检测和区分心脏起搏伪像

作者：John Kruse and Catherine Redmond

当植入起搏器的心脏病患者接受心电图（ECG）测试时，心脏病专家必须能够检测起搏器的存在和效果。起搏信号的电信号（或伪像）由小而窄的脉冲组成。这些伪影隐藏在噪音和较大的心脏信号中，很难被发现。本文介绍起搏伪像的性质，并介绍检测它们的设备和方法。

心脏是一个生化机电系统，产生从右上心房窦房 （SA） 结传播到房室 （AV） 结的电脉冲。SA节点充当系统的起搏器。

该电脉冲产生P波，这可以在图2中的ECG捕获中看到。从房室结，电信号通过希斯-浦肯野系统传播到心室，导致心室肌肉收缩。它们的收缩（R波）将含氧血液从左心室移入并穿过身体，并将脱氧血液从右心室输送到肺部。

图2.心肌收缩期间电动作的图形心电图表示。

当电气系统不能完美工作时，可能会出现许多不同的心脏病。例如，心动过缓发生在心脏跳动过慢或错过心跳时。这种情况的典型手术干预是在患者胸部皮肤下植入起搏器装置（脉冲发生器），心内膜导联线通过静脉直接到达心脏。

在另一类心律失常中，称为心动过速，心脏跳动太快。这种非常严重的疾病用植入式心脏除颤器 （ICD） 治疗。现代ICD也可以治疗许多心动过缓性心律失常。

当心脏变大时，可能会发生心力衰竭，延长其传导路径并扰乱心室收缩的时间。这形成了一个正反馈系统，进一步加重了心脏。植入式心脏再同步 （ICR） 装置通过起搏两个心室（通常是一个心房）来重新定时心室。这些设备实际上改善了心输出量，使心脏在一定程度上恢复。心脏再同步治疗（CRT）设备包括ICD作为系统的一部分。

CRT设备如图4（a）的透视图像所示。这是医生用来放置引线的图像。这样的形象对于外行人来说很难解释。你可以看到心脏的浅色轮廓——跳动的心脏的静态视图。它位于右心房，心脏的顶点指向右侧和向下。在这个典型的引线放置中，黑色箭头指向右心房引线。黑色虚线箭头指向右心室导联线。部分可见的导联线（由红色箭头表示）是左心室导联线（红色箭头指向电极尖端）。图4（b）显示了双腔起搏器典型导联放置的透视图像。右心房导联线朝上，放置在右心房。右心室导联线位于右心室的顶点。

图4.透视图像显示起搏器导线放置。3（a）. 单腔起搏器。（b）. 双腔起搏器。

植入式起搏器通常重量轻且结构紧凑。它们包含通过植入导线监测心脏电活动所需的电路，并在需要时刺激心肌以确保有规律的心跳。起搏器必须是低功耗设备，因为它们使用通常具有 10 年使用寿命的小型电池运行。截至2010年，美国国家工程院指出，每年有超过40万个起搏器植入患者体内。

起搏伪像

简单的植入式起搏器的活动在正常的ECG迹线上通常无法察觉，因为非常快的脉冲（宽度为微秒）被过滤掉，但无论如何，它们太窄而无法出现在分辨率为毫秒的迹线上。然而，它的信号可以通过起搏伪像来推断，起搏伪像是伴随在ECG导联上测量的皮肤表面心脏自身电活动的测量的电压脉冲。能够检测和识别起搏伪像非常重要，因为它们表明起搏器的存在，并有助于评估其与心脏的相互作用。

它们的振幅小、宽度窄和波形变化使得起搏伪像非常难以检测，尤其是在存在可能为其振幅数倍的电噪声的情况下。此外，起搏疗法已经变得非常先进，有数十种起搏模式可供选择——从单腔起搏到三腔起搏。为了使起搏伪像的检测进一步复杂化，起搏器会产生导联完整性脉冲、分钟通气 （MV） 脉冲、遥测信号和其他可能被错误识别为起搏伪像的信号。

实时起搏器遥测的使用使得在心电图条上显示起搏伪像不如以前重要，但熟练掌握起搏疗法的个人可以查看条带以推断正在给予患者的起搏治疗类型，并确定起搏器是否正常工作。此外，所有相关的医疗标准（包括以下内容）都要求显示起搏伪像。它们在需要捕获的起搏器信号的高度和宽度的具体要求方面确实有所不同。

