CN111449657A - 一种床旁的基于盐水造影肺通气-血流灌注电阻抗断层成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种床旁的基于盐水造影肺通气‑血流灌注电阻抗断层成像方法。另外，本发明还公开了基于上述方法的图像监测装置、图像监测***、肺栓塞诊断***。本发明的方法提高了血流灌注成像质量，并以此计算出死腔通气％，肺内分流％，区域性通气‑血流匹配％，更具实用性。利用本发明的方法可以诊断肺栓塞，敏感性90.9％，特异性98.6％，具有很高的临床应用价值。
Description
技术领域
本发明属于临床医学领域，具体涉及一种床旁的基于盐水造影肺通气-血流灌注电阻抗断层成像方法。
背景技术
电阻抗断层成像(EIT)技术是一种用于研究和检测人类和动物中区域肺通气和灌注(血液流动)的非侵入性成像技术。与常规方法相反，EIT不需要患者通过管道或传感器呼吸，不应用电离X射线，并且可以用于长时间，例如24小时或甚至更长时间。因此，EIT可以连续使用，因此适合于实时和长期监测治疗效果。EIT于1983年首次用于监测呼吸功能，并保持允许肺容积、血流量和心脏活动的区域变化的连续的、非侵入性检测的唯一的床边方法。该技术的更多细节可以在“Electrical impedance tomography"by Costa E.L.,LimaR.G.,and Amato M.B.in Curr Opin Crit Care,Feb.2009,15(1),p.18-24中找到。
在EIT中，如美国专利US5626146所披露的，多个电极，通常从8到32个，设置在要检查的身体的表面上。控制单元确保电信号，例如电流施加在皮肤上的一对或多对电极以形成电场，其反过来由其它电极检测。用于施加电流的电极称为“电流注入电极”，尽管其中一个可能作为基准电位，例如接地。通常情况下，3至10mARMS在0.1-1000kHz的频率范围内注入。采用剩余的电极，检测所产生的电压(形成“EIT数据向量”或“扫描帧”)并随后用于估计身体中电阻抗的分布。具体的算法得到开发以将一组电压转换成图像。
目前基于电阻抗技术(EIT)的床旁肺血管灌注成像质量较差，受到心脏跳动、肺血管搏动等电阻信号的干扰，在临床上应用性差。为了提高成像质量，有研究开发了盐水造影技术电阻抗成像技术方法，通过中心静脉导管注射盐水，同时呼吸暂停，采集胸腔电阻信号的变化，建立盐水造影的局部电阻-时间变化曲线，但电阻-时间曲线分析方法种类较多，在注射盐水过程中，识别盐水到达右心房，减少电阻信号容易干扰，影响成像分析，获取准确的盐水首次到时肺时间点是一难题，目前有学者通过同时评估，某一区域肺区电阻下降和心脏电阻下降的时间的不一致来确定，但实用性差和费时。
床旁肺血流灌注成像分析，目前电阻抗技术多集中的在通气和血流的分布百分比，属于半定量评估，在技术上难以深入到通气死腔、肺内分流的等量化计算。
本申请旨在在解决床旁电阻抗肺血流灌注成像的技术难题，提高准确度和应用价值。
发明内容
技术问题
本发明的目的之一在于提供了一种床旁的基于盐水造影肺通气-血流灌注电阻抗断层成像方法。
本发明的目的之二在于提供一种图像监测装置。
本发明的目的之三在于提供一种图像监测***。
本发明的目的之四在于提供一种肺栓塞的诊断方法和诊断***。
技术方案
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种床旁的基于盐水造影肺通气-血流灌注电阻抗断层成像方法。所述方法包括如下步骤：
(1)呼吸屏气测试，要求最少8秒以上；
(2)注射盐水进行肺血流灌注造影，持续采集胸部电阻抗信号的变化；
(3)对电阻信号数据进行离线分析。
步骤(1)的具体操作如下：呼吸屏气测试，要求最少8秒以上(呼吸机机械通气时，按呼气或吸气屏气按键10s；自主呼吸患者嘱屏气8秒)；呼吸屏气测试通过后，方可行盐水造影EIT检查。
本发明的注射盐水的浓度为10％，注射量为10ml。
步骤(2)的具体操作如下：受试者连接肺电阻抗监测仪器，准备10％NaCl10ml，确认受试者已建立中心静脉导管；呼吸屏气开始后，从中心静脉导管注射10％NaCl 10ml到体内进行肺血流灌注造影；注射盐水前2分钟开始持续采集胸部电阻抗信号的变化。
步骤(3)对电阻信号数据进行离线分析包括：
a、构建肺血流灌注图像；
