基于电阻抗成像技术实时监测肺内出血的可行性研究
桑宇飞1，代萌2，田庄1，史万宏1
1.解放军95246部队，广西 南宁530007；2.第四军医大学，陕西 西安710032
[摘 要]目的验证电阻抗成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）技术实时监测肺内出血的可行性并为肺内出血的临床研究提供参考。方法首先，通过生物实验（实验猪）的EIT技术下肺内注血实验模拟人体肺内出血。然后，由巴特沃兹滤波器将呼吸阻抗信号中的出血信号尽可能保留并将原始数据通过滤波处理将无用的呼吸阻抗信号尽可能滤除。最后，通过Origin Pro软件分析注血量与处理后的感兴趣区（注血幅值相对值最大值不低于其20%的值的区域）的出血面积和幅值相关关系。结果采用IIR方法设计巴特沃兹低通数字滤波器（5阶）和0.15 Hz进行低通滤波处理后，能够较好地抑制了呼吸阻抗信号，分析得出出血面积和出血量幅值的正相关关系。结论基于EIT技术实时监测肺内出血是可行的，间接提高了临床中肺内出血的诊治率并将为今后肺内出血的临床研究提供参考。
[关键词]电阻抗成像技术；实时监测；肺内出血；低通数字滤波器；呼吸阻抗信号
引言
肺内出血是由多种疾病引起的临床危重征象[1]，早期诊断非常困难，病死率极高。尽管呼吸机的应用大大提高了治愈率，能起到早期治疗或预防肺出血的作用[2]。但现有的诊断设备如CT、核磁等设备无法经常性诊断，更不可能持续监测。现有的条件下往往在临床工作中通过相应症状才能发现出血量及出血部位，此时往往出血量已经相当多，且对救治和术后恢复带来极大困难。
传统电阻抗成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）技术监测呼吸阻抗干扰较强，无法有效滤除，从而呼吸信号湮没了所需要的出血信号，而如何有效滤除出血信号国内外鲜有研究。在监测时，出血量与图像中出血区域的关系将直接影响监测效果。在呼吸末期，可以观察到出血信号，而在吸入空气之后，空气阻抗信号湮没了出血信号，见图1。
图1 吸末期和空气吸入后阻抗成像结果
针对上述的问题，通过动物实验（小猪）模拟人体，由于小猪有体型，器官较之其他动物人类较为接近，且拥有成本较，生命力顽强，便于测量等优点，故实验设计对象选择小猪[3]。在原有电阻抗成像技术监测条件和外界条件不变的情况下，通过测量10头左右的小猪肺内出血情况，每次注血量相同，监测条件相同，之后通过数据处理，将原始数据中的呼吸阻抗信号去除将得到所需信号结果来验证肺内出血对临床实际的可行性评估，对以后的电阻抗成像技术下肺内出血的实时监测和临床工作中预防和治疗起到重要意义。
1 材料与方法
1.1 动物实验的总体流程
通过电阻抗成像技术实时监测，将麻醉后的小猪肺内分批次肺内注血模拟小猪自身的肺内出血，从而将出血信号采集后得到接近的数据成果，见图2。之后将出血信号数据处理，并通过大量实验分析得出注血量和实验图像中出血面积、出血幅值的相关性。
图2 动物实验的总体流程图
注：a.胸部被皮图；b.胸部贴电极图；c.监测EIT成像图；d.监测肺内出血情况和呼吸阻抗情况图。
1.2 动物实验的操作流程
（1）准备材料：实验猪（普通繁殖，10头，公猪，平均体重15 kg，健康状况良好）、手术台、哺乳动物手术器械一套、50 mL注射器、电阻抗成像技术实时监测设备一套（第四军医大学生物医学工程学院自主研制）、笔记本电脑、胸内套管（或粗的穿刺针头）、气管套管、50 cm长橡皮管一条、20%氨基甲酸乙酯。
（2）猪麻醉：将小猪注入麻醉剂（0.5%戊巴和速眠新II）25 mL令其彻底麻醉，供用时约1-2 h[4]。
（3）胸部被皮：使用手术剃刀，将麻醉后的小猪胸部表皮毛发剃尽，宽约3～4 cm，并测量小猪胸围，见图2a。
（4）胸部电极：从左肋下开始，顺时针贴16个电极，并连接好电极带，打开电阻抗成像技术配置开关，见图2b。
（5）打开笔记本电脑，实时监测小猪肺部电阻抗成像技术成像，如图2c。
