檢測和區(qū)分心臟起搏偽像

作者：John Kruse and Catherine Redmond

當(dāng)植入起搏器的心臟病患者接受心電圖（ECG）測試時(shí)，心臟病專家必須能夠檢測起搏器的存在和效果。起搏信號的電信號（或偽像）由小而窄的脈沖組成。這些偽影隱藏在噪音和較大的心臟信號中，很難被發(fā)現(xiàn)。本文介紹起搏偽像的性質(zhì)，并介紹檢測它們的設(shè)備和方法。

心臟是一個(gè)生化機(jī)電系統(tǒng)，產(chǎn)生從右上心房竇房 （SA） 結(jié)傳播到房室 （AV） 結(jié)的電脈沖。SA節(jié)點(diǎn)充當(dāng)系統(tǒng)的起搏器。

該電脈沖產(chǎn)生P波，這可以在圖2中的ECG捕獲中看到。從房室結(jié)，電信號通過希斯-浦肯野系統(tǒng)傳播到心室，導(dǎo)致心室肌肉收縮。它們的收縮（R波）將含氧血液從左心室移入并穿過身體，并將脫氧血液從右心室輸送到肺部。

圖2.心肌收縮期間電動作的圖形心電圖表示。

當(dāng)電氣系統(tǒng)不能完美工作時(shí)，可能會出現(xiàn)許多不同的心臟病。例如，心動過緩發(fā)生在心臟跳動過慢或錯(cuò)過心跳時(shí)。這種情況的典型手術(shù)干預(yù)是在患者胸部皮膚下植入起搏器裝置（脈沖發(fā)生器），心內(nèi)膜導(dǎo)聯(lián)線通過靜脈直接到達(dá)心臟。

在另一類心律失常中，稱為心動過速，心臟跳動太快。這種非常嚴(yán)重的疾病用植入式心臟除顫器 （ICD） 治療?，F(xiàn)代ICD也可以治療許多心動過緩性心律失常。

當(dāng)心臟變大時(shí)，可能會發(fā)生心力衰竭，延長其傳導(dǎo)路徑并擾亂心室收縮的時(shí)間。這形成了一個(gè)正反饋系統(tǒng)，進(jìn)一步加重了心臟。植入式心臟再同步 （ICR） 裝置通過起搏兩個(gè)心室（通常是一個(gè)心房）來重新定時(shí)心室。這些設(shè)備實(shí)際上改善了心輸出量，使心臟在一定程度上恢復(fù)。心臟再同步治療（CRT）設(shè)備包括ICD作為系統(tǒng)的一部分。

CRT設(shè)備如圖4（a）的透視圖像所示。這是醫(yī)生用來放置引線的圖像。這樣的形象對于外行人來說很難解釋。你可以看到心臟的淺色輪廓——跳動的心臟的靜態(tài)視圖。它位于右心房，心臟的頂點(diǎn)指向右側(cè)和向下。在這個(gè)典型的引線放置中，黑色箭頭指向右心房引線。黑色虛線箭頭指向右心室導(dǎo)聯(lián)線。部分可見的導(dǎo)聯(lián)線（由紅色箭頭表示）是左心室導(dǎo)聯(lián)線（紅色箭頭指向電極尖端）。圖4（b）顯示了雙腔起搏器典型導(dǎo)聯(lián)放置的透視圖像。右心房導(dǎo)聯(lián)線朝上，放置在右心房。右心室導(dǎo)聯(lián)線位于右心室的頂點(diǎn)。

圖4.透視圖像顯示起搏器導(dǎo)線放置。3（a）. 單腔起搏器。（b）. 雙腔起搏器。

植入式起搏器通常重量輕且結(jié)構(gòu)緊湊。它們包含通過植入導(dǎo)線監(jiān)測心臟電活動所需的電路，并在需要時(shí)刺激心肌以確保有規(guī)律的心跳。起搏器必須是低功耗設(shè)備，因?yàn)樗鼈兪褂猛ǔ＞哂?10 年使用壽命的小型電池運(yùn)行。截至2010年，美國國家工程院指出，每年有超過40萬個(gè)起搏器植入患者體內(nèi)。

起搏偽像

簡單的植入式起搏器的活動在正常的ECG跡線上通常無法察覺，因?yàn)榉浅？斓拿}沖（寬度為微秒）被過濾掉，但無論如何，它們太窄而無法出現(xiàn)在分辨率為毫秒的跡線上。然而，它的信號可以通過起搏偽像來推斷，起搏偽像是伴隨在ECG導(dǎo)聯(lián)上測量的皮膚表面心臟自身電活動的測量的電壓脈沖。能夠檢測和識別起搏偽像非常重要，因?yàn)樗鼈儽砻髌鸩鞯拇嬖?，并有助于評估其與心臟的相互作用。

