電阻抗斷層成像技術（EIT）是根據人體不同組織器官阻抗差異來進行實時監測的一種新興技術，目前已被初步運用于臨床研究和疾病診療。肺灌注是指肺組織的血流灌注功能，許多疾病的發生發展都和肺灌注情況密切相關，所以實時監測肺灌注顯得尤為重要，而EIT的應用和發展進一步促進了肺灌注的監測，相關研究已取得極大進展。針對近幾年相關研究，本文從EIT成像原理、肺灌注成像方法及其在臨床中的應用等幾個方面進行綜述，以期對臨床及科研工作者有所幫助。
引用本文： 佘林君, 周睿, 潘盼, 李展, 劉繼紅, 謝菲. 電阻抗斷層成像技術在肺灌注中的研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2023, 40(6): 1249-1254. doi: 10.7507/1001-5515.202302025 復制
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0 引言
電阻抗斷層成像技術（electrical impedance tomography，EIT）已經有30 多年的發展歷史，是一種根據場域內阻抗分布變化重建場域內部圖像的成像技術。目前，臨床上主要用于監測肺部的通氣及血液灌注，即肺EIT技術，它是指將肺灌注和通氣過程中引起的胸部阻抗變化進行描記，再通過數據傳輸和運算轉換，以圖像形式呈現的一種新興技術。基于臨床監測肺通氣及肺灌注的需求，EIT技術得以迅速發展，其包含了大量的解剖和功能學信息，可為臨床醫生提供較多的患者生理病理資料[1-2]。
在臨床診療過程中，由于患者的氧合狀態不僅和通氣有關，還與肺部血流灌注有著密切聯系。在許多疾病中，醫生都要密切關注患者的肺灌注功能，如肺栓塞（pulmonary embolism，PE）、肺動脈高壓（pulmonary hypertension，PH）以及急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）等。目前，針對上述疾病的診療，常規的輔助檢查技術包括：單光子發射計算機斷層顯像（single-photon emission computed tomography，SPECT）、正電子發射計算機斷層顯像（positron emission tomography，PET）和計算機斷層掃描（computer tomography，CT）等，但在實際應用過程中，均有所局限，比如：會給患者造成一定劑量輻射；只能顯示患者某一時刻的身體狀態，不能連續成像；需將患者從病房轉移至檢查室等[3-4]。而EIT則具有無創性、實時性、連續性、無輻射性、可進行床旁監測等優點，故本文從EIT的成像原理出發，對其在監測肺灌注功能中的應用展開論述，總結其目前在危重癥診療方面的研究進展及面臨的一些問題，以期為臨床及科研工作者進一步研究指明方向。
1 EIT的成像原理
人體由不同的組織器官構成，不同的組織細胞、細胞外液、細胞間連接、胸部氣體及血液灌注的電導率不同。細胞質和細胞間質導電特性非常相似，但細胞膜既有絕緣特性又有一定導電的特性，所以細胞質和細胞間質可等效成具有阻值可變特性的電阻，細胞膜可看成電容器件，通過施加安全激勵電流，采集由激勵電流引起的相應變化，即可具現人體阻抗在病理生理狀態下的變化，進而達到成像的目的[5]。測量時，將一條有16或32個電極的電極帶固定于胸部第四或第五肋間隙，在某一電極施加安全的激勵電流后采集其他電極的電信號，根據得到的數據進行圖像重建[2, 5-6]，從而達到實時描記因通氣及灌注引起的胸部阻抗變化的作用。臨床使用時，還可根據實際需求設置相應的感興趣區域（region of interest，ROI），通過調整ROI的位置和大小參數，進行定制相應區域的圖像，一般從腹側致背側分為四層，并命名為ROI1～ROI4區，且將ROI3～ROI4區認定為肺重力依賴區[5]。區域阻抗波形圖像與全域阻抗波形圖像相比，它顯示的是特定ROI內阻抗變化的總和，由此可以比較肺部不同區域內的阻抗變化，即比較肺的區域通氣及灌注分布情況。
EIT具有很多優點，但也存在一定不足，比如：空間分辨率不高、信噪比較低、數據處理復雜、易受外界干擾、若有設備干擾（如電刀、超聲刀或除顫儀等）則無法進行測量等。另外，EIT是在二維平面上沿著顱腦尾骨方向的通氣和灌注三維分布的驗證投影，但由于它只是使用了一條帶有電極片的電極帶穿戴或者粘貼在胸部，所以它只能監測某一平面的肺灌注和通氣功能，而不能監測全肺[7-8]。
2 EIT監測肺灌注成像的方法
