（生物医学工程专业论文）基于r波同步的除颤器设计研究.pdf

目录 第一章绪论“”“”1 1 1 选题背景“”1 1 2 人工电除颤发展历史2 第二章房颤、室颤以及电击除颤的机理4 2 1 心脏电生理基础介绍“4 2 2 心房颤动的电生理机制5 2 3 心室颤动的电生理机制7 2 4 电击除颤的机理9 2 5 影响除颤效果的因素1 0 2 5 1 除颤时间的影响1 1 2 5 2 除颤波形以及除颤能量的影响1 2 2 5 3 电极位置的影响1 5 2 5 4 经胸阻抗的影响1 6 2 5 5 患者身材、体重的影响1 6 第三章除颤器的设计1 7 3 1 国外产品的性能和规格1 7 3 2 本研究的主要内容及创新之处1 8 3 3 系统的硬件设计1 9 3 3 1 心电信号的采集及r 波检测模块2 0 3 3 2 充放电及除颤模块 2 6 3 3 3 阻抗检测模块 3 1 3 4 系统软件设计3 3 第四章实验结果与分析一一一“”“”一 3 8 4 1 对模拟心电信号发生器产生的信号进行测试分析3 8 4 2 对基于m i t 数据库的实际心电信号进行测试分析4 4 第五章总结与展望 5 1 参考文献“一”“”一一“一一“”“”一“ 5 2 致谢 5 4 1 1 1 ， 基于r 波同步的除颤器设计研究 第一章绪论 1 1 选题背景 生命对人类是生生不息，世代相传，而一个人的生死存亡却可能决定于瞬息 之间。当一位无论是年迈或正值当年的亲人、友人、同事不期突发猝死，亲人总 是无法接受这种残酷的事实，捶首顿足，痛哭失声，或无端自责，或迁怒医生。 在情感的暴风骤雨之后，人们并未能很好地自省其身，为什么当今会发生如此之 多的人间悲剧，每个人对亲人、友人、同事或路人又该承担何等责任? 随着社会的工业化、城市化和老龄化，心血管疾病导致的死亡在发达国家和 我国都居于魁首，而心脏骤停( s u d d e nc a r d i a ca r r e s t ，s c a ) 在其中占具极为重要 的位置( 见图1 1 ) 。什么是心脏骤停? 是指心脏不期地突然停跳，多由致命性心 律失常所导致，这种心律紊乱致使心脏无法泵血往身体组织和大脑。心脏性猝死 病人先脉搏消失，随后意识丧失，最后呼吸停止。如不及时救治绝大多数发生死 亡。无论院内还是院外，心脏骤停中相当一部分是由室性心动过速( v e n t r i c u l a r t a c h y c a r d i a v t ，简称室速) 或心室颤动( v e n t r i c u l a rf i b r i l l a t i o n v f ，简称室颤) 导致的。连续的急症监护记录观察到，近8 5 的患者在心脏骤停前数分钟内出 现快速性室性心律失常，这类患者如果能够得到及时的电除颤转律，存活率将得 到相当大的提高。据统计，美国成人每年死于心脏性猝死者约3 5 万人，每天平 均1 0 0 0 人，2 3 的猝死者发生在院外。心脏性猝死可以不期发生于任何人、任何 处，随年龄增长危险增大。 7 5 图1 1 美国每年死冈统计 圈心脏骤停 怵克 口肺癌 乳瘙 一交通事赦 一犯罪 艾澈病 心律失常是一种临床常见的功能性心脏病，具有病发率高、病因复杂、病情 危急等特点，轻则影响日常工作生活质量，严重时危及生命。 基于r 波同步的除颤器设计研究 心房颤动( a t r i a lf i b r i l l a t i o n a e 简称房颤) 是临床最常见的持续性快速心 律失常，发生率随年龄而增加。f r a m i n g h a m 研究表明， 5 0 5 9 岁人群中 房颤的发生率为o 5 、6 0 6 9 岁为1 8 、7 0 7 9 岁为4 8 、 8 0 8 9 岁为8 8 ，6 0 岁以后显著增加，平均每1 0 年发病率增加1 倍。 