它們的振幅小、寬度窄和波形變化使得起搏偽像非常難以檢測，尤其是在存在可能為其振幅數(shù)倍的電噪聲的情況下。此外，起搏療法已經(jīng)變得非常先進(jìn)，有數(shù)十種起搏模式可供選擇——從單腔起搏到三腔起搏。為了使起搏偽像的檢測進(jìn)一步復(fù)雜化，起搏器會產(chǎn)生導(dǎo)聯(lián)完整性脈沖、分鐘通氣 （MV） 脈沖、遙測信號和其他可能被錯(cuò)誤識別為起搏偽像的信號。

實(shí)時(shí)起搏器遙測的使用使得在心電圖條上顯示起搏偽像不如以前重要，但熟練掌握起搏療法的個(gè)人可以查看條帶以推斷正在給予患者的起搏治療類型，并確定起搏器是否正常工作。此外，所有相關(guān)的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)（包括以下內(nèi)容）都要求顯示起搏偽像。它們在需要捕獲的起搏器信號的高度和寬度的具體要求方面確實(shí)有所不同。

AAMI EC11：1991/（R）2001/（R）2007

EC13：2002/（R）2007， IEC60601-1 版 3.0b， 2005

IEC60601-2-25 版 1.0b

IEC60601-2-27 版 2.0， 2005

IEC60601-2-51 版 1.0， 2005

例如，IEC60601-2-27 指出：

設(shè)備應(yīng)能夠在振幅為 ±2 mV 至 ±700 mV 且持續(xù)時(shí)間為 0.5 ms 至 2.0 ms 的起搏器脈沖存在的情況下顯示 ECG 信號。起搏器脈沖的指示應(yīng)在顯示屏上可見，幅度不小于0.2 mV，參考輸入（RTI）;

鑒于 AAMI EC11 指出：

該設(shè)備應(yīng)能夠在存在振幅在 2 mV 和 250 mV 之間、持續(xù)時(shí)間在 0.1 ms 和 2.0 ms 之間、上升時(shí)間小于 100 μs 和頻率為 100 脈沖/分鐘的情況下顯示 ECG 信號。對于持續(xù)時(shí)間在 0.5 ms 和 2.0 ms 之間的起搏器脈沖（以及上述幅度、上升時(shí)間和頻率參數(shù)），記錄中應(yīng)可見起搏器脈沖的指示;該指示應(yīng)在振幅至少為 0.2 mV RTI 的顯示屏上可見。

這些可能是微妙的差異，但就要捕獲的高度和寬度而言，它們?nèi)匀皇遣町悺?/p>

心臟起搏器如何調(diào)整步伐

所有起搏導(dǎo)線都有兩個(gè)電極，電極的位置決定了信號的極性。

在單極起搏中，起搏導(dǎo)聯(lián)線由單個(gè)起搏導(dǎo)聯(lián)線尖端的電極和起搏器外殼（CAN）本身的金屬壁組成，因此只需將一根導(dǎo)聯(lián)線插入心臟。這種起搏模式引起的起搏偽像在皮膚表面可能是幾百毫伏，寬度為幾毫秒。單極起搏不再常用。

在雙極起搏中，心臟從起搏導(dǎo)聯(lián)線尖端的電極起搏。返回電極是位于非?？拷舛穗姌O的環(huán)形電極。現(xiàn)在，大多數(shù)起搏偽像都是由雙極起搏產(chǎn)生的。這種類型的導(dǎo)線產(chǎn)生的偽影比單極起搏產(chǎn)生的偽影小得多;皮膚表面的脈沖可以小到幾百微伏高，25微秒寬，平均偽影高1 mV，寬500 μs。當(dāng)檢測矢量不直接與起搏導(dǎo)聯(lián)矢量對齊時(shí)，偽影的幅度可能會小得多。

許多起搏器可以編程為短至25 μs的脈沖寬度，但這些設(shè)置通常僅用于在電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的起搏器閾值測試。將下限設(shè)置為 100 μs 可消除將分鐘通氣 （MV） 和導(dǎo)聯(lián)線完整性 （LV 導(dǎo)聯(lián)線）脈沖錯(cuò)誤檢測為有效起搏偽像的問題。這些亞閾值脈沖通常編程為10 μs至50 μs之間。