呼吸時人體胸部產生的阻抗變化遠遠大于血液灌注時產生的阻抗變化，所以監測肺灌注成像較為困難，研究者為了解決這一問題，通常采用注射高導電造影劑法和周期性肺血管搏動法進行灌注成像，其中后者又包括了頻域濾波（frequency-domain filtering，FDF）、心電門控（electrocardiogram gating，ECGG）、主成份分析（principal component analysis，PCA）、呼吸屏氣（respiratory pause，RP）[9]。
2.1 注射高導電造影劑法
注射高導電造影劑法較為常用，也叫鹽水推注EIT成像法或造影劑增強EIT成像法。此方法是通過在呼氣末屏氣期間由導管注射3%～20% 的氯化鈉（NaCl）溶液來實施的[6,10-12]，原理是基于呼氣末屏氣時胸部的阻抗變化跟通氣無關，而由灌注和胸腔內血容量變化決定。因此，鹽水在推注后依次通過右心房、右心室和肺動脈時會產生首過動力學稀釋效應。在此過程中，所引起的阻抗變化反映了肺正向血流，肺灌注豐富的區域就會表現出高電導率，收集的胸部阻值數據下降，最后再根據得到的阻抗—時間變化曲線進行圖像重建。目前常采用轉換模型法和斜率分析法進行數據分析，Bluth等[8]通過斜率分析法對13頭豬進行實驗觀察肺通氣和灌注，最終得出EIT和PET在測量和跟蹤肺灌注相對變化方面具有一致性，顯示出注射高導電造影劑法在EIT監測肺灌注上的可行性與可靠性。Mauri等[13]也是通過該分析方法對新型冠狀病毒感染（corona virus disease 2019，COVID-19）行氣管插管的10 例重癥患者使用EIT監測肺灌注。最近， Kircher等[12]在豬的ARDS模型中運用轉換模型法，優化了EIT-γ函數擬合，簡化了量化算法，顯示出較好的可操作性和潛在的臨床應用價值。
總的來說，該方法顯示出了較好的可行性和優越性。但也存在著一些不足，如：短時間內較大量的鹽水輸注可能會導致滲透性脫髓鞘綜合征、電解質紊亂（高氯血癥、高鈉血癥和低鉀血癥）、代謝性酸中毒和腎臟損害等[8]。同時，研究者們在造影劑濃度的選擇上也未達成一致，一些研究推薦使用10%的NaCl溶液來進行測量，但本方法還缺乏大樣本的臨床研究數據支撐和相應的專家共識，因此需要更多的臨床及基礎實驗研究來改進和完善注射高導電造影劑EIT灌注成像法。
2.2 周期性肺血管搏動法
在EIT監測肺灌注的過程中，其相應阻抗變化的原始數據是肺灌注、肺通氣及心臟泵血對應阻抗變化的融合，而肺灌注和心臟泵血之間又存在著關聯，所以可基于周期性肺血管搏動，通過不同的方法分析提取肺灌注對應的阻抗變化[7]。
周期性肺血管搏動法是基于肺的血液灌注與肺的血管搏動相一致的原理進行肺灌注監測，是一種傳統的監測方法。但由于肺血管搏動受很多因素的影響，研究者們對該方法進行了改進，根據不同的數據收集和分析方法，將其分為頻域濾波、心電門控、主成份分析、呼吸屏氣[7, 9]。
頻域濾波，是指將收集到的原始數據通過巴特沃斯（Butterworth）濾波器分離EIT的灌注和通氣信號相關分量。1997年Kühnel等[14]提出該方法，隨后有研究者運用該方法進行研究，發現可以通過EIT進行肺灌注功能評估。Stowe等[15]通過改進的濾波技術測量了10名健康成年人的自主呼吸及灌注，并評估通氣和灌注的區域分布及其關系，證明了該方法可以有效地分離自主呼吸受試者的通氣和灌注信號。
心電門控，指EIT的數據采集與心電圖的R波同步，該方法同時采集多個心電周期，以減少數據中與通氣相關的阻抗變化。在分析所得數據時，可以在圖像序列中研究心臟體積的動態變化，特別是收縮末期相對于舒張末期的心室體積變化，這些變化對應著心臟射出的血液量，即肺灌注量[4]。最近，研究人員探究了該方法在監測健康志愿者和重癥患者每搏輸出量上的可靠性，結果表明與經肺熱稀釋法（transpulmonary thermodilution，TPTD）測得的結果有很好的一致性，證實了EIT可以通過分析肺區域的心同步阻抗變化來評估每搏輸出量變化[16-17]。
主成份分析，是一種多變量統計分析方法，通過正交變換將收集到的一組可能存在相關性的變量數據轉換為一組線性不相關的變量，轉換后的變量被稱為主成份[18]。有研究者使用該分析方法處理收集到的阻抗變化數據，顯示出EIT可以作為一種新的無創心肺監測工具，具有同時、連續測量每搏輸出量和潮氣量的可行性[19]。
呼吸屏氣，是指在使用EIT監測時使實驗對象保持短暫的呼吸暫停，同時進行數據采集。短暫的呼吸暫停可以使脈沖同步阻抗變化即時可視化，每條脈沖同步EIT曲線通常與收縮期的阻抗迅速下降相一致，即可得到表示肺動脈血管搏動、肺部血液灌注時對應的阻抗變化數據[19]。Fagerberg等[20]使用呼吸屏氣的方法監測8頭豬的每搏輸出量，該研究以人為方式制造每搏量差異，結果顯示EIT可以準確評估肺灌注的差異。