目前国内尚无房颤的流行病学资料，据第5 次人口普查显示1 5 岁以上的人口 为9 8 亿，若按每年0 9 的发生率( 美国a t r i a s t u d y , 2 0 0 1 年) 计算，我 国房颤患者年发生率可达8 0 0 多万。房颤对临床的主要危害是增加血栓的危险， 房颤患者与非房颤者比较，脑卒中的发生率增加5 倍，病死率增加2 倍。而且 房颤使心排出量下降，长期房颤伴快速心室反应可导致心动过速性心肌病。 心室颤动是严重危害患者生命的恶性心律失常，是心脏猝死的重要原因。它 是由于整个或大部分心室肌的电活动发生紊乱，彼此电活动不同步，并且不完整 所致。室颤与室性心动过速有密切联系，后者如不及时终止可以变成室颤。室颤 又往往与心室扑动( v e n t r i c u l a rf l u t t e r ) 及尖端扭转性室性心动过速交替出现， 以至有时难以区分。 目前认为，电除颤是抢救心脏性猝死的唯一有效的疗法，快速及时的除颤是 抢救成功的关键，除颤可使心脏可重新恢复正常节律。但很遗憾，由于除颤时间 延迟1 0 分钟或更长，现实中却有9 5 的心脏性猝死病人最终发生死亡。研究表 明，心脏性猝死发生后前几分钟除颤通常可成功转复，即电击越早疗效越好。7 分钟内行除颤，可有5 0 的心脏性猝死病人得到复苏。发病1 分钟内除颤存活 率可高达9 0 。发生心脏性猝死后立即行心肺复苏( c p r ) ，而除颤时间每延迟 1 分钟，存活率将降低1 0 。对于持续性房颤临床上也常用电击的方法终止，通 常在电除颤时放电应与o r s 波群相同步，从而减少诱发室颤的可能性，如果电 复律时正好处在动作电位的易损期，则可能形成室颤。在转复一些血液动力学状 态稳定的心动过速时，如室上性心动过速、房颤和房扑以及室速等，同步除颤可 避免这种并发症的发生。室颤时由于心室肌的电活动完全不同步，通常采用非同 步除颤模式。 国内相关产品设计研究才刚刚起步，正处于摸索成长阶段。国内很多产品几 乎都是进口，价格昂贵，给医院和病人带来了较高的经济负担，本课题正是在这 样的背景下开展。 1 2 人工电除颤的发展历史 心脏体外电除颤( e x t e r n a ld e f i b r i l l a t i o n ) 又称心脏电复律( c a r d i o v e r s i o n ) 是利 用除颤器在瞬间释放高压电流经胸壁到心脏，使得心脏的大部分或者全部的心肌 细胞在瞬阳j 同时除极，终止导致心律失常的异常折返或者异位兴奋灶，从而恢复 基于r 波同步的除颤器设计研究 窦性心律的方法。 电除颤应用在心脏的历史始于十六世纪。1 7 7 5 年，a b i l d g a r d 描述了应用电 击可以使小鸡生命体征消失，再次电击又使其复活。1 9 4 7 年b e c k 医生应用6 0 h z 的交流电对一名1 4 岁做开胸手术的男孩成功进行了体内电除颤。2 0 世纪5 0 年 代中期，经胸除颤应用于临床。1 9 5 6 年z o l l 第一次用交流电对人进行了除颤治 疗，开启了电击除颤挽救心脏猝死者的篇章。1 9 6 1 年，e d m a r k 及l o w n 等人研 究发现直流电除颤较交流电除颤更有效，对患者的损伤更小，同时使用交流电容 器可以使用充电电池，使除颤器更加小巧、便携。1 9 7 9 年科学家研制出自动体 外电除颤器( a u t o m a t i ce x t e r n a ld e f i b r i l l a t i o n ，a e d ) 并成功应用于临床，它的出现 使那些没有医学专业背景、只受过很短时间培训的非医务工作者对心脏骤停患者 进行早期的除颤干预成为可能。1 9 8 0 年，第一台自动体内除颤器植入人体，它 可以准确分析患者的心脏节律，提供安全有效的治疗。 基于r 波同步的除颤器设计研究 第二章房颤、室颤以及电击除颤的机理 2 1 心脏电生理基础介绍 首先简单介绍一下心脏的结构和电生理基础。从血液动力学的角度来看，心 脏是由四个心腔组成的：左心房，右心房，左心室和右心室，如图所示。