各種類型的起搏器為不同的腔室起搏：

單腔起搏僅向心臟的一個(gè)腔室提供起搏治療;它可以是單極或雙極。單腔起搏適用于右心房或右心室。

雙腔起搏為右心房和右心室提供起搏治療。

雙心室起搏為右心室和左心室提供起搏治療。此外，心臟通常在右心房起搏。由于兩個(gè)主要原因，這種起搏模式可能很難正確顯示：首先，兩個(gè)心室起搏可能同時(shí)發(fā)生，在皮膚表面顯示為單個(gè)脈沖。其次，左心室導(dǎo)聯(lián)線的位置通常與右心室導(dǎo)聯(lián)線不在同一載體上，實(shí)際上可能與其正交。通常，右心房最好顯示在導(dǎo)聯(lián) aVF 中，而右心室最好顯示在導(dǎo)聯(lián) II 中。大多數(shù)心電圖系統(tǒng)不采用三個(gè)同步導(dǎo)聯(lián)檢測電路或算法，這使得左心室成為最難拾取的導(dǎo)聯(lián)。因此，有時(shí)最好在其中一個(gè)V引線中檢測到它。

起搏偽像波形

大多數(shù)起搏脈沖具有非?？斓纳仙亍Ｔ谄鸩鬏敵龆藴y得的上升時(shí)間通常約為100 ns。在皮膚表面測量時(shí)，由于起搏引線的電感和電容，上升時(shí)間會略慢。皮膚表面的大多數(shù)起搏偽像大約為 10 μs 或更短。具有內(nèi)置保護(hù)功能的復(fù)雜設(shè)備，起搏器可以產(chǎn)生不影響心臟但會影響起搏器檢測電路的高速毛刺。

圖6顯示了一個(gè)理想起搏偽像的示例。正脈沖具有快速上升沿。脈沖達(dá)到其最大幅度后，容性下降隨之而來，然后出現(xiàn)后沿。然后，偽影改變起搏脈沖充電部分的極性。需要這種充電脈沖，以便心臟組織保持凈零電荷。使用單相脈沖時(shí)，離子會在電極周圍積聚，產(chǎn)生直流電荷，可能導(dǎo)致心臟組織壞死。

圖6.理想的起搏偽影。

引入心臟再同步裝置在檢測和顯示起搏偽像方面增加了另一種程度的復(fù)雜性。這些裝置使患者在右心房和雙心室起搏。兩個(gè)心室中的脈搏可以靠得很近、重疊或同時(shí)發(fā)生;左心室甚至可以在右心室之前起搏。目前，大多數(shù)設(shè)備同時(shí)對兩個(gè)心室起搏，但研究表明，調(diào)整時(shí)間將通過產(chǎn)生更高的心輸出量使大多數(shù)患者受益。單獨(dú)檢測和顯示兩個(gè)脈沖并不總是可能的，很多時(shí)候它們會在ECG電極上顯示為單個(gè)脈沖。如果兩個(gè)脈沖同時(shí)發(fā)生，引線方向相反，脈沖實(shí)際上可以在皮膚表面上相互抵消。發(fā)生這種情況的可能性非常小，但可以想象在皮膚表面上出現(xiàn)兩個(gè)極性相反的心室起搏偽影。如果兩個(gè)脈沖偏移一個(gè)小時(shí)間間隔，則得到的脈沖形狀可能非常復(fù)雜。

圖7顯示了心臟再同步裝置在鹽水罐中起搏的示波器軌跡。這是起搏器驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境;它被認(rèn)為與人體的電導(dǎo)率相似。示波器探頭靠近起搏導(dǎo)線，導(dǎo)致振幅遠(yuǎn)大于皮膚表面的預(yù)期振幅。此外，鹽溶液對ECG電極的低阻抗導(dǎo)致噪聲比皮膚表面測量中通?？吹降囊〉枚唷?/p>

圖7.從鹽水箱中的再同步裝置捕獲起搏信號。

第一個(gè)脈沖是心房，第二個(gè)脈沖是右心室，第三個(gè)脈沖是左心室。將導(dǎo)聯(lián)線放置在鹽水槽中，優(yōu)化矢量以清楚地看到脈沖。負(fù)向脈沖是速度，正向脈沖是充電。心房脈沖的幅度略大于其他兩個(gè)脈沖幅度，因?yàn)閷?dǎo)聯(lián)線的矢量略好于心室導(dǎo)聯(lián)線，但實(shí)際上，再同步裝置中的所有三個(gè)起搏輸出都被編程為具有相同的幅度和寬度。對于真實(shí)的患者，每個(gè)起搏器導(dǎo)聯(lián)的振幅和寬度通常不同。

