心臟起搏偽像的檢測與識別

提示:

. 通常，在普通ECG圖上看不到單純植入起搏器的活動，因?yàn)榉浅？斓拿}沖都被過濾掉了。不過，掌握了起搏療法的人員可以通過查看ECG曲線，確定起搏器的存在，并評估其與心臟的相互作用。

. 植入起搏器的起搏偽像信號可以從2 mV ~700 mV ， 持續(xù)時間為0.1 ms~2ms，上升時間在15μs~100μs之間。由于電氣噪聲可能數(shù)倍于起搏偽像信號的幅度，因此難以檢測。

. 大多數(shù)植入式心臟裝置采用了H場遙測法，它是一個重要的噪聲源。

. ADAS1000 ECG模擬前端中嵌入了一個算法，它可以幫助識別出起搏偽像，并顯示在條形ECG圖紙上。

如果一個植入了起搏器的心臟病人去做心電圖， 醫(yī)生必須能夠檢測到起搏器的存在及其作用( 見本文在線版的附文“ 心臟的電氣子系統(tǒng)發(fā)生故障時”,地址為： www.edn.com/4404758 ) 。通常， 在普通ECG 圖上看不到單純植入起搏器的活動， 因?yàn)橛械偷娘@示分辨帶寬( 監(jiān)視器/ 診斷帶寬分別為40 Hz / 150 Hz ) ， 濾掉了非?？斓拿}沖( 典型寬度為數(shù)百微秒) 。但可以通過ECG波形的形態(tài)變化，推測出起搏器的信號。心電圖是ECG導(dǎo)聯(lián)在皮膚表面所記錄的心臟自身電活動。

檢測與識別起搏偽像信號非常重要，因?yàn)樗鼈冎甘局鸩鞯拇嬖?，并能幫助評估它與心臟的相互作用。但這種人工信號幅度小、帶寬窄，波形在不斷變化，因此難于檢測，尤其是當(dāng)存在著可能數(shù)倍于其波幅的電噪聲情況下。同時，起搏療法已經(jīng)非常先進(jìn)，有了多種起搏方式，從單室起搏到三室起搏。起搏器會產(chǎn)生導(dǎo)聯(lián)完整性脈沖、每分鐘換氣(MV )脈沖、遙測信號，以及其它信號，這些都可能被誤認(rèn)為是起搏偽像，從而使檢測更為復(fù)雜化。

采用實(shí)時起搏器遙測方法，可以在一個現(xiàn)已不太重要的ECG紙帶里顯示起搏偽像。有起搏治療經(jīng)驗(yàn)的人觀看這個紙帶，有時就可以推測出病人所采用起搏治療的類型，并確定該起搏器是否正常工作。

另外， 所有相關(guān)的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)都要求顯示起搏偽像， 不過對捕獲起搏信號的高度與寬度有不同的特殊要求。適用的標(biāo)準(zhǔn)包括： 美國醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會(Associationfor the Advancement of MedicalInstrumentation ，AAMI ) 規(guī)范EC11:1991/(R) 2001/(R) 2007 和EC13:2002/(R)2007，以及國際電工委員會規(guī)范IEC60601-1ed .3.0b:2005、IEC 60601-2-25 ed.1.0b、IEC 60601-2-27 ed. 2.0:2005和IEC 60601-2-51 ed. 1.0:2005。

起搏器工作原理

植入式起搏器(圖1)通常既輕又小。它們包含了必要的電路，通過植入導(dǎo)聯(lián)來監(jiān)控心臟的電活動，按照需要刺激心肌，確保規(guī)則的心跳。起搏器必須是低功耗設(shè)備，通常采用壽命10年的小電池。2010年，美國工程師協(xié)會曾估計每年有超過40萬部起搏器被植入病人體內(nèi)(參考文獻(xiàn)1)。

采用單極起搏方式時，起搏導(dǎo)聯(lián)包括在單根起搏導(dǎo)聯(lián)尖端的電極，以及包裹起搏器自身的金屬外殼。在皮膚表面，這種方式產(chǎn)生的起搏偽像幅度為數(shù)百毫伏，寬度達(dá)2ms。但單極起搏已不常用。