从电生 理的角度来看，心脏可分为心房和心室两个部分，窦房结( s a n ) 的自律性细胞 产生的电激动，经心房心肌( a m ) 传到房室结( 越啊) ，再经过希氏束( b u n d l e o fh i s ) 和浦氏纤维( p u r k i n j ef i b e r s ) ，传到整个心室，如图2 1 所示。 、- _ - ，、_ - 一 r i g h tl e f 丁 l a t r i a t r i a lm u s c l e 图2 1 心脏结构与电生理示意图 正常心电图的特点与正常值： p 波：由心房除极产生，正常宽度( 时间) 不超过0 1 l s ，电压( 振幅) 不 可超过2 5 m m 。 p r 间期：从p 波起点到q r s 波群起点之间的时间，代表从心房开始激 动至心室开始激动的时间。正常成年人p r 间期为0 1 2 加2 0 s ，其长短与心率 有关。 q r s 波群：对应于心室肌细胞的去极化，为心室除极产生的综合波，包括q 波、r 波和s 波。时间：0 0 6 - 0 1 0 s ；振幅：q 波小于同导联r 波的1 4 。 s t 段：代表心室除极结束后的缓慢复极阶段，为o r s 波群终点到t 波起 点的一段，一般与基线处于同一水平。 t 波：对应于心室肌细胞的复极化，为心室快速复极过程所形成的波形，正 常t 波方向与q r s 波群的主波方向一致，较平滑宽大，振幅不低于同导联r 波的1 1 0 ( i i i 、a v l 、a v f 导联除外) 。在t 波心室复极化的过程中，有一段时 期称为易损期，若除颤电击发生在这一时期，则有可能对心肌造成伤害，甚至诱 s 基于r 波f 司步的除颤器设计研究 发室颤，危及生命。 q t 间期：为心室除极与复极全程所需时间，即从q r s 波群开始到t 波 终止的时间。正常心率在0 - - - 1 0 0 次分之间时，q t 间期在0 3 4 - - 0 4 4 s 之间。 u 波：为t 波后0 0 2 - - 0 0 4 s 出现的一个小波，产生机制不明，其方向应与 t 波一致。典型心电图图形，见图2 2 。 食 图2 2 正常心电波形 正常心脏跳动是规则的，成人心率每分钟为5 0 1 0 0 次，每次心跳的间隔是 均齐的，快慢不超过0 1 2 秒。如果心跳过快过慢，每分钟小于6 0 次或大于1 0 0 次，心跳间隔不规则，忽快忽慢，心跳强弱不等，这就d q , 5 , 律失常。 引起心律失常的原因很多，如冠心病、风湿性心脏病、先天性心脏病、高血 压心脏病、心肌炎、心肌病等各种心脏病都可以引起心律失常。某些药物如洋地 黄、奎尼丁等，烟、茶、酒过量，一时性精神紧张，疲劳，体内电解质的不平衡 均可引起心律失常。 心律失常的种类很多，本课题主要研究针对房颤、房扑、室速、室颤等心律 失常。 2 2 心房颤动的电生理机制 房颤的电生理机制研究甚早。1 9 1 4 年w i n t e r b e r g 等人提出，在心房某一点 用发放单源快速冲动可以诱发房颤。但当时g a r r y 提出异议，认为单源发放的冲 动可形成心房肌的节段性颤动，但是难以解释所有心房肌均参与的房颤现象。 1 9 2 5 年l e w i s 提出环形运动学说，当用电刺激诱发心房扑动时，观察到在心房 上部、下腔静脉入口区心房肌内有环形、连续而快速的心房波，这个环形运动的 冲动称为“母环”。而在此冲动运行过程中，还不断向周围发出冲动，以激动环 基于r 波同步的除颤器设计研究 外的心房肌，称为“子环 。心房肌各部分的应激性恢复进度很不一致，形成不 规则的冲动向前传导，另外又由于心房肌不同的不应期，有的处于相对不应期， 有的处于绝对不应期( 传导阻滞区) ，：有的刚脱离不应期而能引起冲动，而激动 波前始终具有可激动的部位。这样即形成连续发生的心房激动。 l e w i s 的学说曾得到广泛的承认。