檢測起搏偽像

有了對感興趣信號的形態(tài)和起源的理解，我們可以專注于檢測起搏偽影的主題。就其性質(zhì)而言，不可能以經(jīng)濟(jì)高效的方式檢測所有起搏偽像并抑制所有可能的噪聲源。挑戰(zhàn)包括起搏檢測必須監(jiān)測的腔室數(shù)量、遇到的干擾信號以及來自不同制造商的起搏器種類。檢測偽影的解決方案范圍從硬件解決方案到數(shù)字算法。這些現(xiàn)在都將更詳細(xì)地討論。

心臟再同步裝置的起搏導(dǎo)聯(lián)線不會都具有相同的矢量。右心房導(dǎo)聯(lián)線通常與導(dǎo)聯(lián)線 II 對齊，但有時(shí)可能直接指向胸部，因此可能需要 Vx 矢量才能看到它。右心室導(dǎo)聯(lián)線通常位于右心室的頂點(diǎn)，因此通常與導(dǎo)聯(lián)線 II 對齊良好。穿過冠狀竇的左心室起搏導(dǎo)聯(lián)線實(shí)際上位于左心室的外側(cè)。該導(dǎo)聯(lián)線通常與導(dǎo)聯(lián)線II對齊，但可能具有V軸方向。植入式除顫器和再同步裝置的起搏導(dǎo)聯(lián)線有時(shí)放置在沒有梗死的心臟區(qū)域。將它們放置在梗死周圍是該系統(tǒng)使用三個(gè)載體并需要高性能起搏偽影檢測功能的主要原因。

其中一個(gè)主要的噪聲源是大多數(shù)植入式心臟設(shè)備使用的H場遙測方案。其他噪聲源包括呼吸的經(jīng)胸阻抗測量、電灼以及與患者相連的其他醫(yī)療設(shè)備的傳導(dǎo)噪聲。

為了使獲取起搏偽像的問題進(jìn)一步復(fù)雜化，每個(gè)起搏器制造商都使用不同的遙測方案。在某些情況下，單個(gè)制造商可能會為不同的植入式設(shè)備型號使用許多不同的遙測系統(tǒng)。許多植入式設(shè)備實(shí)際上可以使用H場遙測和MICS或ISM頻段遙測進(jìn)行通信。從一個(gè)模型到下一個(gè)模型的 H 場遙測的可變性使得濾波器設(shè)計(jì)非常困難。ECG設(shè)備必須是CF類，但其他醫(yī)療設(shè)備可能是B類或BF類，其較高的漏電流可能會干擾ECG采集設(shè)備的性能。

ADAS1000 ECG 模擬前端內(nèi)置起搏偽像檢測算法

ADAS1000（圖8）是一款5通道心電圖（ECG）模擬前端（AFE），旨在幫助解決下一代低功耗、低噪聲、高性能、系留和便攜式ECG系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一些挑戰(zhàn)。ADAS1000專為監(jiān)護(hù)和診斷質(zhì)量的ECG測量而設(shè)計(jì)，包括5個(gè)電極輸入和一個(gè)專用的右腿驅(qū)動（RLD）輸出參考電極。

圖8.ADAS1000原理框圖

除了支持基本的ECG信號監(jiān)測元件外，ADAS1000還配備了呼吸測量（胸阻抗測量）、導(dǎo)聯(lián)/電極連接狀態(tài)、內(nèi)部校準(zhǔn)和起搏偽影檢測等功能，如上所述。

一個(gè)ADAS1000支持5個(gè)電極輸入，便于傳統(tǒng)的6導(dǎo)聯(lián)ECG測量。通過級聯(lián)第二個(gè)ADAS1000-2（配套）器件，系統(tǒng)可以擴(kuò)展到真正的12導(dǎo)聯(lián)測量;通過級聯(lián)多個(gè)設(shè)備（三個(gè)及以上），系統(tǒng)可以擴(kuò)展到具有 15 導(dǎo)聯(lián)及以上的測量。有關(guān)ADAS1000不同變體的詳細(xì)信息，請參見表1。

表 1.ADAS1000可用型號概述

ADAS1000的呼吸功能能夠測量患者的胸阻抗變化，指示呼吸的程度或不存在。呼吸功能的核心是可編程頻率（46 kHz至64 kHz）的集成DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）呼吸驅(qū)動器，以及專用的模數(shù)測量電路，可簡化這一困難的測量。信號被解調(diào)并作為幅度和相位信息提供，根據(jù)特定的電纜參數(shù)，可以從中確定相應(yīng)的呼吸。該電路能夠使用內(nèi)部電容檢測小至200 mΩ的分辨率，使用外部電容具有更精確的分辨率，并具有靈活的開關(guān)方案，允許在三個(gè)引線（I、II、III）之一上進(jìn)行測量。

