Многочастотная электроимпедансная томография (МЭИТ) является одним из направлений развития метода ЭИТ [1], при котором объект исследования (ОИ) инжектируется переменным током в заданном диапазоне частот. Это позволяет в режиме реального времени получать дополнительную диагностическую информацию об изменении свойств исследуемой области (ИО), в том числе обусловленную индивидуальными особенностями самого ИО. Наибольшее практическое применение метод ЭИТ получил в области мониторинга функционального состояния легких человека при выполнении реанимационных мероприятий по искусственной вентиляции легких (ИВЛ) [2–5]. Это объясняется тем, что применение ЭИТ позволяет преодолеть ряд клинических проблем, которые невозможно решить с помощью других современных способов медицинской визуализации. К таким задачам, например, относится выявление изменений функционального состояния в отдельных (регионарных) областях легких, например, мониторинг и оценка вентиляции правого и левого лёгкого в отдельности, регионарной перфузии и регионарного вентиляционно-перфузионного отношения (ВПО)) [6]. При этом применение МЭИТ создает предпосылки для повышения качества персонализированной визуализации и достоверности мониторинга состояния легких человека, находящегося на респираторной поддержке. Таким образом существует практическая необходимость в создании медико-технических средств МЭИТ, позволяющих реализовать комплекс алгоритмов, методов и подходов для сбора, обработки, реконструкции и визуализации изменений функционального состояния ОИ. В рамках данной работы проводится начальная экспериментальная апробация разработанной автором информационно-измерительной системы многочастотной электроимпедансной томографии (ИИС МЭИТ) для задач мониторинга процесса вентиляции и ВПО легких человека.
Целью настоящих исследований является первичная оценка работоспособности разработанных и изготовленных аппаратно-программных средств мониторинга регионарной вентиляции и ВПО легких человека на основе многочастотной электроимпедансной томографии. Ключевая особенность данных исследований заключается в том, что массив измерительной информации получен с добровольцев из числа разработчиков ИИС МЭИТ с применением реанимационного нагрузочного спирометра. Таким образом, в лабораторных условиях на здоровых людях (испытуемых) в упрощенном виде и безопасным способом моделируется процесс ИВЛ в части задания и изменения дыхательных объемов, а также производится оценка возможности получения измерительной информации для левого и правого лёгкого в отдельности. Полученные данные использованы для реконструкции изменений поля проводимости и динамической визуализации процесса вентиляции и ВПО при разных частотах инжектируемого тока и дыхательных объемах.
Материалы и методы исследования
В основу проведения исследований был положен метод многочастотной электроимпедансной томографии. Информационно-измерительная система МЭИТ позволяет визуализировать изменения поля проводимости ΔΩ в области наложения электродной системы (ЭС), обусловленные процессами вентиляции и перфузии легких в отдельности. Задание дыхательных объемов Vi и моделирование мероприятия ИВЛ выполнены с применением нагрузочного спирометра Coach 2, который был использован также в работе [7]. Количество циклов исследований – 5. Сила инжектируемого тока I – 5 мА. Диапазон изменения частоты инжектирования тока fi – от 50 кГц до 400 кГц. При этом переключение частоты тока инжектирования fi выполняется автоматически каждые 20 секунд. Данные значения обеспечиваются с помощью источника тока и микроконтроллерным блоком ИИС МЭИТ. Электродная система реализована на основе 16 многоразовых металлических электродов, конструктивно соединенных с резиновым растяжимым поясом в единое устройство. Данная ЭС показала высокую надежность выполнения ЭИТ на предыдущих этапах исследований. Использованный тип электродного геля – гель для выполнения электрокардиографии. Зарегистрированные измерительные потенциалы φN с каждого электрода ЭС были программно сгруппированы на два массива, а именно: с левой