今天，大部分起搏偽像主要來自于雙極起搏，它是以起搏導(dǎo)聯(lián)尖端的電極激勵心肌。返回電極是一個非?？拷舛穗姌O的環(huán)形電極。這種類型導(dǎo)聯(lián)所產(chǎn)生的起搏偽像要遠(yuǎn)小于單極起搏;皮膚表面的脈沖可以小至數(shù)百微伏，寬度25μs，平均信號值為高度1mV和寬度500μs。如果檢測方向未能與起搏導(dǎo)聯(lián)方向?qū)R，則起搏偽像的幅度還可能小得多。

很多起搏器的脈沖寬度最小可以設(shè)定到2 5μs，但短脈寬設(shè)置一般只用于在電生理實(shí)驗(yàn)室中測試起搏器的閾值。將下限定到100μs，可解決將MV和導(dǎo)聯(lián)完整性(LV導(dǎo)聯(lián))脈沖誤檢測為有效起搏信號的問題。這些亞閾值脈沖一般設(shè)定在10μs~50μs之間。

對于特定心臟內(nèi)室的起搏，有著不同類型的起搏器。單室起搏可做右心房或右心室的起搏。這類起搏器可以是單極的，也可以是雙極的。雙室起搏則可同時為右心房與右心室提供起搏治療。雙心室起搏可同時為右心室和左心室提供起搏治療;另外，起搏一般是對右心房。

雙室起搏模式可能難于正常顯示，主要有兩個原因。首先，雙室起搏可能同時發(fā)生，因此在皮膚上表現(xiàn)為單一脈沖。其次， 左心室導(dǎo)聯(lián)的位置通常與右心室導(dǎo)聯(lián)不在相同的向量上，事實(shí)上兩者會相互垂直。一般來說，右心房在aVF導(dǎo)聯(lián)(肢體導(dǎo)聯(lián)之一)上有最好的顯示，而右心室則在II導(dǎo)聯(lián)上有最佳顯示。大多數(shù)ECG系統(tǒng)都未采用三導(dǎo)聯(lián)同時檢測電路或算法，于是左心室成為最難拾取的導(dǎo)聯(lián)。因此，有時最好去檢測V導(dǎo)聯(lián)中的一根。

起搏偽像的波形

大多數(shù)起搏脈沖都有非?？焖俚纳仙亍Ｆ鸩鬏敵龆藴y得的上升時間通常在大約100ns。當(dāng)在皮膚表面測量時，上升時間會略微變緩，原因是起搏導(dǎo)聯(lián)有電感和電容。皮膚表面的多數(shù)起搏偽像都在10μs或更低的量級。由于復(fù)雜設(shè)備都有內(nèi)置保護(hù)，起搏器可能產(chǎn)生高速的尖刺， 它不會影響到心臟，但會影響起搏器檢測電路。

圖2是一個理想的起搏偽像實(shí)例。正脈沖有一個快速上升沿。當(dāng)脈沖達(dá)到最大幅度時，會跟隨一個容性的下垂，然后出現(xiàn)尾沿。接下來，起搏偽像會改變起搏脈沖充電部分的極性。需要充電脈沖的原因是讓心臟組織處于凈零電荷狀態(tài);單相脈沖可使離子在電極周圍聚集起來，建立一個dc電荷，從而導(dǎo)致心臟組織的變形。

心臟再同步裝置的引入，為起搏偽像的檢測與顯示增加了更多的復(fù)雜性。這些裝置的起搏是作用于右心房和兩個心室。兩個心室的脈沖可能非常靠近、重疊， 或幾乎同時出現(xiàn);左心室甚至可能在右心室以前起搏?，F(xiàn)在，大多數(shù)裝置都是同時起搏兩個心室，但研究表明，調(diào)節(jié)時序會產(chǎn)生更高的心臟輸出，有益于某些病人。

