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肺通气功能障碍是肺部疾病的发展影响到呼吸系统的正常生理功能而造成的。常见的肺部疾病(如哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺炎等)以及胸部伤(如爆震伤、交通意外伤等)造成的血、气胸都会引发通气功能障碍，严重时甚至危及生命。通气功能障碍的监测对掌握疾病发展过程、评价治疗效果具有重要的临床意义。
现有的临床检测手段中，肺功能检查是对患者的整体肺通气功能进行诊断和评估的金标准，但不能提供局部通气功能信息；X线、CT等成像技术能提供结构和占位性病变图像信息，但不能对肺通气功能进行动态监测。因此，针对肺通气功能的动态监测和评估需求，需要一种便携、安全、实时反映局部肺通气功能的成像技术。
生物组织在不同生理和病理状态下具有不同的电阻抗特性。电阻抗断层成像技术(Electricalimpedance tomography，EIT)可利用不同生理和病理状态下肺通气引起的阻抗变化进行成像，具有安全、实时、功能成像的优点，有望成为监测肺通气功能的一种新型手段。
对肺通气的监测和评估一直是EIT的研究热点，包括电阻抗改变与肺通气量的关系研究、肺通气监测的影响因素研究、机械通气的监测研究以及对哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺炎等常见肺部疾病的初步评价研究等几个方面。但在阻抗变化与肺通气的量化关系及应用、各种疾病导致的肺通气功能障碍的评价方法和指标方面缺少系统的研究。因此，本文在回顾国内外研究现状的基础上，从临床实验研究对EIT实验平台的性能需求、通气量与阻抗变化关系模型的优化及EIT对肺通气功能障碍评价的参数表征方法等需求出发，对EIT实验平台，通气量与阻抗变化的量化关系，EIT对血气胸、限制性及阻塞性通气功能障碍的监测和评价方法等内容进行了较全面的研究。主要研究内容包括：
(1)用于通气功能障碍监测的EIT实验平台搭建与优化
针对通气功能障碍监测研究对EIT实验平台测量精度和便携、易用的性能需求，基于课题组自主研发的高精度、便携式肺部EIT数据采集系统PEIT4，开发了功能可靠的软件平台，实现了软硬件接口、数据采集、数据回放、图像重构与显示、数据管理与分析等功能；基于银导电布设计制作了稳定易用的电极带，并与ECG电极进行了性能对比。EIT实验平台硬件系统的成像速度12帧/s，测量精度优于1‰，重量小于0.5kg，能够满足肺通气功能监测的数据采集要求，且具有测量精度高、小巧便携的优点；软件平台具有较高的可靠性和较好的扩展性，交互界面友好，能够满足数据采集和分析的需要；银导电布电极带能将实验准备时间缩短至1分钟内，且与ECG电极相比具有更高的稳定性、易用性以及更小的皮肤接触阻抗。结果表明，搭建的EIT实验平台能够满足对肺通气功能障碍监测的需要，为临床实验研究奠定了良好的实验平台基础。
(2)血、气胸动物模型实的EIT监测与评价研究
闭合性血、气胸可导致限制性通气功能障碍，且具有隐蔽性，不易及时发现和治疗。因此，对血、气胸的实时监测是目前临床急需解决的问题。利用小猪建立了血、气胸导致限制性通气功能障碍的动物模型，系统地开展了对血、气胸的EIT监测和评价研究。分别从一维边界电压变化和二维图像阻抗变化两个方面提出了边界电压变化TBV、局部阻抗变化量ΔZ、局部阻抗变化面积ΔA以及肺通气量ΔV等评价指标，分析了血、气胸发生过程中各指标的变化趋势。结果表明：气胸导致边界电压TBV及局部阻抗变化ΔZ的上升，血胸导致边界电压TBV及局部阻抗变化ΔZ的下降；EIT图像中血、气胸发生位置的阻抗变化面积ΔA随发生量的增加而增加。实现了EIT对血、气胸发展过程的动态监测及评价，初步验证了EIT实验平台监测通气功能障碍的有效性。
