ADI公司：心脏起搏伪像的检测与识别

　　作者：John Kruse与Catherine Redmond Analog Devices公司

　　提示：

　　（1） 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。

　　（2）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。

　　（3）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。

　　（4）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）。

图1 植入式起搏器通常既轻又小　　

　　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2 这是一个理想起搏伪像的例子，正脉冲有快速的上升沿。
当脉冲达到最大幅度时，跟随一个容性的下垂，然后出现尾沿。接下来，在起搏脉冲的充电部分，起搏伪像改变极性。

　　
图3 示波器现实了在一个生理盐水箱内的心脏再同步设备，这是做起搏器认证的一个标准测试环境。

　　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。