上述收集和分析數據的方法可以實時監測具體的肺灌注變化，采用的方式主要是基于測量肺血管的脈搏波動變化，而不是測量實際的正向肺血流量。但由于血管搏動易受肺血管的擴張性、肺微血管床的大小和通暢性的影響，因此如果發生肺小血管栓塞以及實質結構改變等變化，上述基于搏動方法的監測結果可能會出現偏差[21]。注射高導電造影劑法，是通過人為改變胸部血液灌注過程中的阻抗來進行成像；而周期性肺血管搏動法是基于心臟泵血功能，并運用不同的數據收集和處理方法進行成像。雖前者是有創性方法，但由于后者需要復雜的數據處理且信噪比較低，研究者目前仍多使用前者進行研究。
數據收集完成后，在根據所得數據進行圖像重建時，EIT的逆問題算法尤為重要。逆問題是指根據已知電壓或電流求電導率的分布及其變化，包括多種重建算法，如以線性反投影法、層剝法等為代表的直接重建算法；以牛頓—拉夫遜法、格拉茨共識重建法等為代表的迭代類算法；以極大后驗估計法等為代表的概率統計類算法等[22]。目前，對于非線性逆問題的求解多采用迭代類算法實現圖像重建，深度學習算法、一步高斯牛頓法和格拉茨共識重建法在臨床上運用較多[15]。近年來，研究者們逐漸關注EIT-CT融合成像法，該方法用CT圖像中胸腔及肺部輪廓為重建圖像邊界提供先驗信息，再結合重建算法使得重建圖像更接近肺部真實情況[23]。利用先驗信息能夠提高重建算法解的正確性，但該成像方法仍處于初步研究階段，如何更好地促使二者融合仍有待進一步探索。
3 EIT監測肺灌注的臨床應用
由于EIT具有床旁、實時、無創監測等特性，再結合它具有監測肺灌注、肺通氣和氣體分布的能力，可以廣泛應用于呼吸系統與心血管系統疾病的診療[24]。目前，臨床上EIT的肺灌注成像主要應用于監測和輔助診療一些呼吸危重癥疾病，如PE、PH、ARDS等。
3.1 EIT監測肺灌注在PE診療中的應用
PE是指由于血栓阻塞肺動脈而產生的臨床綜合征。目前臨床診斷PE的金標準為CT肺動脈造影（CT pulmonary angiography，CTPA），它可直接顯示出血栓的部位、形態、大小以及與管腔的關系等。但由于其存在危重癥患者轉運風險高、輻射劑量大、易產生造影劑過敏、患有嚴重腎臟疾患患者禁忌使用等不足，臨床及科研工作者都致力于尋找一項新的技術來協助診療。隨著EIT在肺灌注成像方面表現出的優勢，使其在PE的診療中得到廣泛研究，并顯現出較好的應用前景[25]。
Nguyen等[26]提出一種新的測量策略，該策略具有新的電極配置與聚焦模式，用以補償不同邊界形狀和不同呼吸條件對灌注信號的影響。通過在分段阻塞到大規模阻塞的不同位置和不同程度PE事件上進行模擬測試發現，這種新的測量方式預估PE的肺灌注結果可靠。根據最近一項針對急性呼吸衰竭的 PE 和非PE患者的前瞻性觀察研究發現，較高的肺內分流百分比、較高的通氣死腔百分比和不匹配的通氣/血流（ventilation/perfusion，V/Q）都可以預測PE，研究結果進一步支持了EIT對PE的診斷作用[27]。另外，Wang等[28]也報道了一位患有膀胱癌和前列腺癌的老年男性，在成功行腹腔鏡下根治性膀胱切除術和回腸代輸尿管術后第6 d右肺動脈干、右肺動脈分支和左肺動脈分支出現血栓栓塞的病例，他們通過EIT監測到肺灌注缺損后，行CTPA檢查確診并給予相應溶栓治療。在一例與COVID-19相關的高凝狀態下青少年肺血栓形成的病例中，Foronda等[4]發現經EIT床旁監測探查到的肺動脈搏動性降低與CT掃描中發現的灌注缺損對應。最近文獻[29]報道了一例因COVID-19而導致呼吸衰竭的老年男性，由于其病情不支持行CT掃描，故改為EIT檢測后，發現右肺灌注約占22%，左肺灌注面積約占78%，右肺通氣約占65%，患者的灌注缺陷表明其存在PE，在給予患者抗凝治療后，其灌注分布顯著改善。
如今，EIT技術已經初步運用于臨床PE的診療當中，總體來說，在對PE的診斷上應用較多，而在治療過程中對比治療前后溶栓效果等臨床療效的研究較少，且其診斷的敏感性相比于CTPA也有一定的差距，如文獻[27]研究表明，當死腔面積比例大于30.37%時，此時診斷PE的敏感度和特異度才分別為90.9%和98.6%。今后，隨著數字圖像質量的不斷提升和數據處理算法的不斷進步，EIT監測肺灌注成像作為PE診斷的新型診療技術，其應用也將日益廣泛而深入。
3.2 EIT監測肺灌注在PH診療中的應用