但在实际中又发现如果将颤动的心房肌 分成小块，这些小块心房肌仍能保持颤动状态。另外，用乌头碱或电刺激小块心 房肌也可诱发房额。1 9 6 2 年，m o e 提出多发性子波折返的假说。他提出由一个 刺激( 冲动) 引发大量“子波，其形成是由于各部位心房肌的应激性和相对不应 期很不一致，而使心房内存在很多不同一性、局灶性小折返，因而形成房颤。以 后，s c h e f f 等又提出单源性冲动形成设想。他们将乌头碱注入离体狗心房肌的某 点时，即可诱发房额；然后再冷敷注入乌头碱部位，即可终止房颤。他们认为用 单一快而不规则频率电刺激的方法使心房肌处于不同的、经常变化的不应期、传 播途径和传导速度，即可形成持续房额。临床上可见由单个房性早搏或室速转变 为房颤者，可能与此机制有关。此外，也有人提出多源性冲动引起房颤的假说。 1 9 8 5 年，m a u r i t s a l l e s s i e 报道了用特制的适合左、右心房腔内形态的探测电极网 络，共有4 8 0 个单极记录导联，可从1 0 2 个终末电极经计算机同时记录各探查局 部心房组织的电活动。他采用经典的方法用乙酰胆硷及快速起搏诱发房额。将 房扑和房颤时心房肌束存在的不同步活动的传播过程进行标测。经标测地形图分 析结果认为：房扑时在心房某一局灶区有一个比较稳定的环行运动。可能由于在 部分环行道路中有短路，房扑频率突然加速，此时右心房的其他部分不能跟随这 一增快的频率以及在多发区城内发生了局部传导阻滞，产生了短促的多发环形 波，在这种情况下右心房的多发环形波的周期短，位于b a c h m a n n s 束的快速 的不规则的冲动即控制了心脏而形成房颤。 当停用乙酰胆硷后，房颤的环逐渐延长，细小的颤波变为粗颤。推测在 b a c h m a n n s 束中的环状运动发出的冲动达到左、右心房。一旦来自b a c h m a n n s 束的冲动停止，房颤终止，窦律恢复。 m a u r i t sa l l e s s i e 的工作对房颤机制补充了新内容。他认为房颤的机制是心 房内存在有多发的环行波( m u l t i p l ec i r c u l a t i n gw a v e l e t s ) ，而这大量的、游走的、 大小不等的环形波就像急流中的漩涡那样在心房中激动，如果我们将不应朗延长 或传导速度减慢，使环形波面积加大，房颤即有可能被终止。近年来人体心脏手 术时对房颤病人的心房标测电生理研究结果也证明了这一现象。 综上所述，对心房颤动波形产生的机理的各种研究结果实际上并无矛盾，而 是相互进行了补充。房颤的形成可能是由环行或多发性折返现象所致。心房肌各 部分对兴奋的不同反应有：不应期的不同、局部性传导阻滞的存在、兴奋传导时 基于r 波同步的除颤器设计研究 间和应激性的不同等也是房颤发生的重要条件。心律失常的基本电生理现象对解 释房颤也是适用的。 心房颤动的心电图表现为：( 1 ) p 波消失，代之以一系列快速的大小、形态、 间距不等和不规则的颤动波叫波。( 2 ) 心房颤动波的频率为3 5 0 6 0 0 次分。 ( 3 ) 心室率极不规则，这与过快的心房率不断刺激房室交界区，产生隐匿传导 有关。有时可出现过长的r r 间期，q r s 波群为室上性。( 4 ) 心房颤动时出现 固定的长周期应考虑为逸搏，后者的出现不能完全用隐匿传导解释，可能在隐匿 传导的基础上合并一定程度的房室传导阻滞。在使用洋地黄类药物时可出现此种 现象。 下面为一典型的房颤心电图： ： 雎l ，：三一：0 ：己j | ，- ，、n ，、，。 ；，q j ；。： j n ：，：j 二j ll；：七”、v 、厂、一j d ；辰； 曩 j ： 旷!j 翻 、：一喵o 弋o d _ _ - 。叫r ? 专：j? 可；v 暑? | ；! ；j ； 腿 肾 ；： r 、篡i 1 ：、口i 广一一一、 j + _ l ；_ 鬟、一1 f _ i ： i | jk 一? “ ? ? ! i 。