不是總能分別地檢測和顯示出兩個脈沖，很多情況下，ECG電極上只表現(xiàn)為一個單脈沖。如果兩個脈沖同時發(fā)生，而導(dǎo)聯(lián)方向正好相反，則兩個脈沖可能在皮膚表面相互抵消。雖然出現(xiàn)概率較低，但可以想象到皮膚表面出現(xiàn)兩個極性相反心室起搏信號的情況。如果兩個脈沖以一個小時間差而偏移開來，則最后的脈沖形狀可能會非常復(fù)雜。

圖3顯示的是在一個生理鹽水箱內(nèi)心臟再同步裝置的示波器圖形。這是一個心臟起搏器認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境，用于模擬人體的導(dǎo)電性。但是由于示波器探頭靠近起搏導(dǎo)聯(lián)，使幅度遠(yuǎn)高于皮膚表面的情況，而生理鹽水溶液對ECG電極表現(xiàn)為低阻抗，因此噪聲要遠(yuǎn)小于通常在皮膚表面測量的情況。

圖中顯示的第一、第二和第三個脈沖( I 到r )分別是心房、右心室和左心室脈沖。導(dǎo)聯(lián)被置于生理鹽水箱內(nèi)，其方向經(jīng)過優(yōu)化，能清晰地看到脈沖。負(fù)向脈沖是起搏，正向脈沖是充電。心房脈沖的幅度略高于另兩個脈沖幅度，因?yàn)樾姆繉?dǎo)聯(lián)的指向稍好于心室導(dǎo)聯(lián);事實(shí)上，在再同步裝置中， 所有三個起搏輸出均被設(shè)定為相同的幅度與寬度。對實(shí)際的病人來說，每個起搏器導(dǎo)聯(lián)的幅度與寬度通常是不同的。

起搏偽像的檢測

要高性價比地檢測所有的起搏偽像，并抑制所有可能的噪聲源，這種方法是不可能的。面臨的挑戰(zhàn)很多，如起搏檢測必須監(jiān)護(hù)的心室數(shù)量，遇到的干擾信號，以及所用起搏器的各類脈沖寬度。起搏偽像的檢測可以有從硬件實(shí)現(xiàn)到數(shù)字算法的多種方案。

心臟再同步裝置的起搏導(dǎo)聯(lián)不會全是一個方向。右心房導(dǎo)聯(lián)通常與II導(dǎo)聯(lián)(lead II)對齊，但有時可能直接指向胸外，因此可能需要一個Vx(胸前導(dǎo)聯(lián))方向才能看到它。右心室導(dǎo)聯(lián)通常置于右心室的頂端，因此一般與I I導(dǎo)聯(lián)很好地對齊。左心室起搏導(dǎo)聯(lián)穿過冠狀竇，實(shí)際上位于左心室的外面。這根導(dǎo)聯(lián)一般會與II導(dǎo)聯(lián)對齊，但可能有一個V軸方向。[!--empirenews.page--]

有時候，植入式除顫器與再同步裝置的起搏導(dǎo)聯(lián)會放在沒有梗塞的心區(qū)。圍繞梗塞區(qū)放置導(dǎo)聯(lián)是系統(tǒng)采用三向量的主要原因，并需要一種高性能的起搏偽像檢測功能。

大多數(shù)植入式心臟裝置都采用H場遙測法， 這是一個重要的噪聲來源。其它噪聲源有：對胸廓呼吸阻抗的測量、電灼器，以及從病人身體所連接其它醫(yī)療設(shè)備傳導(dǎo)過來的噪聲。

由于各家起搏器制造商采用不同的遙測法， 從而使采集起搏偽像的問題更加復(fù)雜化。有些情況下，某家制造商還可能為不同型號的植入設(shè)備采用不同的遙測系統(tǒng)。很多植入設(shè)備可以同時使用H 場遙測，以及通過ISM 或醫(yī)療植入通信服務(wù)( MICS ) 頻段做通信。不同型號裝置采用的不同H 場遙測， 使得濾波器設(shè)計更復(fù)雜化。ECG 設(shè)備必須是Class CF ( 最嚴(yán)格的類別) ，因?yàn)樗c心臟有直接的導(dǎo)電接觸，而其它醫(yī)療設(shè)備則可能只需滿足較低的Class B或BF要求，但它們較高的漏電流卻可能影響到ECG采集設(shè)備的性能。