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：

设备应能够在振幅为 ±2 mV 至 ±700 mV 且持续时间为 0.5 ms 至 2.0 ms 的起搏器脉冲存在的情况下显示 ECG 信号。起搏器脉冲的指示应在显示屏上可见，幅度不小于0.2 mV，参考输入（RTI）;

鉴于 AAMI EC11 指出：

该设备应能够在存在振幅在 2 mV 和 250 mV 之间、持续时间在 0.1 ms 和 2.0 ms 之间、上升时间小于 100 μs 和频率为 100 脉冲/分钟的情况下显示 ECG 信号。对于持续时间在 0.5 ms 和 2.0 ms 之间的起搏器脉冲（以及上述幅度、上升时间和频率参数），记录中应可见起搏器脉冲的指示;该指示应在振幅至少为 0.2 mV RTI 的显示屏上可见。

这些可能是微妙的差异，但就要捕获的高度和宽度而言，它们仍然是差异。

心脏起搏器如何调整步伐

所有起搏导线都有两个电极，电极的位置决定了信号的极性。

在单极起搏中，起搏导联线由单个起搏导联线尖端的电极和起搏器外壳（CAN）本身的金属壁组成，因此只需将一根导联线插入心脏。这种起搏模式引起的起搏伪像在皮肤表面可能是几百毫伏，宽度为几毫秒。单极起搏不再常用。

在双极起搏中，心脏从起搏导联线尖端的电极起搏。返回电极是位于非常靠近尖端电极的环形电极。现在，大多数起搏伪像都是由双极起搏产生的。这种类型的导线产生的伪影比单极起搏产生的伪影小得多;皮肤表面的脉冲可以小到几百微伏高，25微秒宽，平均伪影高1 mV，宽500 μs。当检测矢量不直接与起搏导联矢量对齐时，伪影的幅度可能会小得多。

许多起搏器可以编程为短至25 μs的脉冲宽度，但这些设置通常仅用于在电生理学实验室进行的起搏器阈值测试。将下限设置为 100 μs 可消除将分钟通气 （MV） 和导联线完整性 （LV 导联线）脉冲错误检测为有效起搏伪像的问题。这些亚阈值脉冲通常编程为10 μs至50 μs之间。

各种类型的起搏器为不同的腔室起搏：

单腔起搏仅向心脏的一个腔室提供起搏治疗;它可以是单极或双极。单腔起搏适用于右心房或右心室。

双腔起搏为右心房和右心室提供起搏治疗。

双心室起搏为右心室和左心室提供起搏治疗。此外，心脏通常在右心房起搏。由于两个主要原因，这种起搏模式可能很难正确显示：首先，两个心室起搏可能同时发生，在皮肤表面显示为单个脉冲。其次，左心室导联线的位置通常与右心室导联线不在同一载体上，实际上可能与其正交。通常，右心房最好显示在导联 aVF 中，而右心室最好显示在导联 II 中。大多数心电图系统不采用三个同步导联检测电路或算法，这使得左心室成为最难拾取的导联。因此，有时最好在其中一个V引线中检测到它。

起搏伪像波形

大多数起搏脉冲具有非常快的上升沿。在起搏器输出端测得的上升时间通常约为100 ns。在皮肤表面测量时，由于起搏引线的电感和电容，上升时间会略慢。皮肤表面的大多数起搏伪像大约为 10 μs 或更短。具有内置保护功能的复杂设备，起搏器可以产生不影响心脏但会影响起搏器检测电路的高速毛刺。

图6显示了一个理想起搏伪像的示例。正脉冲具有快速上升沿。脉冲达到其最大幅度后，容性下降随之而来，然后出现后沿。然后，伪影改变起搏脉冲充电部分的极性。需要这种充电脉冲，以便心脏组织保持净零电荷。使用单相脉冲时，离子会在电极周围积聚，产生直流电荷，可能导致心脏组织坏死。

图6.理想的起搏伪影。

引入心脏再同步装置在检测和显示起搏伪像方面增加了另一种程度的复杂性。这些装置使患者在右心房和双心室起搏。两个心室中的脉搏可以靠得很近、重叠或同时发生;左心室甚至可以在右心室之前起搏。目前，大多数设备同时对两个心室起搏，但研究表明，调整时间将通过产生更高的心输出量使大多数患者受益。单独检测和显示两个脉冲并不总是可能的，很多时候它们会在ECG电极上显示为单个脉冲。如果两个脉冲同时发生，引线方向相反，脉冲实际上可以在皮肤表面上相互抵消。发生这种情况的可能性非常小，但可以想象在皮肤表面上出现两个极性相反的心室起搏伪影。如果两个脉冲偏移一个小时间间隔，则得到的脉冲形状可能非常复杂。