一_ 一41 x 皇r ， _ l ， 犷一蔓：母 “ 二j ，l ，。一 ，一， u ： j 、二一 ： ：1 1 ： -j ! i ： 图2 3 典型的房颤心电图 本图为i i 、a v r 和v 1 导联同步记录。图中p 波消失，代之于大小、间 距、形态不一的f 波，r r 周期绝对不等，平均心室率为6 0 次分，q r s 波群 呈室上性，为典型的心房颤动的心电图表现。图中第7 8 次心搏r r 周期 达1 6 8 s ，仅出现1 次，尽管心室率为6 0 次分，但无相同的r r 周期，故考 虑为房室交界区的隐匿传导所致。 2 3 心室颤动的电生理机制 对室颤发生机制的研究至今已四十余年。w e g r i a 及w i g g e r s 二氏的研究( 1 8 4 0 年) 是用近代方法进行研究的起点，今天可以简单地说：心室纤颤是由一个或几 个室性早搏，或一短阵的室性心动过速，或短阵室性扑动所引起( 来) 的。这些 原因之所以能触发起心室纤颤是由于它们发生在w i g g e r s 氏所称的心室电活动的 易损期( v u l n e r a b l ep e r i o d ) ，后者相当于心电图距t 波尖峰的o 0 4 秒左右。动物 实验证明，在这个时间去刺激心室就有可能引起心室纤颤。不过不是任何刺激在 易损期都能引起心室纤颤。心室的易损期( v u l n e r a b i l i t y ) 取决于两个因素，即 基于r 波同步的除颤器设计研究 刺激的强度及其延续的时间。延续的时间不够长或强度不够强的刺激不能引起心 室纤颤，因此有一个室颤阈值( f i b r i l l a t o r yt h r e s h o l d ) 。如果刺激达到应激阈值， 但未达颤阈，则心室或者不发生反应，或者只引起室性早搏。至于一连串室性早 搏引发心室纤颤的原因，可能是先造成心室肌的不应期逐渐变为不一致，传导速 率也就不一致。这时细胞穿膜电位也有改变，不但易于使心肌自律性增强，也易 于促成激动折返。心室肌的传导速率及不应期的长短使发生心室纤颤的重要因 素，而心室各部分的穿膜动作电位又与其传导速率及不应期有密切关系。当心室 各部位的传导性及不应期有较大的变化时，从电生理学概念上说，它们就不能是 一个均匀一体的，而是不均匀的，就成为产生心室纤颤的重要基础。 从电生理学角度看，室颤的引发可以是由于心室异位点自律性增强所致，例 如室性早搏或某次室性心动过速可引起，也可以是由于激动折返而引起，当然也 可是这二者结合而引起。但不论如何，都要求有心室某些部位的传到速率及不应 期不均匀的基础才能引发。 这里必须指出，引发室颤与维持室颤的存在是两个不同的问题，它们的机制 并不必须相通。往往是心室某部分的自律性增强，出现室性早搏，乃引发心室纤 颤。但是使心室纤颤得以保持下去，则是由于有激动折返。 动物实验研究发现室颤的特点是心室肌的许多折返性波产生心脏快速而不 规则的电活动，在体表心电图呈现心室波群是多形的。室性心动过速可以自然演 变为心室现场，其方式也是现有心事率增快，然后局部出现纤颤( 左室或者右室 某部位) ，最后各部位都示出纤颤波；心电图也变为紊乱无章，与用心室电刺激 引起心室纤颤的过程很相似。 心室颤动时心肌只有杂乱的电活动，没有协调匀齐的收缩，心电图见混乱的 波动，形状、振幅均不规则，频率在1 5 0 - 5 0 0 次分，此时血液循环停止。 基于r 波同步的除颤器设计研究 ，- 0 0 0 似 一广| 一一j 一 j 一一一一一一一4 一一一一一一一一，i l1 1 。i ，i ，i 0 0 一一4 j 一一 一一刖一一一一j 一一一一一j ll i 1 ，0 1 ，0 0 i u j 一一一 一一，一诎一一一一一一一一一一一4 一一j _ 1 _ i ， 一j 一一一， 乞l 叫 m 州 制卅小1 m 小即舳叫 i i i 阳州p j q 呐m 触扣w 即咿 _ 坼一 懈v 啼、一 v 咖小n 似v n 叩 啼扣 ，帕n 产 1 ，脚产一、胁州峨竹，_ 矿蚺，、 n p 峨 1 飞m i 图2 4 室颤心电图 2 4 电击除颤的机理 几十年来，科学家不断地研究电击除颤的机制，然而到目前为止除颤的机制 还不十分明确。 