b、构建肺通气图像；
c、构建肺通气/血流分布图像。
步骤a中构建肺血流灌注图像的具体操作如下：屏气期间整体电阻曲线开始下降作为盐水进入体内的起点(T0)，一个心动周期后作为盐水进入肺血管的起点(T1)，整体电阻的最低点作为盐水通过肺血管的终点(T2)，T0-T1时间段的电阻曲线反映盐水进入右心，不反映肺血管灌注，为减少干扰，分析中不予采纳该时段的曲线；应用T1-T2时间段的各个肺区域的电阻-时间变化曲线(斜率拟合)进行构建。
步骤b中构建肺通气图像的具体操作如下：通过注射前1分钟内至少5个连续的呼吸周期的肺电阻变化进行肺通气图像构建。
步骤c中构建肺通气/血流分布图像的具体操作如下：肺通气图像和肺血流灌注图像以最大像素点的20％做阈值构建肺通气/血流分布图像。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种图像监测装置，所述装置包括数据接收器，图像处理器和控制器。
所述数据接收器负责接收基于肺电阻抗监测仪器测定的肺通气阻抗数据、肺血液灌注阻抗数据。
所述图像处理器负责将肺通气阻抗数据、肺血液灌注阻抗数据生成肺通气图像、肺血液灌注图像。所述图像处理器根据前面所述的方法将阻抗数据生成图像。
所述控制器负责根据屏幕模式和测量部位控制显示肺通气图像、肺血液灌注图像中的至少一个。
控制器可包括图像和波形输出控制模块、阻抗测量控制模块，和信息确定和传输模块。
图像和波形输出控制模块可配置为根据预设的屏幕模式或想要监测的对象的测量部位来控制显示肺通气图像、肺血流灌注阻抗图像和肺通气/血流分布图像中的至少一个。
测量部位可以指关于对象的肺部、心脏中的至少一个的状态更准确监测的部位。
屏幕模式可包括基于对象的某个病理状态划分的多个屏幕区域以显示肺通气图像、肺血流灌注阻抗图像和肺通气/血流分布图像中的至少一个。
阻抗测量控制模块可配置为控制电阻抗监测仪器测量对象胸部处的肺通气阻抗数据、肺血流灌注阻抗数据。
信息确定和传输模块可配置为控制由数据接收器和图像处理器实施的特征，并将所接收到的肺通气阻抗数据、肺血流灌注阻抗数据、传输给图像处理器，以使得肺通气阻抗数据、肺血流灌注阻抗数据能够生成为图像。
而且，信息确定和传输模块可配置为控制将所接收的肺通气阻抗数据、肺血流灌注阻抗数据、和所生成的肺通气阻抗图像、肺血流灌注阻抗图像中的至少一个传输到外部。
根据本发明的又一个方面，本发明提供了一种图像监测***，所述***包括前面所述的图像监测装置。
进一步，所述***还可以包括肺电阻抗监测仪器。所述肺电阻抗监测仪器负责测定肺通气阻抗数据、肺血液灌注阻抗数据。
根据本发明的又一个方面，本发明提供一种肺栓塞的诊断方法，所述方法包括利用前面所述的方法构建肺通气/血流分布图像，计算死腔通气％(只有通气但无血流灌注的区域在总区域的百分比)，当死腔通气％>30.37％诊断为肺栓塞。
根据本发明的又一个方面，本发明提供了一种肺栓塞诊断***，所述诊断***包括诊断装置，所述诊断装置运行前面所述的诊断方法。
优选地，所述***还包括前面所述的图像监测装置。
更优选地，所述***还包括肺电阻抗监测仪器。
肺栓塞是指各种栓子进入肺循环阻塞肺动脉或其他分支引起肺循环障碍的临床和病理生理综合症，它包括肺血栓栓塞、脂肪栓综合症、羊水栓塞、空气栓塞等。
技术效果
本发明的方法中通气去除一个心动周期的电阻信号有效低减少心脏的干扰，可靠地识别盐水照影剂首次到达肺区的时间节点，并可最大可能保持原有的肺区域。
本发明的方法中提出试验前-需要呼吸屏气评估，提高血流分布评估的有效率。
本发明的方法中经过筛选确定了20％的阈值，提高血流灌注成像的质量，并以此计算出死腔通气％，肺内分流％，区域性通气-血流匹配％(V/Q Macth％)，更具实用性。
利用本发明的方法可以诊断肺栓塞，敏感性90.9％，特异性98.6％，具有很高的临床应用价值。
附图说明
图1显示电阻抗-时间曲线图；
图2显示右心图像和肺血流灌注图像，其中A：右心图像；B：肺血流灌注图像；
图3显示ROC曲线图；
图4显示肺栓塞患者A的肺部图像，其中A：肺血管CT造影；B：肺通气图像；C：肺血流灌注图像；D：肺通气/血流分布图像；
图5显示血胸患者B的肺部图像，其中A：肺CT造影；B：肺通气图像；C：肺血流灌注图像；D：肺通气/血流分布图像。
具体实施方式
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
