基于电阻抗断层成像技术设定呼气末正压对急性呼吸窘迫综合征患者肺功能及肺部并发症的影响

Effect of setting positive end-expiratory pressure based on electrical impedance tomography on pulmonary function and pulmonary complications in patients with acute respiratory distress syndrome

摘要

目的 探讨在急性呼吸窘迫综合征（ARDS）患者中应用电阻抗断层成像（EIT）技术设定呼气末正压（PEEP）对ARDS患者肺功能及肺部并发症的影响。 方法 选取2022年8月—2024年1月青海大学附属医院84例需要行机械通气的ARDS患者为研究对象，按照随机数字表法将患者分为对照组与研究组，每组42例。对照组采用传统的PEEP设定方法，研究组采用基于EIT技术导向PEEP设定方法。比较两组患者PEEP通气后0 h（T₀）、12 h（T₁）、24 h（T₂）、48 h（T₃）的血流动力学指标［平均动脉压（MAP）、心率（HR）］，呼吸力学指标［静态肺顺应性（Cst）、动态肺顺应性（Cdyn）］及血气分析指标［氧合指数（OI）、动脉血pH值］变化情况，比较两组肺部并发症发生率、机械通气时间、重症监护病房住院时间及患者6个月生存率。 结果 两组在T₀、T₁、T₂、T₃时的MAP、HR比较， 结果 ①不同时间点MAP、HR比较，差异均有统计学意义（P <0.05）；②实验组与对照组MAP、HR比较，差异均无统计学意义（P >0.05）；③两组MAP、HR变化趋势比较，差异均无统计学意义（P >0.05）。两组T₀、T₁、T₂、T₃时Cst、Cdyn水平比较， 结果 ①不同时间点Cst、Cdyn水平比较，差异均有统计学意义（P <0.05）；②对照组与研究组Cst、Cdyn水平比较，差异均有统计学意义（P <0.05）；③两组Cst、Cdyn水平变化趋势比较，差异均有统计学意义（P <0.05）。两组T₀、T₁、T₂、T₃时OI水平比较， 结果 ①不同时间点OI水平差异有统计学意义（P <0.05）；②对照组与研究组OI水平比较，差异有统计学意义（P <0.05）；③两组OI水平变化趋势比较，差异有统计学意义（P <0.05）。两组T₀、T₁、T₂、T₃时动脉血pH值比较， 结果 ①不同时间点动脉血pH值比较，差异无统计学意义（P >0.05）；②对照组与研究组动脉血pH值比较，差异无统计学意义（P >0.05）；③两组动脉血pH值变化趋势比较，差异无统计学意义（P >0.05）。研究组并发症总发生率低于对照组（P <0.05）。研究组机械通气时间短于对照组（P <0.05）。 结论 基于EIT技术设定PEEP能够显著改善ARDS患者的肺功能，降低患者治疗过程中肺部并发症的发生率，缩短患者机械通气时间，建议临床推广应用。

Abstract

Objective To investigate the effects of setting positive end-expiratory pressure (PEEP) based on electrical impedance tomography (EIT) technology on pulmonary function and pulmonary complications in patients with acute respiratory distress syndrome (ARDS). Methods Eighty-four patients with ARDS requiring mechanical ventilation admitted to our hospital from August 2022 to January 2024 were selected as the study subjects and were divided into a study group (42 patients) and a control group (42 patients) using the random number table method. The control group used the traditional PEEP-setting method, and the study group used the EIT technology-based PEEP-setting method. The haemodynamic indexes [mean arterial pressure (MAP), heart rate (HR) ], respiratory mechanics indexes [static lung compliance (Cst), dynamic compliance (Cdyn) ], and blood gas analysis indexes [oxygenation index (OI), arterial blood pH] of the two groups of patients after optimal PEEP ventilation at 0 h (T₀), 12 h (T₁), 24 h (T₂), and 48 h (T₃) were compared. Changes in pulmonary complications, duration of mechanical ventilation, ICU stay, and patients' 6-month survival rate were compared between the two groups. Results Repeated measures analysis of variance showed that there were statistically significant differences in MAP and HR between the two groups at different time points (P < 0.05), but no significant differences were found between the study and control groups (P > 0.05). There were significant differences in Cst and Cdyn levels between and within the two groups at different time points (P < 0.05), and the trends of change were also significantly different (P < 0.05). Significant differences in OI levels were observed between and within the two groups at different time points (P < 0.05), with a significant difference in the trend of change (P < 0.05). No significant differences in arterial blood pH were found between or within the groups at different time points (P > 0.05). The incidence of complications in the study group was lower than that in the control group (P < 0.05). The duration of mechanical ventilation in the study group was shorter than that in the control group (P < 0.05). Conclusion Setting PEEP based on EIT technology can significantly improve the lung function of ARDS patients, reduce the incidence of pulmonary complications, shorten the duration of mechanical ventilation, and is recommended for clinical promotion and application.