1 9 4 0 年w i g g e r s 提出如果要终止室颤必须使所有激动的心室肌组织都同时除 极，如果除颤失败必然存在没有被电击终止的激动。1 9 6 8 年d u d e l 发现用电击成 功除颤的数秒钟到数分钟的时间内没有心电信号，因此提出成功除颤的机制使所 用的电流必须足够强大，以致可以在数秒钟的时间内使心肌细胞处于不应状态， 即所谓的“延长除级假说 。但是后来有研究者发现在除颤后1 s 之内心脏就可以 有激动出现，因而这一假说被否定。上世纪7 0 年代中期，人们发现经静脉导管用 低能量除颤可以成功终止室颤，表明电击只要终止一部分心室肌的电活动就可以 成功除颤。1 9 7 5 年，z i p e s 等进一步证明了这一学说，提出成功的除颤不需要终 止整个心脏的电活动，只需要终止临界值应该大于9 0 。自从应用多导联心脏标 测系统以来，人们对除颤的机制有了进一步的了解。c h e n 和s h i b a t a 等发现无论 除颤成功和失败的患者，除颤后的激动模式和除颤前是不相同的。由此提出了上 限易损期( u p p e rl i m i to f v u l n e r a b i l i t y , u l v ) 假说。这一假说提出为了能成功除颤， 电击对心室的影响必须具备以下两个条件：电击必须能够在放电的瞬间终止所有 的心室激动；电击能量必须超过心肌上限易损期的能量，才不会在易损期诱发新 的室颤。众所周知对于可激动细胞，强的刺激可以延长细胞的不应期。研究发现 摹于r 波同步的除颤器设计研究 成功除颤与不成功除颤相比心室肌不应期延长的更多，由此提出除颤的基本机制 是造成心室肌不应期延长。这一假说提出要成功除颤需要有适宜的电击能量来产 生合适的电位梯度，适当的延长心室的不应期。 但是无论何种学说，电击除颤主要是除颤器瞬间释放的高压电流在短时间内 通过心脏的大部分或全部心肌从而终止心室肌的激动，使窦房结心律重新主导心 脏节律。心脏除颤器又称电复律器，它是一种应用电击来抢救和治疗心律失常的 医疗设备。其产生较强的、能量可控的脉冲电流作用于心脏来消除某些心律紊乱， 使之恢复为窦性心律。这种治疗心律失常的方法称为电击除颤或电复律术。其电 生理基础是由于存在多源性异位兴奋灶或心肌各部分的活动相位不一致，由于兴 奋的折返循环而使心律失常呈持续状态，电击的目的是强迫心脏在瞬间几乎全部 处于除极状态，造成瞬间停搏，使心肌各部分活动相位一致，这样就有可能让自 律性最高的窦房结重新起搏心脏，控制心搏，转复为窦性心律。电击复律时间短 暂，疗效确切，副作用小，适用于室颤、室性心动过速、心房的扑动和颤动。到 目前为止，电除颤被认为是终止室颤( 心搏骤停最主要的原因) 最迅速、有效的 方法。 除颤按是否与r 波同步，分为同步除颤( s y n c h r o n i z e dd e f i b r i l l a t i o n ) ，又称同 步转复( s y n c h r o n i z e dc a r d i o v e r s i o n ) 和非同步除颤( n o n s y n c h r o n i z e d d e f i b r i l l a t i o n ) ，一般的除颤器同时支持同步、非同步两种除颤模式。同步除颤在 除颤时与患者自身的r 波同步，它利用人体心电信号r 波控制电流脉冲的发放， 使电击脉冲刚好落在r 波下降支，避开心动易损期，以免引起心室纤颤。 r 波同步除颤主要用于处理由于折返、心房颤动和房扑等引起的室上性心动 过速。其通过阻断折返通路而终止心律失常。在处理不稳定的单形v t 时也推荐 使用心脏同步复律。 