стороны испытуемого ΨL, а с правой стороны – ΨR. Программное обеспечение ИИС МЭИТ разработано на языке C++. Интерфейс пользователя позволяет выводить динамические изображения наблюдаемых процессов (изменение вентиляции и ВПО легких). Конструктивное исполнение ИИС МЭИТ – портативное устройство с собственными вычислительными мощностями. Все электронные блоки безопасны для человека и имеют необходимые линии гальванической развязки. Количество добровольцев (И), принявших участие в исследовании, – 3 чел. (И1, И2 и И3), отличающихся друг от друга разным индексом массы тела, внешним видом и строением. Они являются одними из основных разработчиков ИИС МЭИТ и дали согласие на участие в испытаниях. Место проведения исследований – экспериментальный стенд для проведения медико-технических исследований методом ЭИТ (рис. 1), спроектированный и собранный автором ранее [8]. Сроки проведения исследований: с 13 сентября 2021 г. по 15 ноября 2021 г. Каждый испытуемый находился в положении «стоя» и самостоятельно задавал вдыхаемый объем, ориентируясь на шкалу спирометра Coach 2. При этом одновременно выполнялась МЭИТ легких, а на экране прикроватного монитора выводилось значение SpO2. Таким образом, для каждого испытуемого были получены значения ΨL и ΨR при разных величинах дыхательных объемов Vi при разных частотах fi инжектируемого тока I. Обобщенная схема, поясняющая суть проводимых исследований, а также введенные обозначения, представлена на рис. 2.
Рис. 1. Фотография медико-технического стенда для проведения экспериментальных исследований методом ЭИТ
Рис. 2. Общая схема получения измерительных данных
В процессе выполнения МЭИТ на постоянной основе выполнялся мониторинг качества крепления электродов к телу испытуемого как с помощью соответствующего программного модуля, встроенного в ИИС МЭИТ, так и визуально.
В целом при подключении каждого испытуемого решались следующие основные задачи:
1) оценка возможности длительного непрерывного мониторинга регионарной вентиляции и ВПО легких (плановое время непрерывного мониторинга – не менее 3 ч) с помощью разработанной ИИС МЭИТ в лабораторных условиях на испытуемых И (И1, И2 и И3);
2) мониторинг работоспособности ИИС МЭИТ при заданных дыхательных объемах Vi при разных частотах fi инжектируемого тока I на испытуемых И, а также оценка визуализации регионарного ВПО и динамических изображений регионарной вентиляции лёгких (левого и правого лёгкого в отдельности) каждого И (И1, И2 и И3);
3) оценка зависимостей регионарных измерительных потенциалов ΨL и ΨR от величины дыхательного объема Vi при разных частотах fi для каждого И1, И2 и И3.
Результаты исследования и их обсуждение
В результате выполненных экспериментальных исследований при установленном диапазоне дыхательных объемов (от 500 мл до 4000 мл) в заданном частотном диапазоне инжектируемого тока (от 50 кГц до 400 кГц) были получены временные ряды регионарных измерительных данных ΨL и ΨR для каждого из И. Данные значения были обработаны с целью их наглядного графического представления и удобства интерпретации. На рис. 3 представлены графики зависимостей ΨL и ΨR от величины дыхательного объема Vi при разных частотах fi для И1 (рис. 3, а), И2 (рис. 3, б) и И3 (рис. 3, в). По оси ординат показаны зарегистрированные величины ΨL и ΨR (единица измерения – мВ).
а)
б)
в)
Рис. 3. Зависимость регионарных измерительных потенциалов ΨL и ΨR от величины дыхательного объема Vi при разных частотах fi для И1 (а), И2 (б) и И3 (в)
Анализируя сведения, представленные на рис. 3, можно заключить, что для И1, И2 и И3 с ростом fi наблюдается уменьшение средней величины зарегистрированных ΨL и ΨR в пределах заданного Vi. Однако на фиксированной fi значения ΨL и ΨR возрастают с увеличением Vi. Причем скорость изменений значений ΨL и ΨR при изменении fi различна для каждого И. Таким образом, применение МЭИТ позволяет учесть особенности ОИ и персонализировать ЭИТ под конкретного обследуемого. Количественная оценка и разработка алгоритмов по выбору требуемых параметров ЭИТ является предметом дальнейших исследований.