Graphical abstract

关键词

急性呼吸窘迫综合征 / 电阻抗断层成像 / 呼气末正压 / 肺功能 / 肺部并发症

Key words

acute respiratory distress syndrome / electrical impedance tomography / positive end-expiratory pressure / lung function / pulmonary complications

急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS）的发病机制复杂，通常以弥漫性肺泡损伤、失控性炎症反应致使肺泡-毛细血管膜通透性急剧升高为主要特征，进而引发顽固的低氧血症与呼吸衰竭，严重威胁患者生命健康，患者预后较差^[1]。机械通气在ARDS治疗中占据核心地位，呼气末正压（positive end-expiratory pressure, PEEP）的设定是机械通气的关键环节^[2]。合适的PEEP水平能够有效维持患者肺泡开放，减轻患者肺泡周期性塌陷与复张所造成的损伤，改善患者氧合状况，为肺组织的修复创造有利条件^[3]。传统的PEEP设置方法，如依据经验公式、平台压监测或氧合指标调整等存在明显的局限性，难以精确地符合每位患者个体化的肺力学特性与病理生理状态，导致在临床实践中难以实现最佳的通气效果，甚至可能因PEEP设置不当而引发气压伤、呼吸机相关性肺损伤等一系列严重并发症，加重患者病情^[4]。随着医学科技的不断发展，电阻抗断层成像（electrical impedance tomography, EIT）技术在临床广泛应用。EIT技术是一种基于生物组织电学特性差异，以无创的方式对患者肺部通气分布进行可视化实时动态监测的方法，该方法可清晰地呈现患者肺泡的塌陷与复张过程^[5]。有学者提出，EIT技术有望突破传统方法的局限，实现更优化的PEEP调节，从而改善ARDS患者的肺功能，减少肺部并发症的发生，提高诊疗效果^[6]。鉴于此，本研究通过深入探讨应用EIT技术设定PEEP对ARDS患者肺功能及肺部并发症的影响，以期为EIT的广泛应用提供更为科学、精准的理论依据。

1 资料与方法

1.1　一般资料

选取2022年8月—2024年1月青海大学附属医院84例行机械通气的ARDS患者为研究对象，按照随机数字表法将患者分为对照组与研究组，每组42例。纳入标准：①符合ARDS柏林定义标准^[7]；②临床症状表现为呼吸急促，动脉血氧分压（partial pressure of arterial oxygen, PaO₂）持续下降；③机械通气时间>24 h；④临床资料完整；⑤患者及其家属均知晓同意本次研究。排除标准：①合并严重的心脏疾病；②存在胸部外伤或胸廓畸形；③妊娠或哺乳期妇女；④存在大量胸腔积液；⑤近期有肺部手术史或重大手术史。对照组与研究组的年龄、性别构成、体质量指数（body mass index, BMI）、急性生理学与慢性健康状况Ⅱ（acute physiologic and chronic health evaluation Ⅱ, APACHEⅡ）评分、高血压患病率、糖尿病患病率、冠心病患病率及ARDS分级比较，经t / χ²检验，差异均无统计学意义（P >0.05）。见表1。本研究已通过医院医学伦理委员会审批（伦理批号：HSL1-2024A03）。

