Characteristics of electrical impedance tomography in healthy people and its normal range
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摘要:目的 探讨北京地区健康志愿者肺组织的电阻抗层析成像（EIT）测量值的正常范围。方法 采用分层抽样方法选取102例健康志愿者（男、女志愿者各51例），分别收集其坐位、仰卧位时平静呼吸和最大呼吸状态下的总阻抗（GI）和阻抗区域（ROI）。分析不同年龄、性别、体质量指数（BMI）和其他分层因素的阻抗值范围。结果 无论男性或女性，在最大呼吸状态下，GI和ROI值均高于平静呼吸状态；男性GI和ROI均高于女性（卧位平静呼吸状态下除外）。在4个ROI中，无论男性或女性，ROI2和ROI3占GI比率较高。结论 本研究测得了北京地区健康志愿者EIT的基础范围值，可作为EIT系统研究和临床使用的参考依据。Abstract:Objective To investigate the normal range of electrical impedance tomography (EIT) measurements in lung tissue of healthy volunteers in Beijing area.Methods A total of 102 healthy volunteers (51 males and 51 females) were selected by stratified sampling method, and global impedance (GI) as well as region of interest (ROI) were collected for calm breathing and maximum breathing in sitting and supine positions, respectively. Impedance ranges for age, sex, body mass index (BMI) and other stratified factors were analyzed.Results The GI and ROI of both males and females in maximal breathing state were higher than those in calm breathing state. The GI and ROI of males were higher than that of females (except in the decubitus position with calm breathing). In four ROIs, ROI2 and ROI3 accounted for higher proportions of GI in both males and females.Conclusion The basic range values of EIT in healthy volunteers in Beijing area are measured in this study, which can be used as a reference for EIT system research and clinical use.
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电阻抗层析成像(EIT)系统是近年发展的新技术，主要用于动态评估肺通气状态[1], 其通过绑缚在人胸廓规定位置(正力体型者一般在第4~6肋间)的16个电极发射阻抗波进而计算其在胸廓内不同组织间衰减的程度，并通过相应算法最后还原为肺组织断层影像[2-3]。EIT成像是连续的、动态的，通过监视屏幕，实时反映肺组织在吸、呼过程中的变化，还可通过该设备的局部定点监测功能对某一区域的肺组织通气状态进行评价，判断受检者是否存在病理状态或疾病的恢复程度[4-7]。目前，尚未有EIT检测健康成年人的参考数据(正常范围)[8]。本研究中探讨北京地区健康人肺组织的EIT测量值的正常范围，现报告如下。
1. 资料和方法
1.1 研究设计
本研究为分层抽样调查，以首都医科大学附属北京潞河医院体检中心受检人群为基础，按性别、年龄阶段、体质量指数(BMI)为抽样标准，收集2018年12月—2019年3月受检的102例健康志愿者的肺EIT数据。所有受试者均为汉族，其中青年(≤40岁)、中年(41~59岁)、老年(≥60岁)各34例，男性和女性各51例，年龄26~73岁，平均(43±12)岁，平均BMI为(24±4) kg/m2。受检人群基线特征见表 1。
表 1 受检人群基线特征(x±s)因素 受试者特征(n=102) 年龄/岁 43±21 性别 男 51 女 51 身高/m 1.65±0.08 体质量/kg 66.6±12.5 体质量指数/(kg/m2) 24±4 纳入标准: ①体格检查结果正常，没有吸烟、饮酒史和慢性病史者; ②体内没有植入性电子设备者; ③无胸、脊柱畸形者; ④同意进行EIT测量者。本研究已通过首都医科大学附属北京潞河医院伦理委员会批准(批准号2018LH-KS-015, 临床试验注册号ChiCTR1800015680)。