(3)肺通气功能的EIT参数表征方法研究
肺通气功能的EIT参数表征方法为评价肺通气功能好坏、分析生理和病理改变以及评价治疗效果提供依据。针对EIT缺乏评价肺通气功能参数表征方法的问题，得到了与FVC、FEV1、FEV1/FVC等常用肺功能指标相对应的功能EIT图像，从而建立了肺通气量、肺通气分布及一秒率分布的EIT参数表征方法。姿势变化引起局部肺通气的改变，且与重力方向和肺区的相对位置有关。对12名健康男性受试者在坐姿、仰卧和俯卧三种姿势下的肺通气情况，开展了EIT和肺功能测试的对照研究，采用提出的参数表征方法对姿势变化引起的局部肺通气改变进行了分析和评估。结果表明，EIT实验平台以及参数表征方法能够很好地监测和反映姿势变化引起的肺通气改变，从而验证了参数表征方法的有效性，为EIT监测肺通气功能障碍研究提供了有效的平台基础和量化表征方法。
(4)限制性通气功能障碍的EIT量化表征与评价方法研究
①针对线性模型不能精确反映FVC与阻抗变化关系的问题，提出了更加精确的二次模型。对133名健康受试者开展了EIT与肺功能测试的临床对照研究，对FVC与阻抗变化的量化关系进行回归分析，实现了线性模型，并提出了更加精确的二次模型。②提出了限制性通气功能障碍的EIT参数表征方法。对53名健康受试者和47名限制性通气功能障碍患者开展了EIT与肺功能测试的临床对照研究，使用线性模型和提出的二次模型进行分析得到FVC的EIT预测值EITFVC，进而得到了EIT对限制性通气功能障碍的评价指标EIT%FVCpred，采用ROC分析对两种模型的评价效果进行了对比。
结果表明：所提出的二次模型的调整拟合优度R2=0.898，FVCEIT%FVCpred的最佳cut-off值0.88，ROC曲线下面积AUC=0.922，阳性似然比5.49；线性模型的调整拟合优度R2=0.821，FVCEIT%FVCpred的最佳cut-off值0.87，ROC曲线下面积AUC=0.781，阳性似然比2.57。说明二次模型具有更高的拟合精度，能够更好地反映FVC与阻抗变化的关系，对限制性通气功能障碍具有更好的判别能力，证明了本文提出的二次模型以及EIT对限制性通气功能障碍评价方法的有效性，填补了EIT对限制性通气功能障碍评价的空白。
(5)阻塞性通气功能障碍的EIT量化表征与评价方法研究
针对EIT对阻塞性通气功能障碍的评价问题，提出了阻塞程度的参数表征方法。对41名健康受试者和67名阻塞性通气功能障碍患者开展了EIT与肺功能测试的临床对照研究。基于一秒率的fEIT图像提出了MI、VDI等量化指标用于对全局阻塞程度进行评价，ROC分析证明了MI指标对正常及早期、轻度、中度和重度阻塞性通气功能障碍具有较好的判别能力；建立了四象限图和等高线图的局部ROI，并分别对不同ROI区域内的阻塞程度进行了量化分析，首次实现了对全局和局部肺阻塞程度的定量和定位分析。基于FVC与阻抗变化的量化关系，求得了FEV1%pred的fEIT图像，进一步对MI指标进行了补偿。
结果表明：所提出的VDI、MI指标均能反映肺通气功能随阻塞程度的变化趋势，ROC分析中MI指标的cut-off值分别为0.650、0.770、0.820和0.900，ROC曲线下面积分别为0.781、0.741、0.699和0.839(p＜0.05)，证明了MI指标区分阻塞程度的有效性，补偿后的MI指标进一步提高了对阻塞程度的判别能力。MI指标的提出，填补了EIT对全局和局部阻塞程度进行定位和定量分析的空白，为EIT评价阻塞性通气功能障碍提供了新思路。
