基于辨別心臟起搏器產(chǎn)生偽像的解決方案

當人的心臟機電系統(tǒng)存在缺陷，則可能導(dǎo)致諸多心臟問題。例如，當心臟搏動過慢或者不搏動時，就是心動過緩。對于這種狀況，典型的手術(shù)治療方法是在患者胸部皮下植入一個起搏器(脈沖發(fā)生器)，并將心內(nèi)膜導(dǎo)聯(lián)線通過靜脈直接引導(dǎo)至心臟，如圖1所示。

圖1植入式起搏器的位置以及不同種類起搏器的導(dǎo)聯(lián)線

在稱為心動過速的另一類心律失常癥狀中，心臟搏動過快。這是一種十分嚴重的疾病，可通過植入式心臟除顫器(ICD)進行治療?，F(xiàn)代ICD也可治療多種緩慢性心律失常。

起搏偽像的產(chǎn)生

在正常的ECG圖中，一般很難發(fā)現(xiàn)簡單的植入式起搏器的活動，因為超快脈沖(寬度僅有數(shù)微秒)會被過濾掉，但在任何情況下，在毫秒級分辨率的心電圖中，這些脈沖都太窄，而不會出現(xiàn)。然而，其信號可以通過起搏偽像推斷出來，偽像是與通過ECG導(dǎo)聯(lián)線在皮膚表面測得的心臟自身電活動相伴的電壓脈沖。檢測和識別起搏偽像的能力很重要，因為偽像顯示了起搏器的存在，而且有助于評估其與心臟的交互作用。

由于偽像幅度小、寬度窄、波形多變，結(jié)果使起搏偽像難以檢測，尤其是存在可能數(shù)倍于偽像幅度的電噪聲時。另外，起搏療法已經(jīng)十分發(fā)達，如今有數(shù)十種起搏模式，從單腔起搏到三腔起搏等，不一而足。使得起搏偽像檢測更加復(fù)雜的是，起搏器會產(chǎn)生導(dǎo)聯(lián)線完整性脈沖、分鐘通氣量(MV)脈沖、遙測信號以及可能被誤認為起搏偽像的其他信號。

起搏偽像波形

多數(shù)起搏脈沖都有著超快的上升沿。起搏器輸出端測得的上升時間一般為100 ns左右。當在皮膚表面測量時，受起搏導(dǎo)聯(lián)線電感和電容的影響，上升時間會略低。皮膚表面的起搏偽像大多為10 μs或以下。作為內(nèi)置保護機制的復(fù)雜器件，起搏器可能會產(chǎn)生高速毛刺，雖然不會影響心臟，但會影響起搏器檢測電路。

圖2所示為理想起搏偽像的示例。正脈沖的上升邊沿很快。在脈沖達到最大幅度之后，會發(fā)生容性下降，然后出現(xiàn)后沿。之后，在起搏脈沖的再充電部分，偽像會改變極性。之所以需要該再充電脈沖，是為了使心臟組織保持凈零電荷。對于單相脈沖，離子會在電極周圍聚集，結(jié)果產(chǎn)生的直流電荷可能導(dǎo)致心臟組織損壞

圖2理想起搏偽像

檢測起搏偽像

起搏檢測系統(tǒng)必須監(jiān)控多個腔室，檢測過程中會遇到干擾信號，而且不同制造商生產(chǎn)的起搏器種類繁多。偽像的檢測方案從硬件解決方案到數(shù)字算法，十分廣泛。接下來，我們將對此進行詳細討論。心臟再同步器件所用的起搏導(dǎo)聯(lián)線不可能都具有相同的矢量。右心房導(dǎo)聯(lián)線通常與導(dǎo)線線II對齊，但有時也可能直接指向胸部以外，因而可能需要Vx矢量才能看見。右心室導(dǎo)聯(lián)線通常置于右心室頂部，因而經(jīng)常與導(dǎo)聯(lián)線II對齊。從冠狀竇穿過的左心室起搏導(dǎo)聯(lián)線實際上位于左心室的外部。通常情況下，該導(dǎo)聯(lián)線與導(dǎo)聯(lián)線II對齊，但其方向卻可能是V軸向。植入式除顫器和再同步器件的起搏導(dǎo)聯(lián)線有時置于心臟中未發(fā)生梗塞的區(qū)域。把它們置于梗塞區(qū)域周圍，這是該系統(tǒng)采用三個矢量并要求高性能起搏偽像檢測功能的原因所在。

一個主要噪聲源是多數(shù)植入式心臟器件所使用的H場遙測方案。其他噪聲源包括呼吸胸阻抗測量、電灼器和與患者相連的其他醫(yī)療設(shè)備帶來的傳導(dǎo)噪聲。此外，每家起搏器制造商都采用不同的遙測方案，使起搏偽像檢測變得更加復(fù)雜。在有些情況下，一家制造商可能針對不同的植入式器件型號采用多種不同的遙測系統(tǒng)。實際上，許多植入式器件可能同時采用H場遙測以及MICS頻段或ISM頻段遙測進行通信。不同型號采用不同的H場遙測方案，這種情況使得濾波器的設(shè)計變得十分困難。心電圖器件必須為CF級，但其他醫(yī)療器件則可能是B級或BF級，而且其較高的泄漏電流可能干擾心電圖采集設(shè)備的性能。

