基于電阻抗成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肺內(nèi)出血的可行性研究

桑宇飛，代萌，田莊，史萬宏

1.解放軍95246部隊(duì)，廣西 南寧530007；2.第四軍醫(yī)大學(xué)，陜西 西安710032

基于電阻抗成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肺內(nèi)出血的可行性研究

桑宇飛1，代萌2，田莊1，史萬宏1

1.解放軍95246部隊(duì)，廣西 南寧530007；2.第四軍醫(yī)大學(xué)，陜西 西安710032

目的驗(yàn)證電阻抗成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肺內(nèi)出血的可行性并為肺內(nèi)出血的臨床研究提供參考。方法首先，通過生物實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)豬）的EIT技術(shù)下肺內(nèi)注血實(shí)驗(yàn)?zāi)M人體肺內(nèi)出血。然后，由巴特沃茲濾波器將呼吸阻抗信號(hào)中的出血信號(hào)盡可能保留并將原始數(shù)據(jù)通過濾波處理將無用的呼吸阻抗信號(hào)盡可能濾除。最后，通過Origin Pro軟件分析注血量與處理后的感興趣區(qū)（注血幅值相對(duì)值最大值不低于其20%的值的區(qū)域）的出血面積和幅值相關(guān)關(guān)系。結(jié)果采用IIR方法設(shè)計(jì)巴特沃茲低通數(shù)字濾波器（5階）和0.15 Hz進(jìn)行低通濾波處理后，能夠較好地抑制了呼吸阻抗信號(hào)，分析得出出血面積和出血量幅值的正相關(guān)關(guān)系。結(jié)論基于EIT技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肺內(nèi)出血是可行的，間接提高了臨床中肺內(nèi)出血的診治率并將為今后肺內(nèi)出血的臨床研究提供參考。

電阻抗成像技術(shù)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；肺內(nèi)出血；低通數(shù)字濾波器；呼吸阻抗信號(hào)

引言

肺內(nèi)出血是由多種疾病引起的臨床危重征象[1]，早期診斷非常困難，病死率極高。盡管呼吸機(jī)的應(yīng)用大大提高了治愈率，能起到早期治療或預(yù)防肺出血的作用[2]。但現(xiàn)有的診斷設(shè)備如CT、核磁等設(shè)備無法經(jīng)常性診斷，更不可能持續(xù)監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有的條件下往往在臨床工作中通過相應(yīng)癥狀才能發(fā)現(xiàn)出血量及出血部位，此時(shí)往往出血量已經(jīng)相當(dāng)多，且對(duì)救治和術(shù)后恢復(fù)帶來極大困難。

傳統(tǒng)電阻抗成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）技術(shù)監(jiān)測(cè)呼吸阻抗干擾較強(qiáng)，無法有效濾除，從而呼吸信號(hào)湮沒了所需要的出血信號(hào)，而如何有效濾除出血信號(hào)國(guó)內(nèi)外鮮有研究。在監(jiān)測(cè)時(shí)，出血量與圖像中出血區(qū)域的關(guān)系將直接影響監(jiān)測(cè)效果。在呼吸末期，可以觀察到出血信號(hào)，而在吸入空氣之后，空氣阻抗信號(hào)湮沒了出血信號(hào)，見圖1。

圖1 吸末期和空氣吸入后阻抗成像結(jié)果

針對(duì)上述的問題，通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)（小豬）模擬人體，由于小豬有體型，器官較之其他動(dòng)物人類較為接近，且擁有成本較，生命力頑強(qiáng)，便于測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，故實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)象選擇小豬[3]。在原有電阻抗成像技術(shù)監(jiān)測(cè)條件和外界條件不變的情況下，通過測(cè)量10頭左右的小豬肺內(nèi)出血情況，每次注血量相同，監(jiān)測(cè)條件相同，之后通過數(shù)據(jù)處理，將原始數(shù)據(jù)中的呼吸阻抗信號(hào)去除將得到所需信號(hào)結(jié)果來驗(yàn)證肺內(nèi)出血對(duì)臨床實(shí)際的可行性評(píng)估，對(duì)以后的電阻抗成像技術(shù)下肺內(nèi)出血的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和臨床工作中預(yù)防和治療起到重要意義。