（6）抽取小猪其他部位50 mL血液，将注射器插入小猪肺内，分剂量，分批次（每次约10 mL）血液注入小猪肺内，实时监测肺内出血情况和呼吸阻抗情况，如图2d。
（7）将原始数据保存并处理。
1.3 原始数据处理和分析
本研究中，由于核心思想是将出血信号保留，尽可能的将呼吸阻抗信号滤除，因此该实验设计的数据总体思路为通过巴特沃兹滤波器[5]将呼吸阻抗信号去除，截止频率应与呼吸频率接近或相同，从而将低频呼吸阻抗信号滤除已达到实验效果[6]。随着注血量的增加，胸部阻抗帧数明显降低，见图3。
图3 小猪肺内猪血注血时的平均阻抗变化图
从呼吸与出血的功率谱图（图4）中可以看到呼吸阻抗信号的特征频率0.26 Hz，约15次呼吸。符合实际情况。在单独测量呼吸阻抗信号（图5）中，我们得到了单独的呼吸阻抗信号功率谱。通过对比可以观察到频率在0.15 Hz之后出血信号成分居多，而0.15 Hz之前呼吸阻抗信号较为明显，故选取0.15 Hz进行低通滤波[7]，以获得注血阻抗信号。
考虑到本研究中滤波器设计的简易实用性，故采用IIR方法设计巴特沃兹低通数字滤波器（5阶）。其中，通带边界频率为0.10 Hz，阻带边界频率为0.15 Hz[8]，见图6。
图4 呼吸与出血的功率谱图
图5 单独呼吸的功率谱图
图6 巴特沃兹低通数字滤波器（5阶）频率与振幅和相位关系图
2 结果
2.1 滤波效果
通过本文之前设计的滤波器，实验数据经过数字滤波器处理后，呼吸阻抗信号抑制较为明显，达到了较好的处理效果，使得呼吸阻抗信号抑制到期望值，注血信号能够较为明显的观察到[8]。尽管还依旧存在呼吸阻抗信号，但相比于之前呼吸阻抗信号已经衰减到不影响出血信号的观察，实验数据处理效果较为理想，见图7。
2.2 可靠性验证
为了验证实验结果可靠性，将刚做完肺内出血实验后的小猪进行CT扫描，得到CT图像。将CT图像和经过数据处理后的图像相对比，可以发现两者成像图中出血部位一致（即猪的右侧肺内）。从而验证了实验结果的可靠性，见图8。
图7 注血量与注血信号和呼吸阻抗信号关系图
图8 肺内注血CT验证图
3 讨论
由于本文之前介绍了如何将电阻抗成像技术实验数据进行处理从而得到抑制呼吸阻抗信号的出血信号成像图，由于每次注血量均为10 mL且每次实验总剂量为50 mL，我们可以通过注血量的增加，结合软件Origin Pro得出注血量与感兴趣区域的出血幅值和出血面积的关系（注明：感兴趣区域定义为注血幅值相对值最大值不低于其20%的值的区域）。
3.1 注血量与成像结果的相关性
由于每次间隔注血量为10 mL，将采集到的实验数据滤波处理后重建可以很明显的发现注血量的多少和成像结果成正相关。通过Origin Pro软件我们可以较为容易地算出随着注血量的增减，成像图中感兴趣区的色阶有着明显的变化，可以很明显得出到注血量越多，在电阻抗成像技术重建图中红色颜色越深，即对应的色阶的绝对值越大，见图9。
图9 注血量与色阶图
3.2 注血量与感兴趣区中面积的关系。
由于注血量每10 mL增加，从电阻抗成像技术重建图像上亦可看出出血面积的不断增加，结合数据分析发现注血量的增加与出血面积的值成正相关，即随着注血量的增加，感兴趣区面积也越大，见图10。
Feasibility Study of Real Time Monitoring of Pulmonary Hemorrhage Based on Electrical Impedance Tomography Technology
Abstract：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.
Key words：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
[中图分类号]TM934.7
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.008
[文章编号]1674-1633(2016)12-0035-03
收稿日期：2016-09-14
修回日期：2016-10-08