1.2　方法

两组均采用相同的基础治疗方案，包括经口或者鼻气管插管接呼吸机辅助通气（江苏蓝韵凯泰医疗设备有限公司，HVJ-880A+型）。设定潮气量6 mL/kg、吸呼比1∶2、呼吸频率20次/min、PEEP 5 cmH₂O（1 cmH₂O =0.098 kPa）、氧浓度参数100%。使用瑞芬太尼[国药准字：H20030199，宜昌人福药业有限责任公司，规格：2 mg（按C20H28N2O5计）]镇痛，丙泊酚（广东嘉博制药有限公司，国药准字：H20051842，规格：20 mL∶200 mg）镇静后给予维库溴铵肌松（安徽威尔曼制药有限公司，国药准字：H20084539，规格：4 mg）。患者取平卧位，PEEP从0 cmH₂O递增至15 cmH₂O，每次增加2 cmH₂O维持1～2 min，记录PEEP下各参数。

1.2.1　对照组

采用传统的PEEP设定方法，依据PEEP-吸入氧浓度（fraction of inspiration oxygen, FiO₂）法设置PEEP（见表2），维持PaO₂在60～80 mmHg，氧饱和度（peripheral oxygen saturation, SpO₂）在90%～95%，记录该PEEP水平下各参数。

1.2.2　研究组

采用基于EIT技术导向PEEP滴定方法，在患者上机后，将杭州永川科技有限公司生产的ECL-100型EIT的16个电极片围绕患者胸廓的第4、5肋间水平位置固定，连接EIT监测设备，获取肺部电阻抗图像，并将数据保存为BIN数据文件。根据图像中不同区域的通气分布情况，确定肺泡塌陷和过度膨胀的区域。收集相关EIT数据，并使用EIT数据软件打开BIN数据文件选择PEEP。PEEP设置：其他参数不变，逐步增加PEEP，每次增加2 cmH₂O，在每次调整PEEP后，观察EIT图像中肺泡通气的改善情况，以达到最佳的肺泡复张效果且避免过度膨胀为目标，确定最佳PEEP值，记录该PEEP下各参数。

1.3　观察指标

1.3.1　两组不同时间点血流动力学指标

患者行最佳PEEP通气治疗后0 h（T₀）、12 h（T₁）、24 h（T₂）、48 h（T₃），使用心电监护仪（北京老同仁光电技术有限公司，AMR-401a型）监测患者的平均动脉压（mean arterial pressure, MAP）与心率（heart rate, HR）。

1.3.2　两组不同时间点呼吸力学指标

患者行最佳PEEP通气治疗后T₀、T₁、T₂、T₃，使用呼吸机（江苏蓝韵凯泰医疗设备有限公司，HVJ-880i型）检测患者的静态肺顺应性（static lung compliance, Cst）和动态肺顺应性（dynamic lung compliance, Cdyn）。

1.3.3　两组不同时间点血气分析指标

患者行最佳PEEP通气治疗后T₀、T₁、T₂、T₃，使用动脉血气分析仪（成都斯马特科技有限公司，SMT-120VP型）记录患者的氧合指数（oxygenation index, OI）及动脉血PH值。OI =动脉血氧分压/吸入氧浓度。

1.3.4　两组肺部并发症情况

记录患者气胸、肺部感染、肺不张、胸腔积液等并发症发生率。

1.3.5　两组患者的结局

记录患者机械通气时间、重症监护病房（intensive care unit, ICU）住院时间，并对患者进行为期6个月的门诊复诊或电话随访，记录患者入组后6个月生存率。