图7显示了心脏再同步装置在盐水罐中起搏的示波器轨迹。这是起搏器验证的标准测试环境;它被认为与人体的电导率相似。示波器探头靠近起搏导线，导致振幅远大于皮肤表面的预期振幅。此外，盐溶液对ECG电极的低阻抗导致噪声比皮肤表面测量中通常看到的要小得多。

图7.从盐水箱中的再同步装置捕获起搏信号。

第一个脉冲是心房，第二个脉冲是右心室，第三个脉冲是左心室。将导联线放置在盐水槽中，优化矢量以清楚地看到脉冲。负向脉冲是速度，正向脉冲是充电。心房脉冲的幅度略大于其他两个脉冲幅度，因为导联线的矢量略好于心室导联线，但实际上，再同步装置中的所有三个起搏输出都被编程为具有相同的幅度和宽度。对于真实的患者，每个起搏器导联的振幅和宽度通常不同。

检测起搏伪像

有了对感兴趣信号的形态和起源的理解，我们可以专注于检测起搏伪影的主题。就其性质而言，不可能以经济高效的方式检测所有起搏伪像并抑制所有可能的噪声源。挑战包括起搏检测必须监测的腔室数量、遇到的干扰信号以及来自不同制造商的起搏器种类。检测伪影的解决方案范围从硬件解决方案到数字算法。这些现在都将更详细地讨论。

心脏再同步装置的起搏导联线不会都具有相同的矢量。右心房导联线通常与导联线 II 对齐，但有时可能直接指向胸部，因此可能需要 Vx 矢量才能看到它。右心室导联线通常位于右心室的顶点，因此通常与导联线 II 对齐良好。穿过冠状窦的左心室起搏导联线实际上位于左心室的外侧。该导联线通常与导联线II对齐，但可能具有V轴方向。植入式除颤器和再同步装置的起搏导联线有时放置在没有梗死的心脏区域。将它们放置在梗死周围是该系统使用三个载体并需要高性能起搏伪影检测功能的主要原因。

其中一个主要的噪声源是大多数植入式心脏设备使用的H场遥测方案。其他噪声源包括呼吸的经胸阻抗测量、电灼以及与患者相连的其他医疗设备的传导噪声。

为了使获取起搏伪像的问题进一步复杂化，每个起搏器制造商都使用不同的遥测方案。在某些情况下，单个制造商可能会为不同的植入式设备型号使用许多不同的遥测系统。许多植入式设备实际上可以使用H场遥测和MICS或ISM频段遥测进行通信。从一个模型到下一个模型的 H 场遥测的可变性使得滤波器设计非常困难。ECG设备必须是CF类，但其他医疗设备可能是B类或BF类，其较高的漏电流可能会干扰ECG采集设备的性能。

ADAS1000 ECG 模拟前端内置起搏伪像检测算法

ADAS1000（图8）是一款5通道心电图（ECG）模拟前端（AFE），旨在帮助解决下一代低功耗、低噪声、高性能、系留和便携式ECG系统设计人员面临的一些挑战。ADAS1000专为监护和诊断质量的ECG测量而设计，包括5个电极输入和一个专用的右腿驱动（RLD）输出参考电极。

图8.ADAS1000原理框图

除了支持基本的ECG信号监测元件外，ADAS1000还配备了呼吸测量（胸阻抗测量）、导联/电极连接状态、内部校准和起搏伪影检测等功能，如上所述。

一个ADAS1000支持5个电极输入，便于传统的6导联ECG测量。通过级联第二个ADAS1000-2（配套）器件，系统可以扩展到真正的12导联测量;通过级联多个设备（三个及以上），系统可以扩展到具有 15 导联及以上的测量。有关ADAS1000不同变体的详细信息，请参见表1。

表 1.ADAS1000可用型号概述

 

