Chụp cắt lớp trở kháng điện (Electrical Impedance Tomography) trong thông khí cơ học

Bài viết Chụp cắt lớp trở kháng điện (Electrical Impedance Tomography) trong thông khí cơ học được dịch bởi Bác sĩ Đặng Thanh Tuấn từ bài viết gốc: Electrical Impedance Tomography During Mechanical Ventilation

Tóm tắt

Chụp cắt lớp trở kháng điện (EIT, Electrical impedance tomography) là một phương pháp chẩn đoán hình ảnh không xâm lấn, không x quang có thể hữu ích cho việc định lượng rối loạn phổi và chuẩn độ thông khí cơ học. Nguyên tắc hoạt động dựa trên những thay đổi về độ dẫn điện xảy ra như một hàm thay đổi thể tích phổi trong quá trình thông khí. EIT cung cấp các lợi ích tiềm năng quan trọng so với các phương thức chụp ảnh chuẩn vì hệ thống này có thể di động và không có tính x quang và có thể áp dụng cho bệnh nhân trong thời gian dài. Thay vì trình bày kỹ thuật của các phương pháp được sử dụng để thu thập, biên dịch, tái tạo và hiển thị hình ảnh EIT, bài viết này tìm cách cung cấp tổng quan về ứng dụng lâm sàng của công nghệ này vì nó liên quan đến giám sát thông khí cơ học và hỗ trợ quyết định tại cạnh giường. EIT đã được chứng minh là hữu ích trong việc phát hiện tràn khí màng phổi, định lượng phù phổi và so sánh phân phối thông khí giữa các chế độ thông khí khác nhau và có thể đưa ra chuẩn độ riêng biệt cao hơn của PEEP và các thông số khác của máy thở so với các phương pháp hiện có. Mặc dù ứng dụng của EIT vẫn chủ yếu được thực hiện trong một bối cảnh nghiên cứu, nó có thể chứng minh là một công cụ đầu giường hữu ích trong tương lai. Tuy nhiên, so sánh trực tiếp với các phương pháp chuẩn độ thông khí cơ học hiện có ở người cần được tiến hành trên các nghiên cứu trước khi áp dụng trong các ICU nói chung.

Giới thiệu

Chụp cắt lớp trở kháng điện (EIT) sử dụng dòng điện để đánh giá sự phân bố độ dẫn điện trong cơ thể từ các phép đo điện áp bề mặt của nó. Khái niệm này lần đầu tiên được mô tả như một phương pháp để khám phá các mỏ khoáng sản dưới lòng đất vào đầu những năm 1900 [1] và sau đó được điều chỉnh để sử dụng trong y tế. Khi chúng ta thở, thể tích không khí cách điện di chuyển vào và ra khỏi phổi. Thể tích này thay đổi trong phổi, tạo ra những thay đổi độ dẫn điện có thể được phát hiện bằng EIT. Barber và Brown đã giới thiệu EIT cho cộng đồng y tế vào đầu những năm 1980. [2] Từ đó, có rất nhiều ứng dụng trong y học, từ dịch dạ dày, chức năng não, và hình ảnh tuyến đến chức năng phổi đã được khám phá. Hình ảnh phổi là một ứng dụng lý tưởng của EIT vì thông khí của con người thể hiện những thay đổi lớn về thể tích (và do đó thay đổi độ dẫn điện) và cũng vì thực tế là phổi tương đối gần bề mặt (nơi thu được số đo). Hình ảnh của thông khí có thể trở thành một ứng dụng lâm sàng quan trọng của EIT.

Các thiết bị EIT sớm khá hạn chế do độ nhạy kém và nhiễu tín hiệu trong bối cảnh lâm sàng. [2] Sau nhiều năm cải tiến và thu hút sự quan tâm của một vài nhà điều tra và công ty, một mối quan tâm mới về công nghệ thông khí đã giúp giải quyết được nhiều thiếu sót này. Như với bất kỳ phương thức mới nào, EIT và tiện ích lâm sàng và ứng dụng của nó cần được khám phá một cách có phương pháp. Thay vì cung cấp một giải phẫu kỹ thuật của các phương pháp được sử dụng để thu thập, biên dịch, tái tạo và hiển thị hình ảnh EIT, bài viết này tìm cách cung cấp tổng quan về ứng dụng lâm sàng của công nghệ này vì nó liên quan đến giám sát thông khí cơ học và hỗ trợ quyết định tại giường.