实施例 肺通气/血流分布图像构建与联合分析
测量病例与数据采集
本研究经本单位伦理委员会通过。入组标准为临床诊断呼吸衰竭患者，且已经建立中心静脉导管注射药物治疗。排除标准胸部畸形或行电阻抗监测存在禁忌(局部皮肤损害)。
患者信息：33名女性，50名男性，平均年龄62岁，大部分是呼吸衰竭患者。
EIT原始数据由PulmoVista 500(
Lübeck，Germany)采集，包含16个感应电极的EIT电极带放置于患者第四至第六肋间，参考电极置于腹部。电流激励模式为相邻激励模式，单幅EIT图像含有32×32个像素，每秒包含20帧图像。EIT图像的后续处理基于MATLABR2015b(Mathworks，Natick，Massachusetts，USA)。
首先，呼吸屏气测试，要求最小8秒以上(呼吸机机械通气时，先予适当镇静，调整呼吸机为完全控制通气模式，按呼气或吸气屏气按键10s；自住呼吸患者嘱屏气8秒)；呼吸屏气测试通过后，方可行盐水造影EIT检查。
然后，病人连接肺电阻抗监测仪器，准备10％NaCl 10ml，确认患者已建立中心静脉导管(颈内静脉或锁骨下静脉导管均可)。3)盐水注射：一般要求2位操作者一起完成，其中一位在确认EIT机器工作正常，启动患者呼吸屏气同时，发号注射盐水的指令；另外一位操作者得到确认指令后，即刻从中心静脉导管快速注射10％NaCL 10ml到患者体内；在整个操作期间EIT监测仪开启记录模式，在注射盐水前2分钟开始持续采集胸部电阻抗信号数据，全过程要求至少持续5分钟，完整记录屏气期间注射盐水导致肺电阻下降的过程。再次，对电阻信号数据离线分析，分析步骤如下：
1、屏气期间整体电阻曲线开始下降作为盐水进入体内的起点(T0)，一个动周期后作为盐水进入肺血管的起点(T1)，整体电阻的最低点作为盐水通过肺血管的终点(T2)，T0-T1时间段的电阻曲线反映盐水进入右心，不反映肺血管灌注，为减少干扰，分析中不予采纳该时段的曲线；应用T1-T2时间段的各个肺区域的电阻-时间变化曲线(斜率拟合)进行肺血流灌注图像构建(图1和图2)；肺血流灌注图像的建构如下：
(1)第i个像素点灌注量计算ΔZi(t)＝ait+b，t时间，为采纳分析的区域性电阻-时间曲线时间段，ai拟合曲线斜率，局部斜率可以反映灌注量的大小；
(2)肺灌注图像分布图公式
其中ag*为第g个像素点的相对肺灌注量，a为区域电阻的拟合直线的斜率；N为肺区的像素点总数。所得相对肺灌注分布图像，每个像素的灌注量占总灌注量的百分比；
2、通过注射前1分钟内至少5个连续的呼吸周期的肺电阻变化进行肺通气图像构建；肺通气图像的建构公式如下：
其中Vi为通气图线的总像素点，N纳入的呼吸周期数量；ΔZi,Ins为吸气相对电阻变化，ΔZi,Exp为呼气相对电阻变化；
3、经过优选0-40％阈值，确定了肺通气图像和肺血流图像以最大像素点的20％做阈值构建肺通气/血流分布图像；具体公式如下：
Vk＞20％×max(VK), K∈[1,1024]
K定义为局部具有通气的像素点，
Pg＞20％×max(PG), G∈[1,1024]
g定义为局部具有灌注的像素点；
4、肺通气图和血流灌注分布区域拟合分析获得通气-血流的联合参数：
死腔通气％：只有通气但无血流灌注的区域在总区域的百分比；
肺内分流％：只有血流灌注但无通气的区域在总区域的百分比；
区域性通气-血流匹配％(V/Q Macth％)：既有血流灌注也有通气的区域在总区域的百分比。
经研究验证，上述方法可以有效识别呼吸衰竭患者肺内血流通气分布的异常，在纳入的83例重症患者中，11例诊断为急性肺栓塞，72例患者临床不诊断肺栓塞。应用本发明的相关技术参数死腔通气％>30.37诊断急性肺栓塞，敏感性90.9％，特异性98.6％，诊断效能显著优于传统血清学指标DD二聚体。ROC曲线如图3所示。
典型病例：
肺栓塞患者A，基本信息：男，59，肺癌术后出现急性呼吸衰竭，经确诊为急性肺栓塞。
肺血管CT造影(图4A)提示肺栓塞，右侧肺动脉可见血栓，肺通气图像(图4B)正常，肺血流灌注图像(图4C)发现右侧肺血流下降，肺通气/血流分布图像(图4D)发现右侧死腔通气增加，和临床诊断一致。
血胸患者B，基本信息：男性，40，呼吸衰竭，胸腔肋间动脉破裂出血导致血胸。