部件号	电极数量	额外功能	输入噪声， 0.05 Hz 至 150 Hz （μV 峰峰值）	厘米 I/P 范围 （V）	电源电压	封装选项
ADAS1000	5 个心电图电极 + RLD	呼吸、起搏和起搏 I/F	10	±1	3.3 到 5.5	56 引脚 LFCSP 64 引脚 LQFP
ADAS1000-1	5 个心电图电极 + RLD		10	±1	3.3 到 5.5	56 引脚 LFCSP
ADAS1000-2	5 个心电图电极（组模式的伴侣）		10	±1	3.3 到 5.5	56 引脚 LFCSP 64 引脚 LQFP
ADAS1000-3	3 个心电图电极 + RLD		10	±1	3.3 到 5.5	56 引脚 LFCSP 64 引脚 LQFP
ADAS1000-4	3 个心电图电极 + RLD	呼吸、起搏和起搏 I/F	10	±1	3.3 到 5.5	56 引脚 LFCSP 64 引脚 LQFP

 

ADAS1000的呼吸功能能够测量患者的胸阻抗变化，指示呼吸的程度或不存在。呼吸功能的核心是可编程频率（46 kHz至64 kHz）的集成DAC（数模转换器）呼吸驱动器，以及专用的模数测量电路，可简化这一困难的测量。信号被解调并作为幅度和相位信息提供，根据特定的电缆参数，可以从中确定相应的呼吸。该电路能够使用内部电容检测小至200 mΩ的分辨率，使用外部电容具有更精确的分辨率，并具有灵活的开关方案，允许在三个引线（I、II、III）之一上进行测量。

起搏检测算法

该器件的前端包括数字起搏器伪像检测算法，可检测宽度范围为100 μs至2 ms、幅度范围为400 μV至1000 mV的起搏伪像，以符合上述AAMI和IEC标准。根据测试和医生的意见，这些限制比医疗标准所要求的要慷慨得多。

起搏检测算法在四个可能的导联（I、II、III 或 aVF）中的三个上运行数字算法的三个实例。它运行在高频ECG数据上，与内部抽取和滤波并行。设计用于检测和测量宽度范围为100 μs至2 ms，幅度为400 μV至1000 mV的起搏伪像，它返回一个标志，指示在一个或多个导联上检测到起搏，以及检测到的信号的高度和宽度。对于希望运行自己的数字起搏算法的用户，ADAS1000提供了一个高速起搏接口，以快速数据速率（128 kHz）提供ECG数据，而标准接口上的滤波和抽取ECG数据保持不变。

ADAS1000 ECG IC的算法中内置了分钟通气滤波器。从双极导联环传导到起搏器罐的分钟通气脉冲检测呼吸频率以控制起搏速率。它们的宽度始终小于 100 μs，从大约 15 μs 到 100 μs 不等。

许多植入式设备能够针对窄至25μs的起搏脉冲进行编程，但医生几乎从不对脉冲如此窄的植入式设备进行编程，因为没有足够的安全能量裕度高于起搏阈值。

该起搏伪像系统由与起搏行业合作的工程师和起搏专家团队开发。这种合作的结果是一个同步的三矢量起搏伪像系统，该系统可以检测起搏伪像，尽管电噪声明显大于伪像。可以对起搏算法的三个实例中的每个实例进行编程，以检测不同导联（I、II、II 或 aVF）上的起搏信号。可编程阈值电平允许对其进行定制，以检测所呈现的脉冲宽度和高度范围，内部数字滤波器设计用于抑制心跳、噪声和分钟通气脉冲。在起搏信号的单个实例中验证起搏信号后，设备会输出一个标志，以便用户可以在ECG捕获条中标记或识别起搏信号。

起搏器算法的简化流程图如图 9 所示。

图9.配速算法的流程图。

起搏伪像算法的采样率选择非常重要，因为它不能与美敦力、圣裘德和波士顿科学公司用于 H 场遥测载波的频率完全相同。这三家公司都使用不同的频率，并且每个公司都有许多不同的遥测系统。ADI公司认为，ADAS1000采用的采样频率与这三家起搏公司的任何主要遥测系统都不一致。

如上所述，ADAS1000还包括呼吸测量和交流导联脱落。这些功能都将不同频率的交流信号注入患者电极，但不会干扰起搏伪影的采集。电烧灼信号可以在ADAS1000输入ECG之前进行滤波，但滤波可能会降低起搏伪像检测算法的性能，因此必须谨慎设计。

结论

植入式起搏器的伪影可在2 mV至700 mV之间变化，持续时间在0.1 ms至2 ms之间，上升时间为15 μs至100 μs。它们经常被遥测噪声或心脏信号淹没，很难检测到。用于ECG系统的ADAS1000模拟前端包括检测心脏及其相关起搏器产生的电信号所需的所有电路，以及有助于区分起搏伪像并将其显示在ECG带状图上的嵌入式算法。

审核编辑：郭婷