全主动脉弓置换术中脑供血变化电阻抗断层成像监测新方法探索研究

Total aortic-arch replacement (TAR) is a major surgery in cardiovascular surgery. TAR requires intraoperative Hypothermic Circulatory Arrest (HCA), which may cause severe complications such as cerebral ischemia or even brain injury, affecting the prognosis of patients. Preventing cerebral ischemic injury is a key issue for the perioperative team involved in the care of patients requiring total aortic arch replacement. Currently, there is an urgent need for a real-time imaging method which is sensitive to changes in brain blood supply. Electrical impedance tomography (EIT) is a non-invasive imaging method and it is sensitive to changes in tissue electrical properties, whereas the changes in cerebral blood supply directly affect the bioelectrical properties. We propose using brain EIT to image and monitor the changes in cerebral perfusion during TAR, and we evaluated brain EIT in vivo. Preliminary results showed that the changes in intracranial temperature create artifacts in EIT images and there lacks a quantitative model describes the relationship between EIT images and the rates of cerebral perfusion. Therefore, we mainly study the following key technologies: establish a temperature compensation algorithm for brain EIT and build a parametric model describing the patterns of brain EIT images after changes in blood supply to the brain. Features extracted from intraoperative brain EIT images are then compared with regional cerebral oxygen. The results of this study may pave the way for further exploiting the identification of an early warning sign of impending brain injury using brain EIT, which have both scientific and clinical significance.

全主动脉弓置换（简称“全弓置换”）是心血管外科大型手术，该手术需在低温下停止全身血液循环，患者有可能发生脑缺血甚至脑损伤等严重并发症，影响预后。临床缺少一种能够用于术中实时监测脑供血变化的影像技术。脑供血变化直接影响脑组织电阻抗，而电阻抗断层成像（EIT）作为一种新型的无创影像技术，敏感于组织电阻抗的变化。基于此，我们探索利用EIT对全弓置换术中脑供血的变化进行成像和监测，并在前期开展了临床预实验。预试验中主要存在颅内温度变化干扰脑EIT成像以及脑EIT图像与脑供血流量间缺乏定量描述两个难题，本项目针对性的研究脑EIT温度校正方法、建立参数模型描述脑EIT图像在脑灌注流量切换后的变化规律两项关键技术，随后提取能够反映脑供血变化的脑EIT图像特征，并将其与区域性脑组织氧合指标开展对照分析。研究成果可为进一步探索基于脑EIT的术中脑损伤预警方法奠定基础，科研价值和临床意义重大。

围术期脑保护是心血管外科大型手术的关键问题，目前尚无床旁影像学方法能够反映术中脑供血的发展变化。脑部电阻抗断层成像是一种无创、无辐射、低成本的医学影像技术，它通过体表电极向人体注入安全电流并同时测量电势分布，采用重建算法对组织电阻抗的变化进行成像。本项目探索利用脑EIT对全弓置换术中脑供血的变化进行成像监测，主要围绕解决温度对脑EIT的影响以及从脑EIT图像中提取与术后神经功能损伤相关的特征参数展开。本研究的重要成果包括：1）确立了全弓置换脑EIT监测方法，建立了国际首个全弓置换围术期脑EIT及多生理参数监测数据集。项目执行期间新增数据273例，获批医疗器械注册证2项，申请临床试验1项，推进了本项目科研成果的临床应用转化。2）建立了宽频脑部活性生物组织介电特性测量系统，改进了介电特性测量盒，采用水浴实现生物组织的快速、精准控温，完成了不同温度下血液、脑脊液、脑实质介电特性的测量和建模。3）研制了与脑EIT测量同步的多通道温度采集模块，开展了脑部多点测温临床试验，发现区域测温点温度变化的滞后性与脑灌注异常相关。随后基于脑部多点测温数据，利用手术降温段温度受控变化的特点，提出了脑EIT自适应温度补偿算法。4）分析了降温、低温停循环、复温阶段脑EIT图像的变化特征，建立了与术后神经功能损伤相关的特征体系，利用梯度提升树方法训练分类模型，对脑损伤早期预警的效果进行了评估。基于低温停循环期间脑EIT特征训练的决策树模型，对术后神经功能损伤的分类性能为AUC=0.714（ROC曲线下面积）。本研究首次揭示了术中脑EIT及脑多点温度联合监测对于脑保护的意义，证明了基于术中脑EIT图像特征能够对患者神经功能损伤进行早期预警。研究成果为临床医生及时调整脑灌注措施、有效施行脑保护提供参考，有助于改善患者预后、减轻患者家庭负担，有重要的临床价值和社会意义。