1.4　统计学方法

数据分析采用SPSS 26.0统计软件。计量资料以均数±标准差（$\bar{x} \pm s$）表示，比较用t检验或重复测量设计的方差分析；计数资料以构成比或率（%）表示，比较用χ²检验。P <0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1　两组患者不同时间点血流动力学指标比较

两组患者T₀、T₁、T₂、T₃时MAP、HR比较，经重复测量设计的方差分析，结果：①不同时间点MAP、HR比较，差异均有统计学意义（F =22.069和79.251，均P =0.000）；②对照组与研究组MAP、HR比较，差异均无统计学意义（F =1.765和39.478，均P =0.471）；③两组MAP、HR变化趋势比较，差异均无统计学意义（F =8.062和18.506，均P =0.002）。见表3、4和图1、2。

2.2　两组不同时间点呼吸力学指标比较

两组患者T₀、T₁、T₂、T₃时Cst、Cdyn比较，采用重复测量设计的方差分析，结果：①不同时间点Cst、Cdyn水平比较，差异均有统计学意义（F =47.956和62.447，均P =0.000）；②对照组与研究组Cst、Cdyn比较，差异均有统计学意义（F =69.594和50.087，均P =0.000），研究组T₁、T₂、T₃时Cst、Cdyn均高于对照组，相对呼吸功能改善情况较好；③两组Cst、Cdyn变化趋势差异有统计学意义（F =54.062和44.359，均P =0.000）。见表5、6和图3、4。

2.3　两组不同时间点血气分析指标比较

两组患者T₀、T₁、T₂、T₃时OI比较，采用重复测量设计的方差分析，结果：①不同时间点OI水平比较，差异有统计学意义（F =35.247，P =0.000）；②两组OI比较，差异有统计学意义（F =47.955，P =0.000），研究组T₁、T₂、T₃时OI高于对照组，相对血气指标改善情况较好；③两组OI变化趋势比较，差异有统计学意义（F =33.795，P =0.000）。见表7和图5。

两组患者在T₀、T₁、T₂、T₃时动脉血pH值比较，采用重复测量设计的方差分析，结果：①不同时间点动脉血pH值比较，差异无统计学意义（F =3.065，P =0.195）；②对照组与研究组动脉血pH值比较，差异无统计学意义（F =2.774，P =0.351）；③两组动脉血pH值变化趋势比较，差异无统计学意义（F =0.956，P =0.665）。见表8和图6。

2.4　两组肺部并发症发生率比较

两组肺部并发症总发生率比较，经χ²检验，差异有统计学意义（χ²=4.086，P =0.043）；研究组肺部并发症总发生率低于对照组。见表9。

2.5　两组结局比较

两组机械通气时间比较，经t 检验，差异有统计学意义（P <0.05）；研究组机械通气时间短于对照组。两组ICU住院时间和6个月生存率比较，经 t或χ²检验，差异均无统计学意义（P >0.05）。见表10。

3 讨论

ARDS患者肺泡大量塌陷和肺实变，导致肺内分流增加，氧合功能严重受损^[8]。PEEP的应用能够增加ARDS患者肺泡内压，防止ARDS患者呼气末肺泡塌陷，促进肺泡复张，从而改善患者氧合^[9]。然而，过高的PEEP可能会导致ARDS患者肺泡过度膨胀，引起气压伤和循环抑制等并发症，而过低的PEEP则无法有效维持ARDS患者肺泡开放，进而影响患者氧合改善^[10]。因此，寻找最佳的PEEP值对于ARDS患者的治疗至关重要。传统的PEEP设置方法主要依赖于动脉血气分析、平台压等指标的监测，但这些指标往往不能准确反映ARDS患者肺部不同区域的通气情况，导致患者在治疗过程中肺部并发症发生率较高^[11]。EIT技术是一种非侵入性的成像技术，其通过在物体表面施加安全的微弱交流电，测量物体表面的电位分布，然后利用特定的重建算法来反演物体内部的电阻抗分布图像，该技术通过对患者肺部电阻抗的监测，能够实时显示患者肺部通气的分布和变化，可直观反映患者肺泡的塌陷和复张过程^[12]。有研究发现，基于EIT技术设定PEEP，可以根据患者肺部的个体化特征，精准地调整PEEP，使更多的肺泡处于最佳的开放状态，减少肺泡塌陷和过度膨胀的发生^[13]。近年来多项研究表明，基于EIT设定PEEP应用于ARDS患者治疗较传统PEEP设置方法更具有优势^[14-16]。

