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心脏起搏伪像的检测与识别

心脏起搏伪像的检测与识别

提示:

. 通常,在普通ECG图上看不到单纯植入起搏器的活动,因为非常快的脉冲都被过滤掉了。不过,掌握了起搏疗法的人员可以通过查看ECG曲线,确定起搏器的存在,并评估其与心脏的相互作用。

. 植入起搏器的起搏伪像信号可以从2 mV ~700 mV , 持续时间为0.1 ms~2ms,上升时间在15μs~100μs之间。由于电气噪声可能数倍于起搏伪像信号的幅度,因此难以检测。

. 大多数植入式心脏装置采用了H场遥测法,它是一个重要的噪声源。

. ADAS1000 ECG模拟前端中嵌入了一个算法,它可以帮助识别出起搏伪像,并显示在条形ECG图纸上。

如果一个植入了起搏器的心脏病人去做心电图, 医生必须能够检测到起搏器的存在及其作用。通常, 在普通ECG 图上看不到单纯植入起搏器的活动, 因为有低的显示分辨带宽( 监视器/ 诊断带宽分别为40 Hz / 150 Hz ) , 滤掉了非常快的脉冲( 典型宽度为数百微秒) 。但可以通过ECG波形的形态变化,推测出起搏器的信号。心电图是ECG导联在皮肤表面所记录的心脏自身电活动。

检测与识别起搏伪像信号非常重要,因为它们指示着起搏器的存在,并能帮助评估它与心脏的相互作用。但这种人工信号幅度小、带宽窄,波形在不断变化,因此难于检测,尤其是当存在着可能数倍于其波幅的电噪声情况下。同时,起搏疗法已经非常先进,有了多种起搏方式,从单室起搏到三室起搏。起搏器会产生导联完整性脉冲、每分钟换气(MV )脉冲、遥测信号,以及其它信号,这些都可能被误认为是起搏伪像,从而使检测更为复杂化。

采用实时起搏器遥测方法,可以在一个现已不太重要的ECG纸带里显示起搏伪像。有起搏治疗经验的人观看这个纸带,有时就可以推测出病人所采用起搏治疗的类型,并确定该起搏器是否正常工作。

另外, 所有相关的医疗标准都要求显示起搏伪像, 不过对捕获起搏信号的高度与宽度有不同的特殊要求。适用的标准包括: 美国医疗仪器促进协会(Associationfor the Advancement of MedicalInstrumentation ,AAMI ) 规范EC11:1991/(R) 2001/(R) 2007 和EC13:2002/(R)2007,以及国际电工委员会规范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(图1)通常既轻又小。它们包含了必要的电路,通过植入导联来监控心脏的电活动,按照需要刺激心肌,确保规则的心跳。起搏器必须是低功耗设备,通常采用寿命10年的小电池。2010年,美国工程师协会曾估计每年有超过40万部起搏器被植入病人体内(参考文献1)。


采用单极起搏方式时,起搏导联包括在单根起搏导联尖端的电极,以及包裹起搏器自身的金属外壳。在皮肤表面,这种方式产生的起搏伪像幅度为数百毫伏,宽度达2ms。但单极起搏已不常用。

今天,大部分起搏伪像主要来自于双极起搏,它是以起搏导联尖端的电极激励心肌。返回电极是一个非常靠近尖端电极的环形电极。这种类型导联所产生的起搏伪像要远小于单极起搏;皮肤表面的脉冲可以小至数百微伏,宽度25μs,平均信号值为高度1mV和宽度500μs。如果检测方向未能与起搏导联方向对齐,则起搏伪像的幅度还可能小得多。

很多起搏器的脉冲宽度最小可以设定到2 5μs,但短脉宽设置一般只用于在电生理实验室中测试起搏器的阈值。将下限定到100μs,可解决将MV和导联完整性(LV导联)脉冲误检测为有效起搏信号的问题。这些亚阈值脉冲一般设定在10μs~50μs之间。

对于特定心脏内室的起搏,有着不同类型的起搏器。单室起搏可做右心房或右心室的起搏。这类起搏器可以是单极的,也可以是双极的。双室起搏则可同时为右心房与右心室提供起搏治疗。双心室起搏可同时为右心室和左心室提供起搏治疗;另外,起搏一般是对右心房。

双室起搏模式可能难于正常显示,主要有两个原因。首先,双室起搏可能同时发生,因此在皮肤上表现为单一脉冲。其次, 左心室导联的位置通常与右心室导联不在相同的向量上,事实上两者会相互垂直。一般来说,右心房在aVF导联(肢体导联之一)上有最好的显示,而右心室则在II导联上有最佳显示。大多数ECG系统都未采用三导联同时检测电路或算法,于是左心室成为最难拾取的导联。因此,有时最好去检测V导联中的一根。

起搏伪像的波形

大多数起搏脉冲都有非常快速的上升沿。起搏器输出端测得的上升时间通常在大约100ns。当在皮肤表面测量时,上升时间会略微变缓,原因是起搏导联有电感和电容。皮肤表面的多数起搏伪像都在10μs或更低的量级。由于复杂设备都有内置保护,起搏器可能产生高速的尖刺, 它不会影响到心脏,但会影响起搏器检测电路。

图2是一个理想的起搏伪像实例。正脉冲有一个快速上升沿。当脉冲达到最大幅度时,会跟随一个容性的下垂,然后出现尾沿。接下来,起搏伪像会改变起搏脉冲充电部分的极性。需要充电脉冲的原因是让心脏组织处于净零电荷状态;单相脉冲可使离子在电极周围聚集起来,建立一个dc电荷,从而导致心脏组织的变形。

心脏再同步装置的引入,为起搏伪像的检测与显示增加了更多的复杂性。这些装置的起搏是作用于右心房和两个心室。两个心室的脉冲可能非常靠近、重叠, 或几乎同时出现;左心室甚至可能在右心室以前起搏。现在,大多数装置都是同时起搏两个心室,但研究表明,调节时序会产生更高的心脏输出,有益于某些病人。

不是总能分别地检测和显示出两个脉冲,很多情况下,ECG电极上只表现为一个单脉冲。如果两个脉冲同时发生,而导联方向正好相反,则两个脉冲可能在皮肤表面相互抵消。虽然出现概率较低,但可以想象到皮肤表面出现两个极性相反心室起搏信号的情况。如果两个脉冲以一个小时间差而偏移开来,则最后的脉冲形状可能会非常复杂。图3显示的是在一个生理盐水箱内心脏再同步装置的示波器图形。这是一个心脏起搏器认证的标准测试环境,用于模拟人体的导电性。但是由于示波器探头靠近起搏导联,使幅度远高于皮肤表面的情况,而生理盐水溶液对ECG电极表现为低阻抗,因此噪声要远小于通常在皮肤表面测量的情况。


图中显示的第一、第二和第三个脉冲( I 到r )分别是心房、右心室和左心室脉冲。导联被置于生理盐水箱内,其方向经过优化,能清晰地看到脉冲。负向脉冲是起搏,正向脉冲是充电。心房脉冲的幅度略高于另两个脉冲幅度,因为心房导联的指向稍好于心室导联;事实上,在再同步装置中, 所有三个起搏输出均被设定为相同的幅度与宽度。对实际的病人来说,每个起搏器导联的幅度与宽度通常是不同的。
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