综上所述，本文的特色与创新点主要有以下几点：
(1)首次提出了精度更高的FVC与阻抗变化的二次关系模型
针对线性模型无法精确反映FVC与阻抗变化的量化关系问题，首次提出了精度更高的二次关系模型，并进行了多元线性回归分析，对133例样本测试，二次模型的调整拟合优度R2达到0.898，比线性模型提高了9.4%。该模型的建立有效提高了通过阻抗变化预测肺通气量的准确度，为EIT对通气功能障碍的评价提供依据。
(2)建立了EIT对限制性通气功能障碍的参数表征和评价方法
利用提出的FVC与阻抗变化的二次关系模型，得到了较准确的FVC的EIT预测值EITFVC，进而得到限制性通气功能障碍的EIT评价指标EIT%FVCpred，首次提出了EIT对限制性通气功能障碍的评价方法，实现了对限制性通气功能障碍的判别。
(3)建立了EIT对阻塞性通气功能障碍的参数表征和评价方法
基于FEV1/FVC的fEIT图像提出了MI指标，提出了EIT对阻塞性通气功能障碍的量化表征与评价方法，首次实现了EIT对全局和局部阻塞程度的分级评价；针对严重阻塞时FVC下降导致MI指标动态范围较小的问题，推导了FEV1/FVC与FEV1%pred的fEIT图像的近似关系，提出了MI指标的补偿方法，进一步提高了MI指标对阻塞程度的判别能力。
综上所述，本文以肺通气功能障碍的EIT监测及参数表征为研究目的，通过平台设计、动物实验、临床实验和数据分析等，搭建了高精度、便携式的EIT实验平台，提出了精度更高的FVC与阻抗变化的二次关系模型，开展了EIT对血、气胸动物模型、限制性和阻塞性通气功能障碍患者的监测实验，提出了参数表征方法，实现了对肺通气功能障碍的定性、定量和定位评价。本文的研究表明了EIT对局部肺通气功能障碍监测的可行性和评价方法的有效性，为EIT监测肺通气功能障碍提供了可行的研究思路和方法，对EIT更广泛的临床应用起到了积极的推进作用。
现有的临床检测手段中，肺功能检查是对患者的整体肺通气功能进行诊断和评估的金标准，但不能提供局部通气功能信息；X线、CT等成像技术能提供结构和占位性病变图像信息，但不能对肺通气功能进行动态监测。因此，针对肺通气功能的动态监测和评估需求，需要一种便携、安全、实时反映局部肺通气功能的成像技术。
生物组织在不同生理和病理状态下具有不同的电阻抗特性。电阻抗断层成像技术(Electricalimpedance tomography，EIT)可利用不同生理和病理状态下肺通气引起的阻抗变化进行成像，具有安全、实时、功能成像的优点，有望成为监测肺通气功能的一种新型手段。
对肺通气的监测和评估一直是EIT的研究热点，包括电阻抗改变与肺通气量的关系研究、肺通气监测的影响因素研究、机械通气的监测研究以及对哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺炎等常见肺部疾病的初步评价研究等几个方面。但在阻抗变化与肺通气的量化关系及应用、各种疾病导致的肺通气功能障碍的评价方法和指标方面缺少系统的研究。因此，本文在回顾国内外研究现状的基础上，从临床实验研究对EIT实验平台的性能需求、通气量与阻抗变化关系模型的优化及EIT对肺通气功能障碍评价的参数表征方法等需求出发，对EIT实验平台，通气量与阻抗变化的量化关系，EIT对血气胸、限制性及阻塞性通气功能障碍的监测和评价方法等内容进行了较全面的研究。主要研究内容包括：
(1)用于通气功能障碍监测的EIT实验平台搭建与优化