本研究结果显示，两组患者在T₀、T₁、T₂、T₃时的MAP、HR、动脉血pH值等参数均无明显变化，表明应用EIT设定PEEP对患者的血流动力学及动脉血pH值无明显影响。MI等^[17]也发现EIT法设定PEEP对患者全身血流动力学影响较小，该结论与本结果基本一致。其原因可能是EIT技术设定增加的PEEP值不足引起ARDS患者血流动力学改变；但本研究纳入的ARDS样本量较少，可能导致结果存在一定偏倚。本研究结果发现，T₁、T₂、T₃时两组患者Cst、Cdyn、OI升高，且研究组T₁、T₂、T₃时Cst、Cdyn、OI高于对照组，表明EIT技术在ARDS患者的机械通气治疗中具有重要的应用价值。与MAURI等^[18]发现基于EIT技术设定PEEP可显著改善患者呼吸系统顺应性的研究结果相似。分析原因为，EIT技术能够实时监测ARDS患者肺部通气分布，精准确定患者肺泡塌陷与过度膨胀区域，从而实现个体化的PEEP设置，合适的PEEP可有效防止患者呼气末肺泡塌陷，维持肺泡开放，使更多肺泡参与气体交换，进而提升患者OI^[19-20]。另外，肺泡的稳定开放状态有助于改善患者肺的弹性回缩力，减少患者呼吸过程中克服弹性阻力所需的压力变化，使得患者Cst及Cdyn升高^[21-22]。相比之下，传统的PEEP设定方法难以精准匹配患者个体化的肺力学特征，可能导致患者部分肺泡未能充分开放或过度膨胀，从而影响了患者肺的通气和换气功能^[23]。本研究结果发现，两组通气后各时间点动脉血pH值无差异，提示不同的PEEP设定方式在不同时间点对患者酸碱平衡未产生影响。分析原因为，两组可能在一定程度上维持了患者通气与换气功能的相对稳定，未因PEEP水平不同引发严重的二氧化碳潴留或过度通气，使患者动脉血中碳酸与碳酸氢根的比例相对恒定，从而保持pH值稳定^[13]。

本研究结果显示，研究组并发症发生率低于对照组，表明基于EIT技术设定PEEP可有效降低ARDS患者肺部并发症风险，对改善患者预后具有积极意义。分析原因为，精准的PEEP可避免患者肺泡过度膨胀引发气压伤，减少气胸发生；同时维持患者肺泡稳定开放，利于患者气道分泌物引流，降低患者肺部感染概率；精准的PEEP还可防止患者肺泡反复塌陷复张造成的肺损伤，减少肺不张等并发症，而传统的PEEP设定方法因PEEP设置缺乏精准性，难以平衡肺泡开放与损伤风险，导致患者肺部并发症发生率较高^[24]。本研究结果发现，与对照组相比，研究组机械通气时间缩短，两组ICU住院时间及6个月生存率无差异。其原因为基于EIT技术设定PEEP可显著提高ARDS患者机械通气效率，更快改善患者肺功能，从而有效缩短患者机械通气时长。

综上所述，在ARDS患者机械通气治疗中应用基于EIT技术设定PEEP，可显著改善患者呼吸力学，缩短患者机械通气时间，降低肺部并发症发生率，且对患者血流动力学无显著影响。未来可进一步扩大样本量，进行多中心、长期的研究，以更全面地评估基于EIT技术设定PEEP对ARDS患者的影响。

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基金资助

青海省科技计划项目(2023-2K-721)