起搏檢測算法

該器件的前端包括數(shù)字起搏器偽像檢測算法，可檢測寬度范圍為100 μs至2 ms、幅度范圍為400 μV至1000 mV的起搏偽像，以符合上述AAMI和IEC標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)測試和醫(yī)生的意見，這些限制比醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)所要求的要慷慨得多。

起搏檢測算法在四個(gè)可能的導(dǎo)聯(lián)（I、II、III 或 aVF）中的三個(gè)上運(yùn)行數(shù)字算法的三個(gè)實(shí)例。它運(yùn)行在高頻ECG數(shù)據(jù)上，與內(nèi)部抽取和濾波并行。設(shè)計(jì)用于檢測和測量寬度范圍為100 μs至2 ms，幅度為400 μV至1000 mV的起搏偽像，它返回一個(gè)標(biāo)志，指示在一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)聯(lián)上檢測到起搏，以及檢測到的信號的高度和寬度。對于希望運(yùn)行自己的數(shù)字起搏算法的用戶，ADAS1000提供了一個(gè)高速起搏接口，以快速數(shù)據(jù)速率（128 kHz）提供ECG數(shù)據(jù)，而標(biāo)準(zhǔn)接口上的濾波和抽取ECG數(shù)據(jù)保持不變。

ADAS1000 ECG IC的算法中內(nèi)置了分鐘通氣濾波器。從雙極導(dǎo)聯(lián)環(huán)傳導(dǎo)到起搏器罐的分鐘通氣脈沖檢測呼吸頻率以控制起搏速率。它們的寬度始終小于 100 μs，從大約 15 μs 到 100 μs 不等。

許多植入式設(shè)備能夠針對窄至25μs的起搏脈沖進(jìn)行編程，但醫(yī)生幾乎從不對脈沖如此窄的植入式設(shè)備進(jìn)行編程，因?yàn)闆]有足夠的安全能量裕度高于起搏閾值。

該起搏偽像系統(tǒng)由與起搏行業(yè)合作的工程師和起搏專家團(tuán)隊(duì)開發(fā)。這種合作的結(jié)果是一個(gè)同步的三矢量起搏偽像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以檢測起搏偽像，盡管電噪聲明顯大于偽像?？梢詫ζ鸩惴ǖ娜齻€(gè)實(shí)例中的每個(gè)實(shí)例進(jìn)行編程，以檢測不同導(dǎo)聯(lián)（I、II、II 或 aVF）上的起搏信號?？删幊涕撝惦娖皆试S對其進(jìn)行定制，以檢測所呈現(xiàn)的脈沖寬度和高度范圍，內(nèi)部數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)用于抑制心跳、噪聲和分鐘通氣脈沖。在起搏信號的單個(gè)實(shí)例中驗(yàn)證起搏信號后，設(shè)備會輸出一個(gè)標(biāo)志，以便用戶可以在ECG捕獲條中標(biāo)記或識別起搏信號。

起搏器算法的簡化流程圖如圖 9 所示。

圖9.配速算法的流程圖。

起搏偽像算法的采樣率選擇非常重要，因?yàn)樗荒芘c美敦力、圣裘德和波士頓科學(xué)公司用于 H 場遙測載波的頻率完全相同。這三家公司都使用不同的頻率，并且每個(gè)公司都有許多不同的遙測系統(tǒng)。ADI公司認(rèn)為，ADAS1000采用的采樣頻率與這三家起搏公司的任何主要遙測系統(tǒng)都不一致。

如上所述，ADAS1000還包括呼吸測量和交流導(dǎo)聯(lián)脫落。這些功能都將不同頻率的交流信號注入患者電極，但不會干擾起搏偽影的采集。電燒灼信號可以在ADAS1000輸入ECG之前進(jìn)行濾波，但濾波可能會降低起搏偽像檢測算法的性能，因此必須謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)。

結(jié)論

植入式起搏器的偽影可在2 mV至700 mV之間變化，持續(xù)時(shí)間在0.1 ms至2 ms之間，上升時(shí)間為15 μs至100 μs。它們經(jīng)常被遙測噪聲或心臟信號淹沒，很難檢測到。用于ECG系統(tǒng)的ADAS1000模擬前端包括檢測心臟及其相關(guān)起搏器產(chǎn)生的電信號所需的所有電路，以及有助于區(qū)分起搏偽像并將其顯示在ECG帶狀圖上的嵌入式算法。

審核編輯：郭婷