PH是一類以肺動脈壓（pulmonary artery pressure，PAP）升高、右心室進行性重塑為主要病理生理特征，以右心衰竭為終點的惡性心血管類疾病。目前臨床上診斷PH的金標準是右心漂浮導管檢查，但因其有創，很難成為臨床常規檢查手段[30-32]。有研究者通過對比健康人和PH患者的肺血管床EIT信號的差異，發現患者組肺血管床的阻抗變化降低，說明重塑的肺血管床在肺灌注時流入的血液較少，可能存在肺血管數量減少和順應性降低[31]。Proen?a等[32]提出并研究了一種對PH患者的肺動脈壓進行無創監測的新方法，通過EIT數據估算出與肺動脈壓相關的脈沖傳輸時間，發現肺動脈壓水平升高與不同病理PH 的脈沖傳輸時間縮短相關，表明了EIT可以在多種病理生理條件下監測肺動脈壓的變化，這為PH患者提供了新的替代方案。2020 年，該團隊又通過EIT監測到低氧誘導健康志愿者的肺動脈壓改變，結果顯示與經胸超聲心動圖測算的估計值具有很好的一致性[33]。最近，Hovnanian等[34]使用EIT評估了PH患者肺灌注阻抗變化與血流動力學特征、嚴重程度和預后之間的關系，發現基線時測量的阻抗變化越小，患者病情越嚴重，表明EIT在判斷PH患者預后方面有著巨大的優勢。EIT在PH診療上的優勢在于能夠較早發現肺部血液灌注時微弱的阻抗變化，從而推斷出PH患者肺部血管重塑的嚴重程度，進而能夠達到及早發現、及時干預治療的目的；且一些研究也證實了EIT與超聲心動圖測量的肺動脈壓之間存在較好的一致性，這些都說明EIT可以對PH患者進行無創評估及預后判斷[33]。
3.3 EIT監測肺灌注聯合肺通氣在ARDS診療中的應用
ARDS是一種急性彌漫性炎癥性肺損傷，由肺炎、非肺部感染、創傷、輸血、燒傷、誤吸或休克等易感危險因素誘發。其臨床特征為動脈低氧血癥和彌漫性影像學改變，伴肺內分流增加、肺泡死腔樣通氣增加和肺順應性降低[35]。在對ARDS的治療過程中，臨床醫生需要動態監測患者肺通氣血流分布狀況，以明確ARDS的演變情況。此時，醫生可以根據EIT成像明確ARDS肺通氣與灌注的變化情況，優化呼吸機參數設置，同時監測有無相關并發癥發生。
目前，探索EIT肺灌注聯合肺通氣監測在ARDS診療及機械通氣呼氣末正壓（positive end expiratory pressure，PEEP）滴定時的作用的研究已較多。Spinelli等[2]以50例不同嚴重程度的ARDS患者為研究對象，應用EIT監測患者的僅肺灌注單位百分比和僅肺通氣單位百分比，發現二者之和可以作為患者死亡率的獨立預測因子，其和越大（匹配單位的截斷值為27%），患者預后越差（預測死亡率為77%，特異性為87%），提示ARDS病情越重。此外，該團隊還在研究中指出，由于氧合和肺順應性差異，PEEP對不同嚴重程度患者的影響不同，利用床旁EIT技術監測評估通氣/灌注的情況，對于識別死亡風險較高患者和指導重癥患者治療具有重大意義。文獻[36]比較了COVID-19相關性ARDS和非COVID-19相關性ARDS患者不同模式下對PEEP反應，該研究根據EIT結果將肺泡過度膨脹和塌陷的最小和定義為最佳PEEP值，結果顯示，與非COVID-19相關性ARDS患者相比，COVID-19相關性ARDS患者在低PEEP下表現出較多的肺泡塌陷，在高PEEP下表現出較少的過度膨脹。在使用機械通氣治療時，過度通氣往往發生在腹側區域，并導致阻抗升高，這些情況均可通過EIT檢測到。在這些區域，由于信號在整個呼吸周期中不會有明顯變化，因此EIT監測儀顯示為類似發生在非通氣區域一樣的沉默顯像[37]。Pavlovsky等[38]利用EIT技術探索應用PEEP治療ARDS的部位效應及機制時發現，在非重力依賴區域通過減少死腔通氣，而在中間區域和重力依賴區域減少肺內分流，可以改善區域V/Q比例失調。另外，在ARDS患者中，血管外肺水（extravascular lung water，EVLW）的監測也顯得尤為重要，它是指除肺血管腔以外的肺組織含水，包括肺泡內水腫液、肺間質水液、細胞內水液等，其數值變化與肺水腫密切相關，對于進行液體治療管理具有十分重要的作用[39]。研究發現，運用EIT監測血管外肺水具有一定的可行性，比如Kunst等[40]評估了14 例連續非心源性急性呼吸衰竭患者的 EVLW 水平，發現經EIT與經溫度—染料雙指示劑稀釋技術監測到的結果具有良好的相關性和可重復性。
EIT具有良好的區域可視化功能，相較于傳統的整體呼吸力學參數，它更能有效地針對患者進行個性化治療。EIT在指導重癥ARDS患者的個性化PEEP滴定及俯臥位通氣的治療、監測區域V/Q及EVLW上具有很好的應用價值。
4 小結與展望
綜上所述，EIT根據人體呼吸及灌注時阻抗變化的不同來顯示全域或者某一區域肺組織的病理生理特點。在監測肺灌注成像的方法學上，有注射高導電造影劑法和周期性肺血管搏動法等，它們有著各自的優缺點。有學者表示，注射高導電造影劑法比周期性肺血管搏動法在可行性和準確性方面更為優越，研究者可以根據實際情況加以選擇[7]。另外，EIT在監測肺灌注的臨床應用上也具有較好的前景，該技術能夠為臨床醫生提供較多的病理生理學信息，當前相關應用主要集中在協助明確PE、PH等疾病的診斷和預后判斷，指導ARDS患者進行個性化治療等。雖然利用EIT進行診療已相對成熟，但EIT在判斷肺通氣、肺灌注改變的病因上缺乏特異性，仍需大規模臨床研究進一步深入探索，以分析不同病因引起的肺部病理改變有無差異。另，由于低分辨率、低信噪比和數據處理紛繁復雜等因素， EIT的應用仍有局限。相信隨著數據采集技術的更新和算法的優化，以及大規模臨床試驗的開展，EIT的規范化監測將在臨床得到更加廣泛應用。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：佘林君負責相關文獻的收集、整理和論文撰寫；周睿參與文獻資料分析；潘盼、李展、劉繼紅對論文提出撰寫和修改建議；謝菲負責論文選題、修改和審校。