檢測起搏偽像的AFE

ADAS1000 (圖4)是一臺五通道模擬前端，設(shè)計目標(biāo)是要滿足低功耗、低噪聲、高性能的固定式或便攜式ECG系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)。該AFE針對監(jiān)護(hù)級與診斷級ECG測量而設(shè)計，包括五個電極輸入端，以及一個專門的右腿驅(qū)動(RLD)輸出基準(zhǔn)電極。除了支持基本ECG信號監(jiān)護(hù)單元以外，AFE還能夠做呼吸測量(胸廓阻抗)、導(dǎo)聯(lián)/電極連接狀態(tài)、內(nèi)部校準(zhǔn)，以及起搏偽像的檢測等。

一臺ADAS1000支持五個電極輸入，采用傳統(tǒng)的六導(dǎo)聯(lián)ECG測量法。如級聯(lián)一臺ADAS1000-2設(shè)備，則可以放大成為一個真12導(dǎo)聯(lián)測量系統(tǒng);如果級聯(lián)三臺以上設(shè)備，則可以成為15導(dǎo)聯(lián)甚至更多的測量系統(tǒng)。

檢測算法

設(shè)備的前端包含了一個數(shù)字起搏偽像檢測算法，它遵照AAMI和IEC標(biāo)準(zhǔn)，檢測寬度從100μs~2ms，幅度從400μV~1000mV區(qū)間內(nèi)的起搏偽像。圖5是算法的流程圖。

圖5: 流程圖顯示了數(shù)字起搏器對起搏偽像算法的決策過程，它能檢測從100μs ~ 2 ms寬度，400μV~1000mV幅度的起搏偽像。

起搏檢測算法會針對四個可能導(dǎo)聯(lián)(I、II、III或aVF)中的三個，運(yùn)行三個數(shù)字算法的實(shí)例。它運(yùn)行在高頻ECG數(shù)據(jù)上，同時做內(nèi)部抽取與過濾，并返回一個標(biāo)志，表示在一根或多根導(dǎo)聯(lián)上檢測到了起搏信號，提供所檢測信號的高度與寬度。對于希望運(yùn)行自有數(shù)字起搏算法的用戶，ADAS1000還提供了一個高速起搏接口，能給出128kHz速率的ECG數(shù)據(jù);在標(biāo)準(zhǔn)接口上，經(jīng)過濾和抽取的ECG數(shù)據(jù)保持不變。

ADAS1000算法中建有一個每分鐘換氣量過濾器。從雙極線環(huán)傳導(dǎo)到起搏器外殼的MV脈沖通過檢測呼吸速率來控制起搏速度。它們的寬度永遠(yuǎn)小于100μs，可在約15μs~100μs之間變化。

三向量同步起搏系統(tǒng)可以在噪聲環(huán)境中檢測到起搏偽像。三個起搏算法實(shí)例中，可以對每一個做編程設(shè)定，以檢測不同導(dǎo)聯(lián)(I、II、III或aVF)上的起搏信號。預(yù)編制的閾值水平可用于修改算法中給出的被檢測脈沖的寬度與高度，內(nèi)部數(shù)字濾波器用于抑制心跳、噪聲與MV脈沖。當(dāng)某次起搏在起搏信號實(shí)例中通過了驗(yàn)證時，設(shè)備會輸出一個標(biāo)志，這樣用戶就可以標(biāo)記或識別ECG圖上的起搏信號。

對起搏偽像算法的采樣速率選擇是關(guān)鍵， 因?yàn)樗荒芮『玫扔谌移鸩到y(tǒng)公司( BostonScientific、Medtronic和St Jude)的H場遙測載波頻率。這三家供應(yīng)商使用了不同的頻率，各家還有很多不同的遙測系統(tǒng)。Analog Devices公司相信，ADAS1000的采樣頻率不與任何主流的遙測系統(tǒng)相重合。