反映其区域特性1,2,3,4,20。由于具备这些能力,EIT在重症监护病房和手术室的床旁应用中具有重要价值。EIT不仅可用于通气监测,还能够分析肺灌注情况,而后者在目前的常规临床实践中尚难以实现6,7,8。
在机械通气过程中,保护肺部是一个关键的治疗目标。其中一个目标是避免肺不张和肺过度膨胀,这些情况可能导致肺泡损伤。通常使用呼气末正压(PEEP)来预防肺不张并维持肺容积。为个体患者确定最佳PEEP水平,即"PEEP滴定",是一项至关重要的方法,尤其适用于急性呼吸窘迫综合征(ARDS)、肥胖和腹腔高压等状况21,22。
传统的呼气末正压(PEEP)滴定方法依赖于氧合状况和肺力学参数。然而,这种方法无法反映肺部区域性的变化,也无法判断肺部区域是否存在过度膨胀或塌陷。诸如电阻抗断层成像(EIT)等先进技术可在床旁提供吸气和呼气过程中肺部的详细、实时影像。利用EIT进行PEEP滴定,可在最小化肺实质过度膨胀和肺泡塌陷的同时,优化氧合状态和肺力学性能23,24,25,26,27,28。
近年来,EIT 的灌注工具已得到开发,可对区域性肺血流进行详细评估,使医师和医务人员能够估算通气-灌注关系。通过 EIT 评估的肺灌注还被用于判断对通气参数调整、氧合以及肺血管扩张治疗的反应9,23,25,29,30,31。此外,EIT 还可检测到较大的肺灌注缺损,提示可能存在血栓栓塞32,33。
EIT 存在一些禁忌证。首先,目前不建议对安装有起搏器或植入式除颤器的患者使用 EIT。目前尚无研究评估 EIT 信号与起搏器功能之间的电干扰情况。其次,显著的纵隔气肿或皮下气肿等状况可能改变阻抗信号,从而影响对通气和灌注图谱的正确解读。最后,EIT 要求电极带必须与皮肤紧密接触,这在存在胸部敷料的患者中应用时会带来困难34。
在某些情况下必须谨慎操作,避免使用灌注监测工具:正在接受血管加压药物剂量递增的患者;高钠血症患者;存在活动性气胸和/或支气管胸膜瘘的患者;新生儿及儿科患者。将电阻抗断层成像(EIT)用于灌注评估,并结合传统的通气成像,可使医疗专业人员更深入地了解肺功能,有助于在多种临床环境中对患者进行诊断和治疗。
特定人群的注意事项
EIT 技术的原理适用于新生儿、儿科及成年患者,需根据胸围和胸带尺寸相应调整。新生儿用胸带为一次性使用,建议放置时间为 24 小时,而成人则为 48 小时。已专门设计一种流量传感器,可测量该人群相关的小潮气量(3 mL 至 100 mL),并具有相应的 1 mL 死腔。
在线监测可将肺部分为预定义的兴趣区域(ROI),例如四个半区(左、右、前、后)或四个水平层面。然而,离线分析能够提供更深入分析的机会,例如逐像素分析。所有来自电阻抗断层成像(EIT)的数据均存储在一种专有格式中,称为产品信息管理(PIM)文件。PIM文件封装了预处理后的信息,包括断层重建前测得的电压、未滤波信号以及通气参数。为进行离线分析,需将U盘插入EIT设备的插槽,然后选择目标患者。离线分析的优势在于,它提供了理解肺生理学所需的所有详细数据。
作为一种床旁诊断工具,EIT 可辅助诊断肺不张、过度膨胀和气胸等病症。除了临床表现和体格检查外,EIT 能为这些诊断提供详细信息。与传统检查方法相比,EIT 能更快地获取信息,使医生和其他医务人员能够迅速诊断并及时治疗患者24,35,36,37。
学习如何使用和解读EIT至关重要,因为它在临床实践中具有显著优势。其无创性以及实时监测能力使EIT成为医疗专业人员在多种临床环境中极具价值的工具。
Glasiele Alcala、Caio C. A. Morais 和 Marcus Victor 收取了咨询费,而 Carolyn La Vita 收取了证词费,这些费用均来自本研究中所使用设备的制造商 Timpel 公司。Marcelo B. P. Amato 是 Timpel 公司的少数股东。其他作者均无利益冲突。
我们诚挚感谢所有共同作者对本文的贡献,并感谢TIMPEL Medical为本稿件提供设备与支持,给予的慷慨资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 电阻抗断层成像设备(ENLIGHT2100) | Timpel Medical | ||
| 电极带 | Timpel Medical | ||
| 电极带覆盖范围 | Timpel Medical | ||
| 流量传感器 | Philips | ||
| 参考电缆 | Timpel Medical | ||
| 高电导率溶液(例如,高渗盐水、碳酸氢钠) | 不适用 |