Bệnh nhân cần thông khí áp lực dương để đảo ngược việc trao đổi khí không đầy đủ có nguy cơ gây tổn thương phổi do máy thở gây ra, chủ yếu là do căng phế nang quá mức (volutrauma) hoặc mở và đóng lặp lại các đơn vị trao đổi khí với mỗi hơi thở (huy động theo chu kỳ thở) dẫn đến atelectrauma. Điều này có thể dẫn đến dòng thác các yếu tố gây viêm được gọi là biotrauma. [3,4] Nhận thức này đã kích hoạt nghiên cứu bổ sung về bảo vệ phổi, bao gồm cả việc sử dụng EIT để hướng dẫn thông khí cơ học. Các thành phần chính của bảo vệ phổi không chỉ làm giảm hiện tượng quá căng phế nang hoặc xẹp phế nang toàn thể, mà còn giảm thiểu các hiện tượng đó trong từng khu vực, đồng thời duy trì trao đổi khí đầy đủ. Trước khi sử dụng EIT, hình ảnh x quang là cách duy nhất để xem xét sự phân bố thông khí của khu vực.

EIT tận dụng những thay đổi về trở kháng điện giữa mơ phổi chứa đầy không khí so với mô phổi chứa đầy dịch để mô tả và định lượng phân bố vùng phổi tại giường. Công nghệ này đã được xác nhận trong các nghiên cứu của động vật [5] và con người. [6,7] EIT sử dụng một loạt các điện cực (thường là 16 hoặc 32) được sắp xếp vòng tròn xung quanh ngực của bệnh nhân (Hình 1A). Các dòng điện nhỏ, không phát hiện được đối với bệnh nhân, được truyền qua giữa các điện cực và trở kháng được đo giữa và giữa các dãy điện cực. Thông qua việc đo đạc và tính toán phức tạp các giá trị trở kháng này, một hình ảnh 2 chiều được hình thành (Hình 1B) và đã được chứng minh là có tương quan với các thay đổi lâm sàng và x quang ở các đối tượng bệnh nhân (Hình 1C). [6] Khả năng ước lượng thể tích phổi và phân phối khu vực của thông khí không xâm lấn và trong thời gian thực có thể cung cấp cho chúng tôi cái nhìn sâu sắc có giá trị trước khi hiểu tác động của thay đổi thông khí cơ học.

Hình 1. Hình ảnh chụp cắt lớp trở kháng điện (EIT) điện được tạo ra bằng cách sử dụng một loạt các điện cực đặt trên ngực, mỗi điện cực gửi và nhận xung điện với nhau (A). Thể hiện là hình ảnh EIT chức năng (màu trắng biểu thị những thay đổi thể tích cao nhất, vùng không thông khí có màu xanh đậm) (B) và chụp cắt lớp vi tính (C) từ bệnh nhân tràn dịch màng phổi và bệnh phổi đáng kể. Hình ảnh lấy từ Courtesy Dräger.
Hình 1. Hình ảnh chụp cắt lớp trở kháng điện (EIT) điện được tạo ra bằng cách sử dụng một loạt các điện cực đặt trên ngực, mỗi điện cực gửi và nhận xung điện với nhau (A). Thể hiện là hình ảnh EIT chức năng (màu trắng biểu thị những thay đổi thể tích cao nhất, vùng không thông khí có màu xanh đậm) (B) và chụp cắt lớp vi tính (C) từ bệnh nhân tràn dịch màng phổi và bệnh phổi đáng kể. Hình ảnh lấy từ Courtesy Dräger.

