檢測(cè)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(cè)試時(shí)，心臟病專家必須能夠檢測(cè)起搏器的存在和效果。起搏信號(hào)的電信號(hào)（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(hào)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(cè)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(hào)通過(guò)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(guò)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(dòng)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(huì)出現(xiàn)許多不同的心臟病。例如，心動(dòng)過(guò)緩發(fā)生在心臟跳動(dòng)過(guò)慢或錯(cuò)過(guò)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(guò)靜脈直接到達(dá)心臟。

在另一類心律失常中，稱為心動(dòng)過(guò)速，心臟跳動(dòng)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(dòng)過(guò)緩性心律失常。

當(dāng)心臟變大時(shí)，可能會(huì)發(fā)生心力衰竭，延長(zhǎng)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(guò)起搏兩個(gè)心室（通常是一個(gè)心房）來(lái)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(lái)放置引線的圖像。這樣的形象對(duì)于外行人來(lái)說(shuō)很難解釋。你可以看到心臟的淺色輪廓——跳動(dòng)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(jiàn)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(guò)植入導(dǎo)線監(jiān)測(cè)心臟電活動(dòng)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(guó)國(guó)家工程院指出，每年有超過(guò)40萬(wàn)個(gè)起搏器植入患者體內(nèi)。

起搏偽像

簡(jiǎn)單的植入式起搏器的活動(dòng)在正常的ECG跡線上通常無(wú)法察覺(jué)，因?yàn)榉浅？斓拿}沖（寬度為微秒）被過(guò)濾掉，但無(wú)論如何，它們太窄而無(wú)法出現(xiàn)在分辨率為毫秒的跡線上。然而，它的信號(hào)可以通過(guò)起搏偽像來(lái)推斷，起搏偽像是伴隨在ECG導(dǎo)聯(lián)上測(cè)量的皮膚表面心臟自身電活動(dòng)的測(cè)量的電壓脈沖。能夠檢測(cè)和識(shí)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(píng)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(cè)，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(cè)進(jìn)一步復(fù)雜化，起搏器會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)聯(lián)完整性脈沖、分鐘通氣 （MV） 脈沖、遙測(cè)信號(hào)和其他可能被錯(cuò)誤識(shí)別為起搏偽像的信號(hào)。

實(shí)時(shí)起搏器遙測(cè)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?cè)谛枰东@的起搏器信號(hào)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(hào)。起搏器脈沖的指示應(yīng)在顯示屏上可見(jiàn)，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(hào)。對(duì)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(jiàn)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(jiàn)。

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(hào)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?，F(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(cè)矢量不直接與起搏導(dǎo)聯(lián)矢量對(duì)齊時(shí)，偽影的幅度可能會(huì)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(cè)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(cè)為有效起搏偽像的問(wèn)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(cè)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(cè)到它。

起搏偽像波形

大多數(shù)起搏脈沖具有非?？斓纳仙?。在起搏器輸出端測(cè)得的上升時(shí)間通常約為100 ns。在皮膚表面測(cè)量時(shí)，由于起搏引線的電感和電容，上升時(shí)間會(huì)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(huì)影響起搏器檢測(cè)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(lái)，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(huì)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(cè)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(duì)兩個(gè)心室起搏，但研究表明，調(diào)整時(shí)間將通過(guò)產(chǎn)生更高的心輸出量使大多數(shù)患者受益。單獨(dú)檢測(cè)和顯示兩個(gè)脈沖并不總是可能的，很多時(shí)候它們會(huì)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(cè)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(duì)ECG電極的低阻抗導(dǎo)致噪聲比皮膚表面測(cè)量中通常看到的要小得多。

圖7.從鹽水箱中的再同步裝置捕獲起搏信號(hào)。

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(duì)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(cè)起搏偽像

有了對(duì)感興趣信號(hào)的形態(tài)和起源的理解，我們可以專注于檢測(cè)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(cè)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(cè)必須監(jiān)測(cè)的腔室數(shù)量、遇到的干擾信號(hào)以及來(lái)自不同制造商的起搏器種類。檢測(cè)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(huì)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(duì)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(duì)齊良好。穿過(guò)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(duì)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(méi)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(cè)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(chǎng)遙測(cè)方案。其他噪聲源包括呼吸的經(jīng)胸阻抗測(cè)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(wèn)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(cè)方案。在某些情況下，單個(gè)制造商可能會(huì)為不同的植入式設(shè)備型號(hào)使用許多不同的遙測(cè)系統(tǒng)。許多植入式設(shè)備實(shí)際上可以使用H場(chǎng)遙測(cè)和MICS或ISM頻段遙測(cè)進(jìn)行通信。從一個(gè)模型到下一個(gè)模型的 H 場(chǎng)遙測(cè)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(huì)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(cè)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(cè)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(dòng)（RLD）輸出參考電極。

圖8.ADAS1000原理框圖

除了支持基本的ECG信號(hào)監(jiān)測(cè)元件外，ADAS1000還配備了呼吸測(cè)量（胸阻抗測(cè)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(cè)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(cè)量。通過(guò)級(jí)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(cè)量;通過(guò)級(jí)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(cè)量。有關(guān)ADAS1000不同變體的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)表1。

表 1.ADAS1000可用型號(hào)概述

ADAS1000的呼吸功能能夠測(cè)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(dòng)器，以及專用的模數(shù)測(cè)量電路，可簡(jiǎn)化這一困難的測(cè)量。信號(hào)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(cè)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(kāi)關(guān)方案，允許在三個(gè)引線（I、II、III）之一上進(jìn)行測(cè)量。

起搏檢測(cè)算法

該器件的前端包括數(shù)字起搏器偽像檢測(cè)算法，可檢測(cè)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(cè)試和醫(yī)生的意見(jiàn)，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(cè)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(cè)和測(cè)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(cè)到起搏，以及檢測(cè)到的信號(hào)的高度和寬度。對(duì)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(cè)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(duì)窄至25μs的起搏脈沖進(jìn)行編程，但醫(yī)生幾乎從不對(duì)脈沖如此窄的植入式設(shè)備進(jìn)行編程，因?yàn)闆](méi)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(kāi)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(cè)起搏偽像，盡管電噪聲明顯大于偽像?？梢詫?duì)起搏算法的三個(gè)實(shí)例中的每個(gè)實(shí)例進(jìn)行編程，以檢測(cè)不同導(dǎo)聯(lián)（I、II、II 或 aVF）上的起搏信號(hào)。可編程閾值電平允許對(duì)其進(jìn)行定制，以檢測(cè)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(hào)的單個(gè)實(shí)例中驗(yàn)證起搏信號(hào)后，設(shè)備會(huì)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(shí)別起搏信號(hào)。

起搏器算法的簡(jiǎn)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(chǎng)遙測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)都不一致。

如上所述，ADAS1000還包括呼吸測(cè)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(hào)注入患者電極，但不會(huì)干擾起搏偽影的采集。電燒灼信號(hào)可以在ADAS1000輸入ECG之前進(jìn)行濾波，但濾波可能會(huì)降低起搏偽像檢測(cè)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(cè)噪聲或心臟信號(hào)淹沒(méi)，很難檢測(cè)到。用于ECG系統(tǒng)的ADAS1000模擬前端包括檢測(cè)心臟及其相關(guān)起搏器產(chǎn)生的電信號(hào)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