1.2 方法
根据EIT系统要求(Infinity C500, 德国Dräger, Ltd), 坐位检查时患者应坐直，然后根据患者的胸廓选择合适的电极条带，并将其固定在第4~5肋间处，待阻抗波成像稳定后开始记录。5 min后指示受试者以恒定的速度进行5次深呼吸以达到最大呼吸状态，然后继续平静呼吸5 min。随后，指示患者平躺，并按如上步骤继续记录10 min。重复上述过程3次后，收集阻抗值，并计算平均值。记录和保存的阻抗值包括总阻抗(GI)值和4个阻抗区域(ROI)，即ROI1~ROI4(图 1)。
1.3 统计学分析
采用SPSS 21.0和Matlab 7.0软件进行统计分析。性别和其他测量数据以中位数和四分位数表示。年龄、身高、BMI和EIT阻抗值等计数数据以(x±s)表示。不同年龄、性别、BMI和其他分层情况下的阻抗值范围的分析使用单因素方差分析。P＜0.05为差异有统计学意义。
2. 结果
2.1 受试者在不同呼吸条件下坐姿和卧姿的肺GI值
一般最大呼吸状态下GI值高于平静呼吸，男性高于女性(卧位平静呼吸时除外)。见表 2。
表 2 在不同呼吸条件下坐位和仰卧位受试者的肺总阻抗分布(x±s)性别 坐位 卧位 平静呼吸状态 最大呼吸状态 平静呼吸状态 最大呼吸状态 男(n=51) 3 353 148±362 721 5 482 749±603 111 2 435 323±303 195 7 949 585±826 013 女(n=51) 1 910 780±230 168 4 227 808±522 656 2 685 644±30 117 4 500 566±496 294 2.2 受试者不同体位和呼吸状态下监测EIT时各区域阻抗值
男性受试者分别处于坐位和卧位时，其ROI2和ROI3区域数值在平静呼吸、最大呼吸状态下差异均有统计学意义(P＜0.05), 且占GI比率较高; 女性受试者的监测数据分布特点与男性基本相同，仅在ROI2区域有所不同，该区域平静呼吸和最大呼吸状态比较，差异无统计学意义(P>0.05)。见表 3、4。
表 3 男性在不同体位和呼吸状态下监测EIT时各区域阻抗值(x±s)体位 ROI1 ROI2 ROI3 ROI4 坐位 平静呼吸状态 329 333±35 865 1 388 769±151 770 1 486 407±157 902 405 268±37 318 占GI比率/% 9.2 39.3 42.0 9.1 最大呼吸状态 395 016±43 108 2 209 368±234 606 2 730 902±249 224 4 999 655±53 933 占GI比率/% 6.5 39.1 44.0 10.4 P 0.134 0.033 0.041 0.361 卧位 平静呼吸状态 315 780±40 612 1 144 899±152 959 998 874±117 619 270 181±34 262 占GI比率/% 12.2 42.2 35.2 10.4 平静呼吸状态 858 484±102 857 3 750 633±396 174 3 256 553 ±366 921 841 108 ±99 098 占GI比率/% 12.1 43.3 36.1 8.5 P 0.011 0.027 0.007 0.009 GI: 总阻抗; ROI: 阻抗区域。 表 4 女性在不同体位和呼吸状态下监测EIT时各区域阻抗值(x±s)体位 ROI1 ROI2 ROI3 ROI4 坐位 平静呼吸状态 329 333±35 865 1 388 769±151 770 1 486 407±157 902 405 268±37 318 占GI比率/% 9.2 39.3 42.0 9.1 最大呼吸状态 406 436±39 053 1 395 080±164 926 2 136 829±219 043 450 035±42 412 占GI比率/% 9.6 36.1 42.4 11.9 P 0.047 0.549 0.039 0.233 卧位 平静呼吸状态 204 920±25 017 1 130 797±131 072 1 283 676±125 979 239 077±24 757 占GI比率/% 10.8 40.6 38.1 10.5 最大呼吸状态 532 561±52 052 1 783 757±203 119 1 833 984 ±188 812 556 775±52 990 占GI比率/% 11.4 42.5 37.8 8.3 P 0.008 0.032 0.045 0.015 GI: 总阻抗; ROI: 阻抗区域。 3. 讨论
EIT技术是近年来在床旁实时监测心肺状态的一项新技术，用于监测肺通气状态[9]。其可连续、可视地监视整个肺部或肺部特定部位的通气状态[10]。EIT已用于呼气末正压滴定、气体陷闭等领域[11]。目前，尚未有EIT系统应用于正常人群肺通气阻抗值参考范围的报道。因此，本研究层抽样了102名健康志愿者，进行EIT肺阻抗值采样，并记录其在坐位和仰卧位下的平静呼吸和最大呼吸状态下的GI和ROI。ROI可体现肺局部动态通气变化，该区域的设定可分为4个区域，也可设为研究者想要观察的某些特定区域，以动态对比治疗前后的变化[12]。