При выполнении программы и всего цикла экспериментальных исследований на экране ИИС МЭИТ непрерывно выводились динамические изображения процесса вентиляции легких. Они были получены по результатам реконструкции и визуализации изменений поля проводимости ΔΩ в плоскости наложения ЭС при установленных Vi и fi. К сожалению, предоставить весь спектр получаемых изображений на каждый цикл дыхания для каждого испытуемого И не представляется возможным. В этой связи в таблице для иллюстрации приведен пример динамической визуализации вентиляции как стоп-кадр для момента максимального вдоха для каждого И.
Пример динамической визуализации вентиляции легких для И1, И2 и И3
|
И |
Дыхательные объемы, заданные нагрузочным спирометром Coach 2 |
|||||||
|
500 мл |
1000 мл |
1500 мл |
2000 мл |
2500 мл |
3000 мл |
3500 мл |
4000 мл |
|
|
И1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Из таблицы видно, что ИИС МЭИТ позволяет выполнять регионарный мониторинг вентиляции легких человека (правого и левого в отдельности) в установленных диапазонах Vi и fi. При этом незначительные отклонения изображений в правую или в левую стороны связаны с артефактами, вызванными несимметричным наложением ЭС на поверхность грудной клетки испытуемого. Данная особенность свойственна методу ЭИТ и требует дальнейших работ по минимизации отклонений. Пример динамической визуализации ВПО (стоп-кадр для момента максимального вдоха) приведен на рис. 4 (на частоте тока инжектирования 100 кГц) для И1 (рис. 4, а), И2 (рис. 4, б) и И3 (рис. 4, в).
а) б) в)
Рис. 4. Пример динамической визуализации ВПО
Изображение ВПО является малодинамичным, что согласуется с теоретическими исследованиями и справочными данными, в соответствии с которыми у здорового человека коэффициент ВПО должен постоянно находиться на уровне 0,8–1 [9]. Любые отклонения или периодические изменения свидетельствуют о наличии проблем с функцией внешнего дыхания. Так как в экспериментальных исследованиях принимали участие здоровые добровольцы без наличия патологий в функции внешнего дыхания, то изменений в значении ВПО не наблюдалось. Данное обстоятельство подтверждается и показаниями пульсоксиметра (SpO2) прикроватного монитора пациента, встроенного в медико-технический стенд. Для всех испытуемых значение SpO2 не опускалось ниже 98–99 % (положение стоя).
Заключение
По результатам проведенных экспериментальных исследований можно сформулировать следующие основные выводы.
1. Предложенные решения позволяют вести непрерывный длительный мониторинг вентиляции и ВПО лёгких человека (в том числе и регионарный) без необходимости выполнения дополнительных перенастроек ИИС МЭИТ. Единственной особенностью является потребность в периодическом мониторинге качества крепления ЭС и необходимость добавления электродного геля.
2. Работоспособность ИИС МЭИТ сохранялась в установленном диапазоне дыхательных объемов (от 500 мл до 4000 мл) и в заданном частотном диапазоне инжектируемого тока (от 50 кГц до 400 кГц). Все режимы работы ИИС МЭИТ, связанные с переключением частоты тока инжектирования, визуализацией изменений реконструированного поля проводимости, сохранением результатов измерения, отображением качества крепления электродов к телу испытуемого, программным мониторингом длительности исследования и др., находились в рабочем состоянии. Изменение степени функционирования ИИС МЭИТ и нестабильность в ее работе не наблюдались.
3. Предложенные решения позволяют длительно и непрерывно визуализировать регионарную вентиляцию лёгких и ВПО (левого и правого лёгкого в отдельности). Данная информация адекватно отображается на экране ИИС МЭИТ и позволяет наблюдать в режиме реального времени за процессом регионарного воздухонаполнения легких.
Работы выполняются в рамках проекта СП-21.2019.4.