0 引言
電阻抗斷層成像技術（electrical impedance tomography，EIT）已經有30 多年的發展歷史，是一種根據場域內阻抗分布變化重建場域內部圖像的成像技術。目前，臨床上主要用于監測肺部的通氣及血液灌注，即肺EIT技術，它是指將肺灌注和通氣過程中引起的胸部阻抗變化進行描記，再通過數據傳輸和運算轉換，以圖像形式呈現的一種新興技術。基于臨床監測肺通氣及肺灌注的需求，EIT技術得以迅速發展，其包含了大量的解剖和功能學信息，可為臨床醫生提供較多的患者生理病理資料[1-2]。
在臨床診療過程中，由于患者的氧合狀態不僅和通氣有關，還與肺部血流灌注有著密切聯系。在許多疾病中，醫生都要密切關注患者的肺灌注功能，如肺栓塞（pulmonary embolism，PE）、肺動脈高壓（pulmonary hypertension，PH）以及急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）等。目前，針對上述疾病的診療，常規的輔助檢查技術包括：單光子發射計算機斷層顯像（single-photon emission computed tomography，SPECT）、正電子發射計算機斷層顯像（positron emission tomography，PET）和計算機斷層掃描（computer tomography，CT）等，但在實際應用過程中，均有所局限，比如：會給患者造成一定劑量輻射；只能顯示患者某一時刻的身體狀態，不能連續成像；需將患者從病房轉移至檢查室等[3-4]。而EIT則具有無創性、實時性、連續性、無輻射性、可進行床旁監測等優點，故本文從EIT的成像原理出發，對其在監測肺灌注功能中的應用展開論述，總結其目前在危重癥診療方面的研究進展及面臨的一些問題，以期為臨床及科研工作者進一步研究指明方向。
1 EIT的成像原理
人體由不同的組織器官構成，不同的組織細胞、細胞外液、細胞間連接、胸部氣體及血液灌注的電導率不同。細胞質和細胞間質導電特性非常相似，但細胞膜既有絕緣特性又有一定導電的特性，所以細胞質和細胞間質可等效成具有阻值可變特性的電阻，細胞膜可看成電容器件，通過施加安全激勵電流，采集由激勵電流引起的相應變化，即可具現人體阻抗在病理生理狀態下的變化，進而達到成像的目的[5]。測量時，將一條有16或32個電極的電極帶固定于胸部第四或第五肋間隙，在某一電極施加安全的激勵電流后采集其他電極的電信號，根據得到的數據進行圖像重建[2, 5-6]，從而達到實時描記因通氣及灌注引起的胸部阻抗變化的作用。臨床使用時，還可根據實際需求設置相應的感興趣區域（region of interest，ROI），通過調整ROI的位置和大小參數，進行定制相應區域的圖像，一般從腹側致背側分為四層，并命名為ROI1～ROI4區，且將ROI3～ROI4區認定為肺重力依賴區[5]。區域阻抗波形圖像與全域阻抗波形圖像相比，它顯示的是特定ROI內阻抗變化的總和，由此可以比較肺部不同區域內的阻抗變化，即比較肺的區域通氣及灌注分布情況。
EIT具有很多優點，但也存在一定不足，比如：空間分辨率不高、信噪比較低、數據處理復雜、易受外界干擾、若有設備干擾（如電刀、超聲刀或除顫儀等）則無法進行測量等。另外，EIT是在二維平面上沿著顱腦尾骨方向的通氣和灌注三維分布的驗證投影，但由于它只是使用了一條帶有電極片的電極帶穿戴或者粘貼在胸部，所以它只能監測某一平面的肺灌注和通氣功能，而不能監測全肺[7-8]。
2 EIT監測肺灌注成像的方法
呼吸時人體胸部產生的阻抗變化遠遠大于血液灌注時產生的阻抗變化，所以監測肺灌注成像較為困難，研究者為了解決這一問題，通常采用注射高導電造影劑法和周期性肺血管搏動法進行灌注成像，其中后者又包括了頻域濾波（frequency-domain filtering，FDF）、心電門控（electrocardiogram gating，ECGG）、主成份分析（principal component analysis，PCA）、呼吸屏氣（respiratory pause，RP）[9]。
2.1 注射高導電造影劑法
