基于辨別心臟起搏器產(chǎn)生偽像的解決方案

當(dāng)人的心臟機(jī)電系統(tǒng)存在缺陷，則可能導(dǎo)致諸多心臟問題。例如，當(dāng)心臟搏動(dòng)過慢或者不搏動(dòng)時(shí)，就是心動(dòng)過緩。對(duì)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(gè)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(dòng)過速的另一類心律失常癥狀中，心臟搏動(dòng)過快。這是一種十分嚴(yán)重的疾病，可通過植入式心臟除顫器(ICD)進(jìn)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(dòng)，因?yàn)槌烀}沖(寬度僅有數(shù)微秒)會(huì)被過濾掉，但在任何情況下，在毫秒級(jí)分辨率的心電圖中，這些脈沖都太窄，而不會(huì)出現(xiàn)。然而，其信號(hào)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(dòng)相伴的電壓脈沖。檢測和識(shí)別起搏偽像的能力很重要，因?yàn)閭蜗耧@示了起搏器的存在，而且有助于評(píng)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(shí)。另外，起搏療法已經(jīng)十分發(fā)達(dá)，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(huì)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(hào)以及可能被誤認(rèn)為起搏偽像的其他信號(hào)。

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(shí)間一般為100 ns左右。當(dāng)在皮膚表面測量時(shí)，受起搏導(dǎo)聯(lián)線電感和電容的影響，上升時(shí)間會(huì)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(hù)機(jī)制的復(fù)雜器件，起搏器可能會(huì)產(chǎn)生高速毛刺，雖然不會(huì)影響心臟，但會(huì)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(dá)到最大幅度之后，會(huì)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(huì)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(duì)于單相脈沖，離子會(huì)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(gè)腔室，檢測過程中會(huì)遇到干擾信號(hào)，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(duì)此進(jìn)行詳細(xì)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(duì)齊，但有時(shí)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(duì)齊。從冠狀竇穿過的左心室起搏導(dǎo)聯(lián)線實(shí)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(duì)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(shí)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(gè)矢量并要求高性能起搏偽像檢測功能的原因所在。

一個(gè)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(duì)不同的植入式器件型號(hào)采用多種不同的遙測系統(tǒng)。實(shí)際上，許多植入式器件可能同時(shí)采用H場遙測以及MICS頻段或ISM頻段遙測進(jìn)行通信。不同型號(hào)采用不同的H場遙測方案，這種情況使得濾波器的設(shè)計(jì)變得十分困難。心電圖器件必須為CF級(jí)，但其他醫(yī)療器件則可能是B級(jí)或BF級(jí)，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(jì)人員面對(duì)的部分挑戰(zhàn)。ADAS1000專門針對(duì)監(jiān)控級(jí)和診斷級(jí)心電圖測量而設(shè)計(jì)，由5個(gè)電極輸入和1個(gè)專用右腿驅(qū)動(dòng)(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(hào)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(zhǔn)、起搏偽像檢測功能等。

一個(gè)ADAS1000支持5個(gè)電極輸入，為進(jìn)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(jí)聯(lián)一個(gè)ADAS1000-2(輔助)器件，

系統(tǒng)可以進(jìn)行真正的12導(dǎo)聯(lián)測量;通過級(jí)聯(lián)多個(gè)器件(3個(gè)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(qǐng)參閱表1。

表1 ADAS1000現(xiàn)有型號(hào)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(dòng)，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(hào)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(shí)，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(duì)三根導(dǎo)聯(lián)線(I、II、III)之一進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)測試結(jié)果和醫(yī)師意見，這些限制要比醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行三個(gè)數(shù)字算法實(shí)例。在高頻心電圖數(shù)據(jù)上運(yùn)行，與內(nèi)部

抽取和濾波并行運(yùn)行。該算法設(shè)計(jì)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(gè)標(biāo)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(hào)，同時(shí)返回檢測到的信號(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，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(shí)，標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(huì)將植入式器件編程為如此窄，因?yàn)樵诔^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(gè)工程師和起搏專家團(tuán)隊(duì)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(gè)起搏算法實(shí)例中的每個(gè)實(shí)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(hào)。該系統(tǒng)的閾值水平可編程，因而可以針對(duì)實(shí)際的脈沖寬度和高度檢測范圍進(jìn)行定制，同時(shí)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(dāng)證實(shí)起搏信號(hào)的單個(gè)實(shí)例中存在起搏信號(hào)時(shí)，器件會(huì)輸出一個(gè)標(biāo)志，因而，用戶可以在心電圖上標(biāo)記或識(shí)別出起搏信號(hào)。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?yàn)椴荒芘cMedtronic、St. Jude和Boston Scientific針對(duì)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(shí)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(hào)注入患者電極，而且不會(huì)干擾起搏偽像的采集。電灼器信號(hào)雖然可以在ADAS1000心電圖輸入之前進(jìn)行濾波處理，但起搏偽像檢測算法的性能卻可能因?yàn)V波而下降，因此，在這種設(shè)計(jì)中，務(wù)必十分小心。