针对通气功能障碍监测研究对EIT实验平台测量精度和便携、易用的性能需求，基于课题组自主研发的高精度、便携式肺部EIT数据采集系统PEIT4，开发了功能可靠的软件平台，实现了软硬件接口、数据采集、数据回放、图像重构与显示、数据管理与分析等功能；基于银导电布设计制作了稳定易用的电极带，并与ECG电极进行了性能对比。EIT实验平台硬件系统的成像速度12帧/s，测量精度优于1‰，重量小于0.5kg，能够满足肺通气功能监测的数据采集要求，且具有测量精度高、小巧便携的优点；软件平台具有较高的可靠性和较好的扩展性，交互界面友好，能够满足数据采集和分析的需要；银导电布电极带能将实验准备时间缩短至1分钟内，且与ECG电极相比具有更高的稳定性、易用性以及更小的皮肤接触阻抗。结果表明，搭建的EIT实验平台能够满足对肺通气功能障碍监测的需要，为临床实验研究奠定了良好的实验平台基础。
(2)血、气胸动物模型实的EIT监测与评价研究
闭合性血、气胸可导致限制性通气功能障碍，且具有隐蔽性，不易及时发现和治疗。因此，对血、气胸的实时监测是目前临床急需解决的问题。利用小猪建立了血、气胸导致限制性通气功能障碍的动物模型，系统地开展了对血、气胸的EIT监测和评价研究。分别从一维边界电压变化和二维图像阻抗变化两个方面提出了边界电压变化TBV、局部阻抗变化量ΔZ、局部阻抗变化面积ΔA以及肺通气量ΔV等评价指标，分析了血、气胸发生过程中各指标的变化趋势。结果表明：气胸导致边界电压TBV及局部阻抗变化ΔZ的上升，血胸导致边界电压TBV及局部阻抗变化ΔZ的下降；EIT图像中血、气胸发生位置的阻抗变化面积ΔA随发生量的增加而增加。实现了EIT对血、气胸发展过程的动态监测及评价，初步验证了EIT实验平台监测通气功能障碍的有效性。
(3)肺通气功能的EIT参数表征方法研究
肺通气功能的EIT参数表征方法为评价肺通气功能好坏、分析生理和病理改变以及评价治疗效果提供依据。针对EIT缺乏评价肺通气功能参数表征方法的问题，得到了与FVC、FEV1、FEV1/FVC等常用肺功能指标相对应的功能EIT图像，从而建立了肺通气量、肺通气分布及一秒率分布的EIT参数表征方法。姿势变化引起局部肺通气的改变，且与重力方向和肺区的相对位置有关。对12名健康男性受试者在坐姿、仰卧和俯卧三种姿势下的肺通气情况，开展了EIT和肺功能测试的对照研究，采用提出的参数表征方法对姿势变化引起的局部肺通气改变进行了分析和评估。结果表明，EIT实验平台以及参数表征方法能够很好地监测和反映姿势变化引起的肺通气改变，从而验证了参数表征方法的有效性，为EIT监测肺通气功能障碍研究提供了有效的平台基础和量化表征方法。
(4)限制性通气功能障碍的EIT量化表征与评价方法研究
①针对线性模型不能精确反映FVC与阻抗变化关系的问题，提出了更加精确的二次模型。对133名健康受试者开展了EIT与肺功能测试的临床对照研究，对FVC与阻抗变化的量化关系进行回归分析，实现了线性模型，并提出了更加精确的二次模型。②提出了限制性通气功能障碍的EIT参数表征方法。对53名健康受试者和47名限制性通气功能障碍患者开展了EIT与肺功能测试的临床对照研究，使用线性模型和提出的二次模型进行分析得到FVC的EIT预测值EITFVC，进而得到了EIT对限制性通气功能障碍的评价指标EIT%FVCpred，采用ROC分析对两种模型的评价效果进行了对比。