Ứng dụng của EIT ở phổi

Các chiến lược hiện hành để cung cấp thông khí bảo vệ phổi dựa vào việc tránh các tình trạng liên quan đến chấn thương phổi. Sự quan tâm đến EIT ngày càng tăng do việc phát triển các kế hoạch xử lý thông khí cơ học cá nhân hóa cho từng bệnh nhân cụ thể. Việc sử dụng EIT đã chứng minh là hợp lý so với các phương thức chụp ảnh truyền thống khác để đánh giá những thay đổi về thể tích phổi từng khu vực trên nghiên cứu ở động vật và con người. [5,8,9] Mặc dù hình ảnh x quang và EIT đều cung cấp thông tin về sự phân bố không khí trong phổi, nhưng những phương thức này khá khác nhau. Hình ảnh x quang của phổi cung cấp thông tin hữu ích về sự phân bố của thông khí và tỷ lệ và vị trí của xẹp phế nang nhưng bị giới hạn bởi vì chỉ có một mẫu rời trong thời gian tiến hành chụp; cụ thể, các thay đổi xảy ra động hoặc tại bất kỳ thời điểm nào khác sẽ bị bỏ qua bởi các phương thức chụp hình ảnh truyền thống. Hình ảnh EIT thường phản ánh những thay đổi của sự bơm căng phổi, có nghĩa là EIT hiển thị các vùng phổi thông khí hơn là cấu trúc hình thái hoặc giải phẫu của phổi. Trong y văn, điều này được gọi là EIT chức năng. Giám sát lâm sàng lý tưởng cho bệnh nhân thở máy sẽ cung cấp các biện pháp thông khí và tưới máu cũng như là một số chỉ số của sự tương xứng giữa 2 yếu tố này. Thật vậy, EIT đã được sử dụng như một công cụ để đánh giá những thay đổi không chỉ trong thông khí mà còn của tưới máu phổi nữa. [10–12] Tuy nhiên, cần có thử nghiệm lâm sàng để đánh giá tính chính xác của EIT và tiện ích lâm sàng cần được thực hiện. Tuy nhiên, thông tin về tính chất khu vực của phổi thu thập được từ EIT và ảnh chụp cắt lớp vi tính (CT) có liên quan chặt chẽ với nhau ở các bệnh lý, như tràn dịch màng phổi hoặc xẹp phổi (atelectasis), dẫn đến vùng phổi không có khí và không thông khí (không hoạt động). Trong khi hình ảnh CT hiển thị các vùng phổi có khí bị bẫy (ví dụ, tràn khí màng phổi) màu đen vì hàm lượng không khí lớn, hầu hết các hệ thống EIT cũng hiển thị các vùng đó bằng màu đen vì chúng không thông khí. [13,14] Ngược lại, ảnh CT có thể chỉ ra một vùng mô phổi đông đặc có màu trắng vì hàm lượng chất dịch lỏng cao, trong khi khu vực này có thể được hiển thị trong ảnh EIT màu đen hoặc xanh đậm nếu vùng này không thông khí hoặc chỉ được thông khí một phần. [15] Xem Hình 2 để biết chi tiết.

Hình 2. A: Chụp cắt lớp trở kháng điện chức năng của bệnh nhân bị tràn khí màng phổi. Lưu ý phần màu đen ở phía trên bên phải của hình thứ hai [2]; điều này có nghĩa là trở kháng không thay đổi trong vùng đó, và do đó không có khối lượng nào thay đổi. B: Hình CT tương ứng thể hiện một tràn khí màng phổi (vùng khoanh tròn) trong cùng một khu vực. Hình ảnh lấy từ Courtesy Dräger.
Hình 2. A: Chụp cắt lớp trở kháng điện chức năng của bệnh nhân bị tràn khí màng phổi. Lưu ý phần màu đen ở phía trên bên phải của hình thứ hai [2]; điều này có nghĩa là trở kháng không thay đổi trong vùng đó, và do đó không có khối lượng nào thay đổi. B: Hình CT tương ứng thể hiện một tràn khí màng phổi (vùng khoanh tròn) trong cùng một khu vực. Hình ảnh lấy từ Courtesy Dräger.