1 材料與方法

1.1 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的總體流程

通過電阻抗成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將麻醉后的小豬肺內(nèi)分批次肺內(nèi)注血模擬小豬自身的肺內(nèi)出血，從而將出血信號(hào)采集后得到接近的數(shù)據(jù)成果，見圖2。之后將出血信號(hào)數(shù)據(jù)處理，并通過大量實(shí)驗(yàn)分析得出注血量和實(shí)驗(yàn)圖像中出血面積、出血幅值的相關(guān)性。

圖2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的總體流程圖

1.2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的操作流程

（1）準(zhǔn)備材料：實(shí)驗(yàn)豬（普通繁殖，10頭，公豬，平均體重15 kg，健康狀況良好）、手術(shù)臺(tái)、哺乳動(dòng)物手術(shù)器械一套、50 mL注射器、電阻抗成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備一套（第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院自主研制）、筆記本電腦、胸內(nèi)套管（或粗的穿刺針頭）、氣管套管、50 cm長(zhǎng)橡皮管一條、20%氨基甲酸乙酯。

（2）豬麻醉：將小豬注入麻醉劑（0.5%戊巴和速眠新II）25 mL令其徹底麻醉，供用時(shí)約1-2 h[4]。

（3）胸部被皮：使用手術(shù)剃刀，將麻醉后的小豬胸部表皮毛發(fā)剃盡，寬約3～4 cm，并測(cè)量小豬胸圍，見圖2a。

（4）胸部電極：從左肋下開始，順時(shí)針貼16個(gè)電極，并連接好電極帶，打開電阻抗成像技術(shù)配置開關(guān)，見圖2b。

（5）打開筆記本電腦，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小豬肺部電阻抗成像技術(shù)成像，如圖2c。

（6）抽取小豬其他部位50 mL血液，將注射器插入小豬肺內(nèi)，分劑量，分批次（每次約10 mL）血液注入小豬肺內(nèi)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肺內(nèi)出血情況和呼吸阻抗情況，如圖2d。

（7）將原始數(shù)據(jù)保存并處理。

1.3 原始數(shù)據(jù)處理和分析

本研究中，由于核心思想是將出血信號(hào)保留，盡可能的將呼吸阻抗信號(hào)濾除，因此該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)總體思路為通過巴特沃茲濾波器[5]將呼吸阻抗信號(hào)去除，截止頻率應(yīng)與呼吸頻率接近或相同，從而將低頻呼吸阻抗信號(hào)濾除已達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果[6]。隨著注血量的增加，胸部阻抗幀數(shù)明顯降低，見圖3。

圖3 小豬肺內(nèi)豬血注血時(shí)的平均阻抗變化圖

從呼吸與出血的功率譜圖（圖4）中可以看到呼吸阻抗信號(hào)的特征頻率0.26 Hz，約15次呼吸。符合實(shí)際情況。在單獨(dú)測(cè)量呼吸阻抗信號(hào)（圖5）中，我們得到了單獨(dú)的呼吸阻抗信號(hào)功率譜。通過對(duì)比可以觀察到頻率在0.15 Hz之后出血信號(hào)成分居多，而0.15 Hz之前呼吸阻抗信號(hào)較為明顯，故選取0.15 Hz進(jìn)行低通濾波[7]，以獲得注血阻抗信號(hào)。

考慮到本研究中濾波器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易實(shí)用性，故采用IIR方法設(shè)計(jì)巴特沃茲低通數(shù)字濾波器（5階）。其中，通帶邊界頻率為0.10 Hz，阻帶邊界頻率為0.15 Hz[8]，見圖6。

圖4 呼吸與出血的功率譜圖

圖5 單獨(dú)呼吸的功率譜圖

圖6 巴特沃茲低通數(shù)字濾波器（5階）頻率與振幅和相位關(guān)系圖

2 結(jié)果

2.1 濾波效果

通過本文之前設(shè)計(jì)的濾波器，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波器處理后，呼吸阻抗信號(hào)抑制較為明顯，達(dá)到了較好的處理效果，使得呼吸阻抗信號(hào)抑制到期望值，注血信號(hào)能夠較為明顯的觀察到[8]。盡管還依舊存在呼吸阻抗信號(hào)，但相比于之前呼吸阻抗信號(hào)已經(jīng)衰減到不影響出血信號(hào)的觀察，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理效果較為理想，見圖7。

2.2 可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性，將剛做完肺內(nèi)出血實(shí)驗(yàn)后的小豬進(jìn)行CT掃描，得到CT圖像。將CT圖像和經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的圖像相對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩者成像圖中出血部位一致（即豬的右側(cè)肺內(nèi)）。從而驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，見圖8。