肺CT造影(图5A)提示左下胸腔血胸，肺通气图像(图5B)提示左下通气缺失，肺血流灌注图像(图5C)提示左下通气缺失，肺通气/血流分布图像(图5D)提示左下通气/血流均缺失，和临床诊断一致。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种床旁的基于盐水造影肺通气-血流灌注电阻抗断层成像方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)呼吸屏气测试，要求最少8秒以上；
(2)注射盐水进行肺血流灌注造影，持续采集胸部电阻抗信号的变化；
(3)对电阻信号数据进行离线分析；
优选地，步骤(1)的具体操作如下：呼吸屏气测试，要求最少8秒以上：呼吸机机械通气时，按呼气或吸气屏气按键10s；自主呼吸患者嘱屏气8秒；呼吸屏气测试通过后，方可行盐水造影EIT检查；
优选地，注射盐水的浓度为10％，注射量为10ml；
更优选地，步骤(2)的具体操作如下：受试者连接肺电阻抗监测仪器，准备10％NaCl10ml，确认患者已建立中心静脉导管；呼吸屏气开始后，从中心静脉导管注射10％NaCl10ml到体内进行肺血流灌注造影；注射盐水前2分钟开始持续采集胸部电阻抗信号的变化；
优选地，步骤(3)对电阻信号数据进行离线分析包括：
a、构建肺血流灌注图像；
b、构建肺通气图像；
c、构建肺通气/血流分布图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a的操作包括：屏气期间整体电阻曲线开始下降作为盐水进入体内的起点，命名为T0，一个心动周期后作为盐水进入肺血管的起点，命名为T1，整体电阻的最低点作为盐水通过肺血管的终点，命名为T2，T0-T1时间段的电阻曲线反映盐水进入右心；应用T1-T2时间段的各个肺区域的电阻-时间变化曲线通过斜率拟合构建肺血流灌注图像。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b的操作包括：通过注射前1分钟内至少5个连续的呼吸周期的肺电阻变化进行肺通气图像构建。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c的操作包括：肺通气图像和肺血流灌注图像以最大像素点的20％做阈值构建肺通气/血流分布图像。
5.一种图像监测装置，其特征在于，所述装置包括图像处理器，所述图像处理器负责将肺通气阻抗数据、肺血液灌注阻抗数据生成肺通气图像、肺血液灌注图像；所述图像处理器根据权利要求1-4中任一项所述的方法将阻抗数据生成图像；
优选地，所述装置包括数据接收器，所述数据接收器负责接收基于肺电阻抗监测仪器测定的肺通气阻抗数据、肺血液灌注阻抗数据；所述数据接收器与所述图像处理器连接。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括控制器，所述控制器负责根据屏幕模式和测量部位控制显示肺通气图像、肺血液灌注图像中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制器包括图像和波形输出控制模块、阻抗测量控制模块，和信息确定和传输模块；
图像和波形输出控制模块可配置为根据预设的屏幕模式或想要监测的对象的测量部位来控制显示肺通气图像、肺血流灌注阻抗图像和肺通气/血流分布图像中的至少一个；
阻抗测量控制模块可配置为控制电阻抗监测仪器测量对象胸部处的肺通气阻抗数据、肺血流灌注阻抗数据；
信息确定和传输模块可配置为控制由数据接收器和图像处理器实施的特征，并将所接收到的肺通气阻抗数据、肺血流灌注阻抗数据、传输给图像处理器，以使得肺通气阻抗数据、肺血流灌注阻抗数据能够生成为图像。
8.一种图像监测***，其特征在于，所述***包括权利要求5-7中任一项所述的图像监测装置；优选地，所述***还包括肺电阻抗监测仪器。
9.一种肺栓塞诊断方法，其特征在于，所述方法包括利用权利要求1所述的方法构建肺通气/血流分布图像，计算死腔通气％，当死腔通气％>30.37％时诊断为肺栓塞。
10.一种肺栓塞诊断***，其特征在于，所述***包括诊断装置，所述诊断装置运行权利要求9所述的方法；优选地，所述***还包括权利要求5-7中任一项所述的图像监测装置；更优选地，所述***还包括肺电阻抗监测仪器。
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