102例健康参与者年龄和性别分布均匀，无病史或身体异常，体质量和BMI均正常，表明所有参与者可参与本研究。EIT的肺阻抗值测量结果表明，除平静呼吸状态外，在任何姿势和呼吸状态下，男性参与者的肺GI和ROI均高于女性，这与潮气量和肺活量的表现相同，表明男性GI和ROI通常高于女性[12-13]。平静呼吸状态下，女性GI高于男性，分析原因可能为女性以胸式呼吸为主; 平卧时男性膈肌上抬，导致GI较低。此外，本研究发现无论是男性还是女性，无论是坐位还是仰卧位，从最大呼吸中获得的GI都大于平静呼吸。4个ROI区域中, ROI2和ROI3是阻抗分布占比较高的区域，且不受性别、体位和呼吸状态的影响。但与平静呼吸相比，最大呼吸状态下ROI1和ROI4区域的阻抗值占GI值比例有不同程度的升高，显示这2个区域通气增加以适应机体的需要。
综上所述，本研究测量了健康志愿者肺EIT阻抗值的正常范围，有助于临床诊断和治疗相关疾病，可为进一步使用EIT提供理论依据。
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表 1 受检人群基线特征(x±s)
因素 受试者特征(n=102) 年龄/岁 43±21 性别 男 51 女 51 身高/m 1.65±0.08 体质量/kg 66.6±12.5 体质量指数/(kg/m2) 24±4 
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表 2 在不同呼吸条件下坐位和仰卧位受试者的肺总阻抗分布(x±s)
性别 坐位 卧位 平静呼吸状态 最大呼吸状态 平静呼吸状态 最大呼吸状态 男(n=51) 3 353 148±362 721 5 482 749±603 111 2 435 323±303 195 7 949 585±826 013 女(n=51) 1 910 780±230 168 4 227 808±522 656 2 685 644±30 117 4 500 566±496 294
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表 3 男性在不同体位和呼吸状态下监测EIT时各区域阻抗值(x±s)
体位 ROI1 ROI2 ROI3 ROI4 坐位 平静呼吸状态 329 333±35 865 1 388 769±151 770 1 486 407±157 902 405 268±37 318 占GI比率/% 9.2 39.3 42.0 9.1 最大呼吸状态 395 016±43 108 2 209 368±234 606 2 730 902±249 224 4 999 655±53 933 占GI比率/% 6.5 39.1 44.0 10.4 P 0.134 0.033 0.041 0.361 卧位 平静呼吸状态 315 780±40 612 1 144 899±152 959 998 874±117 619 270 181±34 262 占GI比率/% 12.2 42.2 35.2 10.4 平静呼吸状态 858 484±102 857 3 750 633±396 174 3 256 553 ±366 921 841 108 ±99 098 占GI比率/% 12.1 43.3 36.1 8.5 P 0.011 0.027 0.007 0.009 GI: 总阻抗; ROI: 阻抗区域。
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表 4 女性在不同体位和呼吸状态下监测EIT时各区域阻抗值(x±s)
体位 ROI1 ROI2 ROI3 ROI4 坐位 平静呼吸状态 329 333±35 865 1 388 769±151 770 1 486 407±157 902 405 268±37 318 占GI比率/% 9.2 39.3 42.0 9.1 最大呼吸状态 406 436±39 053 1 395 080±164 926 2 136 829±219 043 450 035±42 412 占GI比率/% 9.6 36.1 42.4 11.9 P 0.047 0.549 0.039 0.233 卧位 平静呼吸状态 204 920±25 017 1 130 797±131 072 1 283 676±125 979 239 077±24 757 占GI比率/% 10.8 40.6 38.1 10.5 最大呼吸状态 532 561±52 052 1 783 757±203 119 1 833 984 ±188 812 556 775±52 990 占GI比率/% 11.4 42.5 37.8 8.3 P 0.008 0.032 0.045 0.015 GI: 总阻抗; ROI: 阻抗区域。
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期刊类型引用(1)
1. 方海东，骆栩潇，吴阳，周童，高贵锋，刘凯，姚佳烽. 基于EIT测定不同体姿下通气分布实验方法研究. 机械制造与自动化. 2022(05): 252-256 . 
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