Chuẩn độ PEEP

Các ứng dụng của PEEP được biết là để ngăn chặn sự xẹp lại của phế nang và làm đồng nhất hóa thông khí. Thiết lập mức PEEP tối ưu và được cá nhân hóa ở những bệnh nhân có và không có tổn thương phổi để tránh tình trạng xẹp phổi và biến dạng phế nang là điều khó khăn. Một số phương pháp đã được đề xuất để chuẩn độ PEEP: đường cong thể tích áp lực dùng phương pháp lưu lượng thấp, [16] CT, [17] đo áp lực thực quản, độ giãn nở phổi tốt nhất, [18] và bảng tiêu chuẩn dựa trên trao đổi khí hoặc nhu cầu oxy (bảng PEEP-FIO2). [19,20] Ngoại trừ CT, không có biện pháp nào trong số nói trên có khả năng phát hiện sự phân bố thông khí không đồng nhất trong khu vực. Mặc dù các điều chỉnh PEEP dựa trên các biểu đồ PEEP-FIO2 đã cho thấy mối tương quan yếu với khả năng huy động phổi (R2 = 0,29) ở các đối tượng người lớn có ARDS, phần lớn khả năng huy động phổi của bệnh nhân không thể được giải thích bằng các phương pháp chuẩn độ PEEP. Các thuật toán cho việc định lượng sự xẹp phế nang có thể huy động và quá căng phế nang đã được chứng minh bằng EIT và đã thể hiện sự đồng ý với CT. Tuy nhiên, các phương pháp này phải được so sánh với các phương pháp tiêu chuẩn, bao gồm các biểu đồ PEEP-FIO2, các đường cong áp lực – thể tích và đo áp lực thực quản, trước khi một lợi ích rõ ràng của đo cơ học phổi bằng phương pháp EIT có thể được khẳng định.

EIT cung cấp một kỹ thuật không có bức xạ để định lượng sự phân bố thông khí của khu vực ở tại giường. Pulletz và cộng sự [21] mô tả việc sử dụng áp lực mở khu vực và áp lực đóng cửa khu vực dựa trên việc đo đồng thời áp lực đường thở và sự thay đổi của EIT có thể làm giảm sự phân bố thông khí không đồng nhất trong các bệnh nhân bị hoặc không bị tổn thương phổi. Nhóm của chúng tôi có thể xác định việc mở phổi, quá căng và xẹp phổi trong giao thức huy động bậc thang [22] ở hình 3 cho thấy thiết lập đường cơ sở của PEEP của 15 cm H2O tăng lên 30 cm H2O ở bệnh nhân ARDS. Màu pixel thường được sử dụng để mô tả các thay đổi một cách trực quan. Hầu hết các hình ảnh EIT đều có chú giải màu để giúp hướng dẫn diễn giải. Hình 3 sử dụng định nghĩa của Costa et al [23] về quá căng (màu cam) và mở (màu xanh). Như bạn sẽ thấy, quá căng (cam) bắt đầu với bước thứ hai (Hình 3B) nhưng có thể lợi ích lớn hơn bởi thể tích được huy động. Ở bước 3, một PEEP 25 cm H2O (Hình 3C), quá căng và huy động dường như được cân bằng, với một chút quá căng. Tuy nhiên, trong bước 4, một PEEP 30 cm H2O, rõ ràng là quá căng xảy ra trong phần lớn cửa sổ này của phổi. Quá căng phổi thường xảy ra ở các phần phổi giãn nở tốt do dùng áp lực cao để huy động các phần phổi giãn nở kém. Mặc dù các thủ thuật huy động phổi đã được chứng minh là có lợi trong việc cải thiện trao đổi khí, stress và strain cần phải được quan tâm. EIT có thể giúp định lượng lợi nhuận (huy động) và tổn thất (quá căng hoặc không huy động) ở tại giường và trong thời gian thực khi cải thiện trao đổi khí có thể gây hiểu nhầm; do đó, các bác sĩ sẽ có thể ưu tiên huy động so với quá căng phổi trên một số bệnh nhân.