注射高導電造影劑法較為常用，也叫鹽水推注EIT成像法或造影劑增強EIT成像法。此方法是通過在呼氣末屏氣期間由導管注射3%～20% 的氯化鈉（NaCl）溶液來實施的[6,10-12]，原理是基于呼氣末屏氣時胸部的阻抗變化跟通氣無關，而由灌注和胸腔內血容量變化決定。因此，鹽水在推注后依次通過右心房、右心室和肺動脈時會產生首過動力學稀釋效應。在此過程中，所引起的阻抗變化反映了肺正向血流，肺灌注豐富的區域就會表現出高電導率，收集的胸部阻值數據下降，最后再根據得到的阻抗—時間變化曲線進行圖像重建。目前常采用轉換模型法和斜率分析法進行數據分析，Bluth等[8]通過斜率分析法對13頭豬進行實驗觀察肺通氣和灌注，最終得出EIT和PET在測量和跟蹤肺灌注相對變化方面具有一致性，顯示出注射高導電造影劑法在EIT監測肺灌注上的可行性與可靠性。Mauri等[13]也是通過該分析方法對新型冠狀病毒感染（corona virus disease 2019，COVID-19）行氣管插管的10 例重癥患者使用EIT監測肺灌注。最近， Kircher等[12]在豬的ARDS模型中運用轉換模型法，優化了EIT-γ函數擬合，簡化了量化算法，顯示出較好的可操作性和潛在的臨床應用價值。
總的來說，該方法顯示出了較好的可行性和優越性。但也存在著一些不足，如：短時間內較大量的鹽水輸注可能會導致滲透性脫髓鞘綜合征、電解質紊亂（高氯血癥、高鈉血癥和低鉀血癥）、代謝性酸中毒和腎臟損害等[8]。同時，研究者們在造影劑濃度的選擇上也未達成一致，一些研究推薦使用10%的NaCl溶液來進行測量，但本方法還缺乏大樣本的臨床研究數據支撐和相應的專家共識，因此需要更多的臨床及基礎實驗研究來改進和完善注射高導電造影劑EIT灌注成像法。
2.2 周期性肺血管搏動法
在EIT監測肺灌注的過程中，其相應阻抗變化的原始數據是肺灌注、肺通氣及心臟泵血對應阻抗變化的融合，而肺灌注和心臟泵血之間又存在著關聯，所以可基于周期性肺血管搏動，通過不同的方法分析提取肺灌注對應的阻抗變化[7]。
周期性肺血管搏動法是基于肺的血液灌注與肺的血管搏動相一致的原理進行肺灌注監測，是一種傳統的監測方法。但由于肺血管搏動受很多因素的影響，研究者們對該方法進行了改進，根據不同的數據收集和分析方法，將其分為頻域濾波、心電門控、主成份分析、呼吸屏氣[7, 9]。
頻域濾波，是指將收集到的原始數據通過巴特沃斯（Butterworth）濾波器分離EIT的灌注和通氣信號相關分量。1997年Kühnel等[14]提出該方法，隨后有研究者運用該方法進行研究，發現可以通過EIT進行肺灌注功能評估。Stowe等[15]通過改進的濾波技術測量了10名健康成年人的自主呼吸及灌注，并評估通氣和灌注的區域分布及其關系，證明了該方法可以有效地分離自主呼吸受試者的通氣和灌注信號。
心電門控，指EIT的數據采集與心電圖的R波同步，該方法同時采集多個心電周期，以減少數據中與通氣相關的阻抗變化。在分析所得數據時，可以在圖像序列中研究心臟體積的動態變化，特別是收縮末期相對于舒張末期的心室體積變化，這些變化對應著心臟射出的血液量，即肺灌注量[4]。最近，研究人員探究了該方法在監測健康志愿者和重癥患者每搏輸出量上的可靠性，結果表明與經肺熱稀釋法（transpulmonary thermodilution，TPTD）測得的結果有很好的一致性，證實了EIT可以通過分析肺區域的心同步阻抗變化來評估每搏輸出量變化[16-17]。
主成份分析，是一種多變量統計分析方法，通過正交變換將收集到的一組可能存在相關性的變量數據轉換為一組線性不相關的變量，轉換后的變量被稱為主成份[18]。有研究者使用該分析方法處理收集到的阻抗變化數據，顯示出EIT可以作為一種新的無創心肺監測工具，具有同時、連續測量每搏輸出量和潮氣量的可行性[19]。
呼吸屏氣，是指在使用EIT監測時使實驗對象保持短暫的呼吸暫停，同時進行數據采集。短暫的呼吸暫停可以使脈沖同步阻抗變化即時可視化，每條脈沖同步EIT曲線通常與收縮期的阻抗迅速下降相一致，即可得到表示肺動脈血管搏動、肺部血液灌注時對應的阻抗變化數據[19]。Fagerberg等[20]使用呼吸屏氣的方法監測8頭豬的每搏輸出量，該研究以人為方式制造每搏量差異，結果顯示EIT可以準確評估肺灌注的差異。
上述收集和分析數據的方法可以實時監測具體的肺灌注變化，采用的方式主要是基于測量肺血管的脈搏波動變化，而不是測量實際的正向肺血流量。但由于血管搏動易受肺血管的擴張性、肺微血管床的大小和通暢性的影響，因此如果發生肺小血管栓塞以及實質結構改變等變化，上述基于搏動方法的監測結果可能會出現偏差[21]。注射高導電造影劑法，是通過人為改變胸部血液灌注過程中的阻抗來進行成像；而周期性肺血管搏動法是基于心臟泵血功能，并運用不同的數據收集和處理方法進行成像。雖前者是有創性方法，但由于后者需要復雜的數據處理且信噪比較低，研究者目前仍多使用前者進行研究。
