基于辨别心脏起搏器产生伪像的解决方案

当人的心脏机电系统存在缺陷，则可能导致诸多心脏问题。例如，当心脏搏动过慢或者不搏动时，就是心动过缓。对于这种状况，典型的手术治疗方法是在患者胸部皮下植入一个起搏器（脉冲发生器），并将心内膜导联线通过静脉直接引导至心脏，如图1所示。

图1植入式起搏器的位置以及不同种类起搏器的导联线

在称为心动过速的另一类心律失常症状中，心脏搏动过快。这是一种十分严重的疾病，可通过植入式心脏除颤器(ICD)进行治疗。现代ICD也可治疗多种缓慢性心律失常。

起搏伪像的产生

在正常的ECG图中，一般很难发现简单的植入式起搏器的活动，因为超快脉冲（宽度仅有数微秒）会被过滤掉，但在任何情况下，在毫秒级分辨率的心电图中，这些脉冲都太窄，而不会出现。然而，其信号可以通过起搏伪像推断出来，伪像是与通过ECG导联线在皮肤表面测得的心脏自身电活动相伴的电压脉冲。检测和识别起搏伪像的能力很重要，因为伪像显示了起搏器的存在，而且有助于评估其与心脏的交互作用。

由于伪像幅度小、宽度窄、波形多变，结果使起搏伪像难以检测，尤其是存在可能数倍于伪像幅度的电噪声时。另外，起搏疗法已经十分发达，如今有数十种起搏模式，从单腔起搏到三腔起搏等，不一而足。使得起搏伪像检测更加复杂的是，起搏器会产生导联线完整性脉冲、分钟通气量(MV)脉冲、遥测信号以及可能被误认为起搏伪像的其他信号。

起搏伪像波形

多数起搏脉冲都有着超快的上升沿。起搏器输出端测得的上升时间一般为100 ns左右。当在皮肤表面测量时，受起搏导联线电感和电容的影响，上升时间会略低。皮肤表面的起搏伪像大多为10 μs或以下。作为内置保护机制的复杂器件，起搏器可能会产生高速毛刺，虽然不会影响心脏，但会影响起搏器检测电路。

图2所示为理想起搏伪像的示例。正脉冲的上升边沿很快。在脉冲达到最大幅度之后，会发生容性下降，然后出现后沿。之后，在起搏脉冲的再充电部分，伪像会改变极性。之所以需要该再充电脉冲，是为了使心脏组织保持净零电荷。对于单相脉冲，离子会在电极周围聚集，结果产生的直流电荷可能导致心脏组织损坏。

图2理想起搏伪像

检测起搏伪像

起搏检测系统必须监控多个腔室，检测过程中会遇到干扰信号，而且不同制造商生产的起搏器种类繁多。伪像的检测方案从硬件解决方案到数字算法，十分广泛。接下来，我们将对此进行详细讨论。心脏再同步器件所用的起搏导联线不可能都具有相同的矢量。右心房导联线通常与导线线II对齐，但有时也可能直接指向胸部以外，因而可能需要Vx矢量才能看见。右心室导联线通常置于右心室顶部，因而经常与导联线II对齐。从冠状窦穿过的左心室起搏导联线实际上位于左心室的外部。通常情况下，该导联线与导联线II对齐，但其方向却可能是V轴向。植入式除颤器和再同步器件的起搏导联线有时置于心脏中未发生梗塞的区域。把它们置于梗塞区域周围，这是该系统采用三个矢量并要求高性能起搏伪像检测功能的原因所在。

一个主要噪声源是多数植入式心脏器件所使用的H场遥测方案。其他噪声源包括呼吸胸阻抗测量、电灼器和与患者相连的其他医疗设备带来的传导噪声。此外，每家起搏器制造商都采用不同的遥测方案，使起搏伪像检测变得更加复杂。在有些情况下，一家制造商可能针对不同的植入式器件型号采用多种不同的遥测系统。实际上，许多植入式器件可能同时采用H场遥测以及MICS频段或ISM频段遥测进行通信。不同型号采用不同的H场遥测方案，这种情况使得滤波器的设计变得十分困难。心电图器件必须为CF级，但其他医疗器件则可能是B级或BF级，而且其较高的泄漏电流可能干扰心电图采集设备的性能。