Hình 3. EIT cơ bản của ảnh cắt theo chu kỳ thở trong đó các thay đổi trở kháng được so sánh, sử dụng định nghĩa Costa et al [23] về quá căng phế nang (màu cam) và mở (màu xanh).
Hình 3. EIT cơ bản của ảnh cắt theo chu kỳ thở trong đó các thay đổi trở kháng được so sánh, sử dụng định nghĩa Costa et al [23] về quá căng phế nang (màu cam) và mở (màu xanh).

Ảnh hưởng của thay đổi tư thế

Việc định vị đúng các bệnh nhân thở máy là một trong một số chiến lược được chứng minh để giảm các biến chứng của thở máy. [24] Nâng cao đầu giường đã là một phần của gói phòng chống viêm phổi do thở máy trong nhiều năm [25] và thể tích phổi cuối thì thở ra được cải thiện theo mức độ cao của nâng đầu giường. Spooner et al [26] thấy rằng độ cao đầu giường làm tăng thể tích phổi cuối thì thở ra và khuyến cáo, trừ khi chống chỉ định, tất cả các bệnh nhân thở máy phải nâng đầu giường cao. Hình 4 thể hiện sự cải thiện về trở kháng theo vùng và mức độ cao của đầu giường. So với độ cao đầu giường tiêu chuẩn, Bein et al [27] cho thấy đối tượng ARDS nghiêng 60 độ ở bên trái hoặc bên phải của chúng không ảnh hưởng đến sự phân bố của thông khí. Trong những trường hợp như vậy, vai trò của EIT đóng vai trò như một thước đo để đánh giá hiệu ứng chức năng trên hệ thống phổi trong việc đánh giá đáp ứng với những thay đổi về vị trí.

Hình 4. Thay đổi từ trong trở kháng phổi cuối thì thở ra (EELI) trung bình theo vùng phổi và ở mỗi mức nâng đầu giường. Từ Tài liệu tham khảo 26.
Hình 4. Thay đổi từ trong trở kháng phổi cuối thì thở ra (EELI) trung bình theo vùng phổi và ở mỗi mức nâng đầu giường. Từ Tài liệu tham khảo 26.

Ảnh hưởng của chế độ thông khí

Các phương thức thông khí mới hơn đã được làm rõ bởi FDA, thường thông qua sự tương đồng đáng kể với một thiết bị dự đoán. Tuy nhiên, với những dữ liệu rất hạn chế sẽ khó chứng minh rằng một chế độ thông khí vượt trội hơn một chế độ thông khí khác. Thông thường, việc phân phối thông khí trong khu vực không là một phần của quy trình đánh giá của FDA. Mauri et al [28] so sánh sự huy động của các vùng phổi phụ thuộc (lưng) của các đối tượng ARDS thông khí với thông khí hỗ trợ áp lực. Họ kết luận rằng sự gia tăng PEEP bằng 5 cm H2O cải thiện sự phân bố thông khí của khu vực, cải thiện sự tuân thủ và dẫn đến giảm áp lực hỗ trợ thông khí 4 cm H2O. Tương tự như vậy, quan sát của Blankman et al [29] cho thấy sự hỗ trợ thấp hơn, cả về kiểm soát áp lực và chế độ hỗ trợ thông khí được điều chỉnh theo thần kinh (NAVA), cung cấp sự cải thiện thông khí ở các khu vực phụ thuộc bằng cách đánh giá bằng EIT cho một kết cục tốt hơn.

Chúng tôi đang so sánh sự phân bố thông khí giữa NAVA và PSV trong thử nghiệm chéo ở trẻ em, trong đó hình ảnh EIT hỗ trợ đánh giá tác động của chế độ thông khí. Hình 5 thể hiện sự khác biệt trong phân bố thông khí khu vực trong cùng một bệnh nhân. EIT có thể cho phép chúng tôi cá nhân hóa việc chăm sóc và sử dụng các chế độ thông khí nhằm tạo ra sự cải thiện khách quan nhất.