结果表明：所提出的二次模型的调整拟合优度R2=0.898，FVCEIT%FVCpred的最佳cut-off值0.88，ROC曲线下面积AUC=0.922，阳性似然比5.49；线性模型的调整拟合优度R2=0.821，FVCEIT%FVCpred的最佳cut-off值0.87，ROC曲线下面积AUC=0.781，阳性似然比2.57。说明二次模型具有更高的拟合精度，能够更好地反映FVC与阻抗变化的关系，对限制性通气功能障碍具有更好的判别能力，证明了本文提出的二次模型以及EIT对限制性通气功能障碍评价方法的有效性，填补了EIT对限制性通气功能障碍评价的空白。
(5)阻塞性通气功能障碍的EIT量化表征与评价方法研究
针对EIT对阻塞性通气功能障碍的评价问题，提出了阻塞程度的参数表征方法。对41名健康受试者和67名阻塞性通气功能障碍患者开展了EIT与肺功能测试的临床对照研究。基于一秒率的fEIT图像提出了MI、VDI等量化指标用于对全局阻塞程度进行评价，ROC分析证明了MI指标对正常及早期、轻度、中度和重度阻塞性通气功能障碍具有较好的判别能力；建立了四象限图和等高线图的局部ROI，并分别对不同ROI区域内的阻塞程度进行了量化分析，首次实现了对全局和局部肺阻塞程度的定量和定位分析。基于FVC与阻抗变化的量化关系，求得了FEV1%pred的fEIT图像，进一步对MI指标进行了补偿。
结果表明：所提出的VDI、MI指标均能反映肺通气功能随阻塞程度的变化趋势，ROC分析中MI指标的cut-off值分别为0.650、0.770、0.820和0.900，ROC曲线下面积分别为0.781、0.741、0.699和0.839(p＜0.05)，证明了MI指标区分阻塞程度的有效性，补偿后的MI指标进一步提高了对阻塞程度的判别能力。MI指标的提出，填补了EIT对全局和局部阻塞程度进行定位和定量分析的空白，为EIT评价阻塞性通气功能障碍提供了新思路。
综上所述，本文的特色与创新点主要有以下几点：
(1)首次提出了精度更高的FVC与阻抗变化的二次关系模型
针对线性模型无法精确反映FVC与阻抗变化的量化关系问题，首次提出了精度更高的二次关系模型，并进行了多元线性回归分析，对133例样本测试，二次模型的调整拟合优度R2达到0.898，比线性模型提高了9.4%。该模型的建立有效提高了通过阻抗变化预测肺通气量的准确度，为EIT对通气功能障碍的评价提供依据。
(2)建立了EIT对限制性通气功能障碍的参数表征和评价方法
利用提出的FVC与阻抗变化的二次关系模型，得到了较准确的FVC的EIT预测值EITFVC，进而得到限制性通气功能障碍的EIT评价指标EIT%FVCpred，首次提出了EIT对限制性通气功能障碍的评价方法，实现了对限制性通气功能障碍的判别。
(3)建立了EIT对阻塞性通气功能障碍的参数表征和评价方法
基于FEV1/FVC的fEIT图像提出了MI指标，提出了EIT对阻塞性通气功能障碍的量化表征与评价方法，首次实现了EIT对全局和局部阻塞程度的分级评价；针对严重阻塞时FVC下降导致MI指标动态范围较小的问题，推导了FEV1/FVC与FEV1%pred的fEIT图像的近似关系，提出了MI指标的补偿方法，进一步提高了MI指标对阻塞程度的判别能力。
综上所述，本文以肺通气功能障碍的EIT监测及参数表征为研究目的，通过平台设计、动物实验、临床实验和数据分析等，搭建了高精度、便携式的EIT实验平台，提出了精度更高的FVC与阻抗变化的二次关系模型，开展了EIT对血、气胸动物模型、限制性和阻塞性通气功能障碍患者的监测实验，提出了参数表征方法，实现了对肺通气功能障碍的定性、定量和定位评价。本文的研究表明了EIT对局部肺通气功能障碍监测的可行性和评价方法的有效性，为EIT监测肺通气功能障碍提供了可行的研究思路和方法，对EIT更广泛的临床应用起到了积极的推进作用。