ADAS1000心电图模拟前端包含起搏伪像检测算法

ADAS1000（图3）是一款5通道心电图(ECG)模拟前端(AFE)，旨在帮助解决新一代低功耗、低噪声、高性能系留式和便携式ECG系统设计人员面对的部分挑战。ADAS1000专门针对监控级和诊断级心电图测量而设计，由5个电极输入和1个专用右腿驱动(RLD)输出参考电极构成。

图3 ADAS1000功能框图

ADAS1000不但支持基本的心电图信号监控元件，还配有多种功能，比如前面讨论过的呼吸测量（胸阻抗测量）、导联线/电极连接状态、内部校准、起搏伪像检测功能等。

一个ADAS1000支持5个电极输入，为进行传统的6导联心电图测量提供了方便。通过另外级联一个ADAS1000-2（辅助）器件，
系统可以进行真正的12导联测量；通过级联多个器件（3个及以上），系统可测量15条及以上的导联线。有关ADAS1000不同变体的详情，请参阅表1。

表1 ADAS1000现有型号概览

ADAS1000的呼吸特性能够测量患者的胸阻抗变化，从而显示出呼吸的程度或有无缺失。呼吸功能的核心是在可编程频率（46kHz至64 kHz）下集成DAC（数模数据器）呼吸驱动，以及有利于简化这种复杂测量的专用模数测量电路。信号经过解调，作为幅度和相位信息提供，由此可以确定相应的呼吸信息，从而得到具体的线缆参数。利用内部电容，电路能够检测最小为200mΩ的分辨率——使用外部电容时，甚至可以检测更精确的分辨率——而且开关方案十分灵活，可对三根导联线(I、II、III)之一进行测量。

起搏检测算法

器件的前端包含一种数字起搏器伪像检测算法，可以检测到宽度范围为100 μs至2 ms、幅度范围为400 μV至1000 mV的起搏伪像——符合上述AAMI和IEC标准。根据测试结果和医师意见，这些限制要比医用标准宽松许多。

起搏检测算法在四根可能的导联线(I、II、III或aVF)中的三根上运行三个数字算法实例。在高频心电图数据上运行，与内部

抽取和滤波并行运行。该算法设计用于检测并测量宽度范围为100 μs至2 ms、幅度范围为400 μV至1000 mV的起搏伪像，返回一个标志，用以表示是在一根还是多根导联线上检测到起搏信号，同时返回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，可以快速的数据速率(128 kHz)提供心电图数据，与此同时，标准接口上经过滤波和抽取的心电数据保持不变。

ADAS1000 ECG IC在其算法中内置一个分钟通气量滤波器。分钟通气量脉冲（从双极性导联线的圆环传导至起搏器外壳）将检测呼吸速率，从而控制起搏速率。其宽度总是小于100 μs，变化范围约为15 μs至100 μs。

许多植入式器件能够编程以支持最窄25 μs的起搏脉冲，但医师几乎不会将植入式器件编程为如此窄，因为在超过起搏阈值以后，能量安全裕量将变得不足。

这种起搏伪像系统是由一个工程师和起搏专家团队与起搏行业共同研发的。这种合作带来了一种同步三矢量起搏伪像检测系统，该系统可以检测起搏伪像，尽管电气噪声显著大于伪像。三个起搏算法实例中的每个实例都可以编程以检测不同导联线(I、II、II或aVF)上的起搏信号。该系统的阈值水平可编程，因而可以针对实际的脉冲宽度和高度检测范围进行定制，同时还配置内部数字滤波器，以便抑制心跳、噪声和分钟通气量脉冲。当证实起搏信号的单个实例中存在起搏信号时，器件会输出一个标志，因而，用户可以在心电图上标记或识别出起搏信号。起搏器算法的简化流程图如图4所示。

图4 起搏算法的流程图

起搏伪像算法的采样速率选择非常重要，因为不能与Medtronic、St. Jude和Boston Scientific针对H场遥测载波器采用的频率完全相同。三家公司都采用不同的频率，而且每家公司都有多种不同的遥测系统。ADI公司相信，ADAS1000所用采样频率与这三家起搏器厂家的主要遥测系统都不相同。

如前所述，ADAS1000同时包括呼吸测量和交流导联脱落模式。这些特性不但可以把不同频率的交流信号注入患者电极，而且不会干扰起搏伪像的采集。电灼器信号虽然可以在ADAS1000心电图输入之前进行滤波处理，但起搏伪像检测算法的性能却可能因滤波而下降，因此，在这种设计中，务必十分小心。