ADAS1000心電圖模擬前端包含起搏偽像檢測算法

ADAS1000(圖3)是一款5通道心電圖(ECG)模擬前端(AFE)，旨在幫助解決新一代低功耗、低噪聲、高性能系留式和便攜式ECG系統(tǒng)設(shè)計人員面對的部分挑戰(zhàn)。ADAS1000專門針對監(jiān)控級和診斷級心電圖測量而設(shè)計，由5個電極輸入和1個專用右腿驅(qū)動(RLD)輸出參考電極構(gòu)成。

圖3 ADAS1000功能框圖

ADAS1000不但支持基本的心電圖信號監(jiān)控元件，還配有多種功能，比如前面討論過的呼吸測量(胸阻抗測量)、導(dǎo)聯(lián)線/電極連接狀態(tài)、內(nèi)部校準、起搏偽像檢測功能等。

一個ADAS1000支持5個電極輸入，為進行傳統(tǒng)的6導(dǎo)聯(lián)心電圖測量提供了方便。通過另外級聯(lián)一個ADAS1000-2(輔助)器件，

系統(tǒng)可以進行真正的12導(dǎo)聯(lián)測量;通過級聯(lián)多個器件(3個及以上)，系統(tǒng)可測量15條及以上的導(dǎo)聯(lián)線。有關(guān)ADAS1000不同變體的詳情，請參閱表1。

表1 ADAS1000現(xiàn)有型號概覽

ADAS1000的呼吸特性能夠測量患者的胸阻抗變化，從而顯示出呼吸的程度或有無缺失。呼吸功能的核心是在可編程頻率(46kHz至64 kHz)下集成DAC(數(shù)模數(shù)據(jù)器)呼吸驅(qū)動，以及有利于簡化這種復(fù)雜測量的專用模數(shù)測量電路。信號經(jīng)過解調(diào)，作為幅度和相位信息提供，由此可以確定相應(yīng)的呼吸信息，從而得到具體的線纜參數(shù)。利用內(nèi)部電容，電路能夠檢測最小為200mΩ的分辨率——使用外部電容時，甚至可以檢測更精確的分辨率——而且開關(guān)方案十分靈活，可對三根導(dǎo)聯(lián)線(I、II、III)之一進行測量。

起搏檢測算法

器件的前端包含一種數(shù)字起搏器偽像檢測算法，可以檢測到寬度范圍為100 μs至2 ms、幅度范圍為400 μV至1000 mV的起搏偽像——符合上述AAMI和IEC標準。根據(jù)測試結(jié)果和醫(yī)師意見，這些限制要比醫(yī)用標準寬松許多。

起搏檢測算法在四根可能的導(dǎo)聯(lián)線(I、II、III或aVF)中的三根上運行三個數(shù)字算法實例。在高頻心電圖數(shù)據(jù)上運行，與內(nèi)部

抽取和濾波并行運行。該算法設(shè)計用于檢測并測量寬度范圍為100 μs至2 ms、幅度范圍為400 μV至1000 mV的起搏偽像，返回一個標志，用以表示是在一根還是多根導(dǎo)聯(lián)線上檢測到起搏信號，同時返回檢測到的信號的高度和寬度。對于希望運行自己的數(shù)字起搏算法的用戶，ADAS1000提供了一個高速起搏接口，可以快速的數(shù)據(jù)速率(128 kHz)提供心電圖數(shù)據(jù)，與此同時，標準接口上經(jīng)過濾波和抽取的心電數(shù)據(jù)保持不變。

ADAS1000 ECG IC在其算法中內(nèi)置一個分鐘通氣量濾波器。分鐘通氣量脈沖(從雙極性導(dǎo)聯(lián)線的圓環(huán)傳導(dǎo)至起搏器外殼)將檢測呼吸速率，從而控制起搏速率。其寬度總是小于100 μs，變化范圍約為15 μs至100 μs。

許多植入式器件能夠編程以支持最窄25 μs的起搏脈沖，但醫(yī)師幾乎不會將植入式器件編程為如此窄，因為在超過起搏閾值以后，能量安全裕量將變得不足。

這種起搏偽像系統(tǒng)是由一個工程師和起搏專家團隊與起搏行業(yè)共同研發(fā)的。這種合作帶來了一種同步三矢量起搏偽像檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以檢測起搏偽像，盡管電氣噪聲顯著大于偽像。三個起搏算法實例中的每個實例都可以編程以檢測不同導(dǎo)聯(lián)線(I、II、II或aVF)上的起搏信號。該系統(tǒng)的閾值水平可編程，因而可以針對實際的脈沖寬度和高度檢測范圍進行定制，同時還配置內(nèi)部數(shù)字濾波器，以便抑制心跳、噪聲和分鐘通氣量脈沖。當證實起搏信號的單個實例中存在起搏信號時，器件會輸出一個標志，因而，用戶可以在心電圖上標記或識別出起搏信號。起搏器算法的簡化流程圖如圖4所示。

圖4 起搏算法的流程圖

起搏偽像算法的采樣速率選擇非常重要，因為不能與Medtronic、St. Jude和Boston Scientific針對H場遙測載波器采用的頻率完全相同。三家公司都采用不同的頻率，而且每家公司都有多種不同的遙測系統(tǒng)。ADI公司相信，ADAS1000所用采樣頻率與這三家起搏器廠家的主要遙測系統(tǒng)都不相同。

如前所述，ADAS1000同時包括呼吸測量和交流導(dǎo)聯(lián)脫落模式。這些特性不但可以把不同頻率的交流信號注入患者電極，而且不會干擾起搏偽像的采集。電灼器信號雖然可以在ADAS1000心電圖輸入之前進行濾波處理，但起搏偽像檢測算法的性能卻可能因濾波而下降，因此，在這種設(shè)計中，務(wù)必十分小心。