Hình 5. Sự khác biệt trong phân bố khu vực của thông khí trong cùng một bệnh nhân, sử dụng PSV (A) và NAVA (B). Ở bệnh nhân này, dường như có sự phân bố thông khí đồng nhất hơn bằng cách sử dụng NAVA.
Hình 5. Sự khác biệt trong phân bố khu vực của thông khí trong cùng một bệnh nhân, sử dụng PSV (A) và NAVA (B). Ở bệnh nhân này, dường như có sự phân bố thông khí đồng nhất hơn bằng cách sử dụng NAVA.

Đánh giá phân bố thông khí khu vực

Bệnh nhân bị tổn thương phổi có các tình trạng không đồng nhất của phổi, các đặc tính khác nhau của các vùng phụ thuộc và không phụ thuộc, và ảnh hưởng của tư thế và sự dịch chuyển trong áp lực xuyên phổi. Các điều kiện này khác nhau và thường không thể đo lường, đặt bác sĩ lâm vào thế bất lợi để hoàn toàn hiểu được tình trạng nào đang xảy ra. Khi bệnh nhân tự thở trong khi nhận được thông khí áp lực dương, áp lực màng phổi âm tính làm tăng áp lực xuyên phổi. Bởi vì thông khí tự phát thường tăng cường trao đổi khí, giảm thiểu teo cơ, và cải thiện độ giãn nở hệ thống hô hấp, nó được khuyến khích theo truyền thống. Tuy nhiên, trong phổi bị thương, áp lực màng phổi này không được truyền thống nhất và có thể dẫn đến hiện tượng pendelluft thông khí từ vùng phổi không phụ thuộc vào vùng phổi phụ thuộc mà không có thay đổi về thể tích khí lưu thông, nghĩa là không có EIT hoặc CT scan thì bác sĩ hoàn toàn bị mù về hiện tượng này. Trong quá trình thông khí bảo vệ phổi với sự tuân thủ nghiêm ngặt để hạn chế thể tích khí lưu thông, một nỗ lực hô hấp mạnh có thể gây tổn hại do gây quá tải cục bộ trong các đơn vị phổi phụ thuộc. [30] Hiệu ứng pendelluft có thể là lý do tại sao, trong chấn thương phổi nhẹ, thở tự phát có lợi, Tuy nhiên, giả thuyết này đã được thử nghiệm trong một thử nghiệm ngẫu nhiên có kiểm soát tốt được công bố bởi Papazian et al [32] chứng minh rằng liệt sớm trong ARDS nặng có lợi. EIT có tiềm năng để xác định ở bệnh nhân nào có hiện tượng pendelluft đang xảy ra.

EIT đã được thể hiện trong các mô hình động vật và báo cáo trường hợp trên người, là một chỉ số chính xác về tràn khí màng phổi [13,33,34] Gần đây hơn, các thông số thu được từ EIT được sử dụng để phân biệt phổi bị xẹp, quá căng và được huy động đầy đủ ở các vùng phổi khác nhau bởi nhiều nhà nghiên cứu. [5,21,22,35–41] Mặc dù có một lượng lớn tài liệu, nhưng gần đây chỉ có các chỉ số có nguồn gốc từ EIT đã được chứng minh là cải thiện kết quả trong một mô hình thí nghiệm về chấn thương phổi. Wolf và cộng sự [42] đã phát triển một chiến lược thông khí cơ học do EIT hướng dẫn đã chứng minh trong một mô hình động vật. Thông qua mô hình thử nghiệm này, họ có thể chứng minh rằng thông khí có hướng dẫn EIT vượt trội so với giao thức thông khí quốc gia và tiêu chuẩn hóa của ARDSNet. [43–46] Thông khí có hướng dẫn EIT tạo ra cải thiện trao đổi khí và cải thiện phân bố khí như được chứng thực bằng hình ảnh CT và không có tác động bất lợi về huyết động. Quan trọng hơn, mô bệnh học phổi cho thấy tổn thương phổi giảm trong nhóm được EIT hướng dẫn so với nhóm chứng. Trong một mô hình thí nghiệm chấn thương phổi, EIT cung cấp đánh giá thông khí khu vực để cho phép bác sĩ lâm sàng tối ưu hóa việc điều trị bằng thông khí cơ học.

Một cách khác để đánh giá những thay đổi trong phân bố thông khí khu vực là thông qua v