圖7 注血量與注血信號(hào)和呼吸阻抗信號(hào)關(guān)系圖

圖8 肺內(nèi)注血CT驗(yàn)證圖

3 討論

由于本文之前介紹了如何將電阻抗成像技術(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而得到抑制呼吸阻抗信號(hào)的出血信號(hào)成像圖，由于每次注血量均為10 mL且每次實(shí)驗(yàn)總劑量為50 mL，我們可以通過注血量的增加，結(jié)合軟件Origin Pro得出注血量與感興趣區(qū)域的出血幅值和出血面積的關(guān)系（注明：感興趣區(qū)域定義為注血幅值相對(duì)值最大值不低于其20%的值的區(qū)域）。

3.1 注血量與成像結(jié)果的相關(guān)性

由于每次間隔注血量為10 mL，將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)濾波處理后重建可以很明顯的發(fā)現(xiàn)注血量的多少和成像結(jié)果成正相關(guān)。通過Origin Pro軟件我們可以較為容易地算出隨著注血量的增減，成像圖中感興趣區(qū)的色階有著明顯的變化，可以很明顯得出到注血量越多，在電阻抗成像技術(shù)重建圖中紅色顏色越深，即對(duì)應(yīng)的色階的絕對(duì)值越大，見圖9。

圖9 注血量與色階圖

3.2 注血量與感興趣區(qū)中面積的關(guān)系。

由于注血量每10 mL增加，從電阻抗成像技術(shù)重建圖像上亦可看出出血面積的不斷增加，結(jié)合數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)注血量的增加與出血面積的值成正相關(guān)，即隨著注血量的增加，感興趣區(qū)面積也越大，見圖10。

圖10 注血量與出血面積圖

4 結(jié)論

通過采集12次小豬的電阻抗成像技術(shù)監(jiān)測(cè)圖像并經(jīng)信號(hào)處理，得到了小豬肺內(nèi)注血的電阻抗成像技術(shù)成像結(jié)果及注血量變化同圖中注血區(qū)域顯示面積和色階的變化關(guān)系，即出血面積和出血量幅值的正相關(guān)的關(guān)系。本文證實(shí)基于電阻抗成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肺內(nèi)出血是可行的。此外本文通過初步濾除肺內(nèi)出血信號(hào)來觀察出血信號(hào)可為電阻抗成像技術(shù)研究和發(fā)展帶來幫助，間接提高了臨床中肺內(nèi)出血的診治率并將為今后肺內(nèi)出血的臨床研究提供參考。

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Feasibility Study of Real Time Monitoring of Pulmonary Hemorrhage Based on Electrical Impedance Tomography Technology

ObjectiveTo verify the feasibility of real-time monitoring of pulmonary hemorrhage by Electrical Impedance Tomography (EIT) technology and to provide reference for clinical research of pulmonary hemorrhage.MethodsFirstly, biological experiments (experimental pigs) EIT technology intrapulmonary blood injection experiment was conducted to simulate human pulmonary hemorrhage. Then, hemorrhage in the respiratory impedance signal was recorded by Butterworth f lter and f ltered out the useless respiratory impedance signal of the original data by Butterworth filter. Finally, through the analysis of Origin Pro software of injection volume and bleeding area of the region of interest (the relative value of the maximum amplitude of blood injection is no less than 20% of its value area) after treatment and amplitude correlation.ResultsButterworth low pass digital f lter (5 order) were designed by adopting the IIR method and treated with 0.15 Hz low pass f lter, respiratory impedance signal was well suppressed. There was a positive correlation between bleeding area and amplitude of bleeding volume.ConclusionEIT based real time monitor of the pulmonary hemorrhage is feasible, which indirectly improves clinical diagnosis and treatment rate of pulmonary hemorrhage, and provides reference for clinical research of pulmonary hemorrhage in the future.

electrical impedance tomography technology; real time monitoring; pulmonary hemorrhage; low pass digital f lter; respiratory impedance signal

SANG Yu-fei1, DAI Meng2, TIAN Zhuang1, SHI Wan-hong1
1.PLA No. 95246, NanNing Guangxi 530007, China; 2.The Fourth Military Medical University, Xi’an Shaanxi 710032, China

TM934.7

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.008

1674-1633(2016)12-0035-03

2016-09-14

2016-10-08

作者郵箱：329088348@qq.com