數據收集完成后，在根據所得數據進行圖像重建時，EIT的逆問題算法尤為重要。逆問題是指根據已知電壓或電流求電導率的分布及其變化，包括多種重建算法，如以線性反投影法、層剝法等為代表的直接重建算法；以牛頓—拉夫遜法、格拉茨共識重建法等為代表的迭代類算法；以極大后驗估計法等為代表的概率統計類算法等[22]。目前，對于非線性逆問題的求解多采用迭代類算法實現圖像重建，深度學習算法、一步高斯牛頓法和格拉茨共識重建法在臨床上運用較多[15]。近年來，研究者們逐漸關注EIT-CT融合成像法，該方法用CT圖像中胸腔及肺部輪廓為重建圖像邊界提供先驗信息，再結合重建算法使得重建圖像更接近肺部真實情況[23]。利用先驗信息能夠提高重建算法解的正確性，但該成像方法仍處于初步研究階段，如何更好地促使二者融合仍有待進一步探索。
3 EIT監測肺灌注的臨床應用
由于EIT具有床旁、實時、無創監測等特性，再結合它具有監測肺灌注、肺通氣和氣體分布的能力，可以廣泛應用于呼吸系統與心血管系統疾病的診療[24]。目前，臨床上EIT的肺灌注成像主要應用于監測和輔助診療一些呼吸危重癥疾病，如PE、PH、ARDS等。
3.1 EIT監測肺灌注在PE診療中的應用
PE是指由于血栓阻塞肺動脈而產生的臨床綜合征。目前臨床診斷PE的金標準為CT肺動脈造影（CT pulmonary angiography，CTPA），它可直接顯示出血栓的部位、形態、大小以及與管腔的關系等。但由于其存在危重癥患者轉運風險高、輻射劑量大、易產生造影劑過敏、患有嚴重腎臟疾患患者禁忌使用等不足，臨床及科研工作者都致力于尋找一項新的技術來協助診療。隨著EIT在肺灌注成像方面表現出的優勢，使其在PE的診療中得到廣泛研究，并顯現出較好的應用前景[25]。
Nguyen等[26]提出一種新的測量策略，該策略具有新的電極配置與聚焦模式，用以補償不同邊界形狀和不同呼吸條件對灌注信號的影響。通過在分段阻塞到大規模阻塞的不同位置和不同程度PE事件上進行模擬測試發現，這種新的測量方式預估PE的肺灌注結果可靠。根據最近一項針對急性呼吸衰竭的 PE 和非PE患者的前瞻性觀察研究發現，較高的肺內分流百分比、較高的通氣死腔百分比和不匹配的通氣/血流（ventilation/perfusion，V/Q）都可以預測PE，研究結果進一步支持了EIT對PE的診斷作用[27]。另外，Wang等[28]也報道了一位患有膀胱癌和前列腺癌的老年男性，在成功行腹腔鏡下根治性膀胱切除術和回腸代輸尿管術后第6 d右肺動脈干、右肺動脈分支和左肺動脈分支出現血栓栓塞的病例，他們通過EIT監測到肺灌注缺損后，行CTPA檢查確診并給予相應溶栓治療。在一例與COVID-19相關的高凝狀態下青少年肺血栓形成的病例中，Foronda等[4]發現經EIT床旁監測探查到的肺動脈搏動性降低與CT掃描中發現的灌注缺損對應。最近文獻[29]報道了一例因COVID-19而導致呼吸衰竭的老年男性，由于其病情不支持行CT掃描，故改為EIT檢測后，發現右肺灌注約占22%，左肺灌注面積約占78%，右肺通氣約占65%，患者的灌注缺陷表明其存在PE，在給予患者抗凝治療后，其灌注分布顯著改善。
如今，EIT技術已經初步運用于臨床PE的診療當中，總體來說，在對PE的診斷上應用較多，而在治療過程中對比治療前后溶栓效果等臨床療效的研究較少，且其診斷的敏感性相比于CTPA也有一定的差距，如文獻[27]研究表明，當死腔面積比例大于30.37%時，此時診斷PE的敏感度和特異度才分別為90.9%和98.6%。今后，隨著數字圖像質量的不斷提升和數據處理算法的不斷進步，EIT監測肺灌注成像作為PE診斷的新型診療技術，其應用也將日益廣泛而深入。
3.2 EIT監測肺灌注在PH診療中的應用
PH是一類以肺動脈壓（pulmonary artery pressure，PAP）升高、右心室進行性重塑為主要病理生理特征，以右心衰竭為終點的惡性心血管類疾病。目前臨床上診斷PH的金標準是右心漂浮導管檢查，但因其有創，很難成為臨床常規檢查手段[30-32]。有研究者通過對比健康人和PH患者的肺血管床EIT信號的差異，發現患者組肺血管床的阻抗變化降低，說明重塑的肺血管床在肺灌注時流入的血液較少，可能存在肺血管數量減少和順應性降低[31]。Proen?a等[32]提出并研究了一種對PH患者的肺動脈壓進行無創監測的新方法，通過EIT數據估算出與肺動脈壓相關的脈沖傳輸時間，發現肺動脈壓水平升高與不同病理PH 的脈沖傳輸時間縮短相關，表明了EIT可以在多種病理生理條件下監測肺動脈壓的變化，這為PH患者提供了新的替代方案。2020 年，該團隊又通過EIT監測到低氧誘導健康志愿者的肺動脈壓改變，結果顯示與經胸超聲心動圖測算的估計值具有很好的一致性[33]。最近，Hovnanian等[34]使用EIT評估了PH患者肺灌注阻抗變化與血流動力學特征、嚴重程度和預后之間的關系，發現基線時測量的阻抗變化越小，患者病情越嚴重，表明EIT在判斷PH患者預后方面有著巨大的優勢。EIT在PH診療上的優勢在于能夠較早發現肺部血液灌注時微弱的阻抗變化，從而推斷出PH患者肺部血管重塑的嚴重程度，進而能夠達到及早發現、及時干預治療的目的；且一些研究也證實了EIT與超聲心動圖測量的肺動脈壓之間存在較好的一致性，這些都說明EIT可以對PH患者進行無創評估及預后判斷[33]。
3.3 EIT監測肺灌注聯合肺通氣在ARDS診療中的應用
ARDS是一種急性彌漫性炎癥性肺損傷，由肺炎、非肺部感染、創傷、輸血、燒傷、誤吸或休克等易感危險因素誘發。其臨床特征為動脈低氧血癥和彌漫性影像學改變，伴肺內分流增加、肺泡死腔樣通氣增加和肺順應性降低[35]。在對ARDS的治療過程中，臨床醫生需要動態監測患者肺通氣血流分布狀況，以明確ARDS的演變情況。此時，醫生可以根據EIT成像明確ARDS肺通氣與灌注的變化情況，優化呼吸機參數設置，同時監測有無相關并發癥發生。
目前，探索EIT肺灌注聯合肺通氣監測在ARDS診療及機械通氣呼氣末正壓（positive end expiratory pressure，PEEP）滴定時的作用的研究已較多。Spinelli等[2]以50例不同嚴重程度的ARDS患者為研究對象，應用EIT監測患者的僅肺灌注單位百分比和僅肺通氣單位百分比，發現二者之和可以作為患者死亡率的獨立預測因子，其和越大（匹配單位的截斷值為27%），患者預后越差（預測死亡率為77%，特異性為87%），提示ARDS病情越重。此外，該團隊還在研究中指出，由于氧合和肺順應性差異，PEEP對不同嚴重程度患者的影響不同，利用床旁EIT技術監測評估通氣/灌注的情況，對于識別死亡風險較高患者和指導重癥患者治療具有重大意義。文獻[36]比較了COVID-19相關性ARDS和非COVID-19相關性ARDS患者不同模式下對PEEP反應，該研究根據EIT結果將肺泡過度膨脹和塌陷的最小和定義為最佳PEEP值，結果顯示，與非COVID-19相關性ARDS患者相比，COVID-19相關性ARDS患者在低PEEP下表現出較多的肺泡塌陷，在高PEEP下表現出較少的過度膨脹。在使用機械通氣治療時，過度通氣往往發生在腹側區域，并導致阻抗升高，這些情況均可通過EIT檢測到。在這些區域，由于信號在整個呼吸周期中不會有明顯變化，因此EIT監測儀顯示為類似發生在非通氣區域一樣的沉默顯像[37]。Pavlovsky等[38]利用EIT技術探索應用PEEP治療ARDS的部位效應及機制時發現，在非重力依賴區域通過減少死腔通氣，而在中間區域和重力依賴區域減少肺內分流，可以改善區域V/Q比例失調。另外，在ARDS患者中，血管外肺水（extravascular lung water，EVLW）的監測也顯得尤為重要，它是指除肺血管腔以外的肺組織含水，包括肺泡內水腫液、肺間質水液、細胞內水液等，其數值變化與肺水腫密切相關，對于進行液體治療管理具有十分重要的作用[39]。研究發現，運用EIT監測血管外肺水具有一定的可行性，比如Kunst等[40]評估了14 例連續非心源性急性呼吸衰竭患者的 EVLW 水平，發現經EIT與經溫度—染料雙指示劑稀釋技術監測到的結果具有良好的相關性和可重復性。
EIT具有良好的區域可視化功能，相較于傳統的整體呼吸力學參數，它更能有效地針對患者進行個性化治療。EIT在指導重癥ARDS患者的個性化PEEP滴定及俯臥位通氣的治療、監測區域V/Q及EVLW上具有很好的應用價值。
4 小結與展望
綜上所述，EIT根據人體呼吸及灌注時阻抗變化的不同來顯示全域或者某一區域肺組織的病理生理特點。在監測肺灌注成像的方法學上，有注射高導電造影劑法和周期性肺血管搏動法等，它們有著各自的優缺點。有學者表示，注射高導電造影劑法比周期性肺血管搏動法在可行性和準確性方面更為優越，研究者可以根據實際情況加以選擇[7]。另外，EIT在監測肺灌注的臨床應用上也具有較好的前景，該技術能夠為臨床醫生提供較多的病理生理學信息，當前相關應用主要集中在協助明確PE、PH等疾病的診斷和預后判斷，指導ARDS患者進行個性化治療等。雖然利用EIT進行診療已相對成熟，但EIT在判斷肺通氣、肺灌注改變的病因上缺乏特異性，仍需大規模臨床研究進一步深入探索，以分析不同病因引起的肺部病理改變有無差異。另，由于低分辨率、低信噪比和數據處理紛繁復雜等因素， EIT的應用仍有局限。相信隨著數據采集技術的更新和算法的優化，以及大規模臨床試驗的開展，EIT的規范化監測將在臨床得到更加廣泛應用。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：佘林君負責相關文獻的收集、整理和論文撰寫；周睿參與文獻資料分析；潘盼、李展、劉繼紅對論文提出撰寫和修改建議；謝菲負責論文選題、修改和審校。