电除颤可按除颤电极放置的位置分为体内除颤和体外除颤。将除颤电极放置 在胸内直接接触胸肌进行除颤，体内所需除颤能量较小，一般不超过5 0 j ：。体外 除颤是将电极放于胸部体表进行除颤。现今外部除颤器可以通过更换不同除颤电 极开展这两种除颤。外部除颤器按自动与否，又分为自动式和非自动式。自动体 外除颤器( a u t o m a t e de x t e r n a ld e f i b r i l l a t i o n ，a e d ) 与通常使用的除颤器之间的主 要区别在于：a e d 具有心律分析能力，操作者在发出电击之前，无需人工分析 心律。 2 5 影响除颤效果的因素 除颤的效果受到多种因素的影响，主要有患者因素和操作因素。 患者因素包括电击除颤前心室颤动持续时间、患者原发心脏疾病、酸碱平衡、 基于r 波同步的除颤器设计研究 缺氧情况、身材体重以及是否应用了抗心律失常药物。 操作因素主要包括从房颤、室颤发生到电击除颤的时间间隔、除颤波形、电 极位置、胸廓阻抗等影响。 2 5 1 除颤时间的影响 1 9 9 2 年美国心脏协会( a h a ) 提出生存链的概念，指出抢救心脏骤停四个紧密 相连的具体环节( 如图2 5 ) ：早期报警；早期心肺复苏( c a r d i o p u l m o n a r y r e s u s c i t a t i o n ，c p r ) ；早期除颤；早期高级生命支持。 图2 5 生存链 四个环节中最重要的一环是早期电除颤。2 0 0 0 年a h a 发布心肺复苏指南， 进一步强调了1 9 9 2 年提出的早除颤的建议，要求对于心脏骤停的患者立即进行电 击除颤。2 0 0 5 年1 2 月，a h a 最新发布的心肺复苏指南强调了c p r 和除颤器联合应 用的重要性，提出在1 次电击除颤后给予c p r 可以提高再次电击成功的可能性。 早期除颤对于挽救心脏骤停( s c a ) 患者至关重要，其原因如下：s c a 最常 见和最初发生的心律失常是心室颤动( v f ) ；电击除颤是终止v f 最有效的方法； 随着时间的推移，除颤成功率随着时间每分钟下降7 1 0 ，1 2 分钟后存活率 下降到5 以下( 见图2 6 ) ，5 分钟之后，即使病人被抢救回来，也留有某些后遗 症；短时间v f i i i 可恶化并导致心脏骤停。 基于r 波同步的除颤器设计研究 图2 6 除颤时间与成功率之间关系 2 5 2 除颤波形及除颤能量的影响 全自动除颤器的基本原理基于其具备自动心脏节律分析系统和电击咨询系 统，并自动充电后由操作者按下电击按钮，即可行电除颤。现代的除颤器均是以 “除颤波 释放能量或电流。除颤器种类和波形不同，能量水平亦不相同。为达 到早期除颤目标，能否快速而便捷地使用除颤器极为重要，这就要求对其进行不断 的技术革新，其中除颤波形技术是决定因素之一。目前应用的除颤波主要有两类， 即单相波和双相波( 图2 7 ) ，而除颤波形的有效性取决于能否在达到理想除颤效果 的基础上尽可能降低a e d 的能量要求。 1 单相波形电除颤 传统除颤器使用的是单相波除颤，其能量呈可递增方式，其脉冲形式是以单方 向释放电流，由一个或多个电容的自然放电曲线产生并持续至病人产生阻抗。根 据波形回落至0 伏点速度的不同，将单相波进一步分为两个类型：如果单相波逐渐 降至o 伏点时，称之为单向正弦衰减( m d s ) 波；如果单相波即刻回落，则称之为单 向指数截断( m t e ) 波。这样的脉冲形式决定了单向波形电除颤存在着一个根本 性的缺点，如果病人经胸电阻抗低，那么存储电容就会快而深入地放电，从而使病 人体内流过的电流和进入的能量非常高，极易造成心脏损害。传统推荐首次单相 波除颤电击能量2 0 0j ，第2 次2 0 0 - - - 3 0 0j ，第3 次3 6 0j 。这种逐步递增电能的除 颤方案可以在减少电击损伤的同时增加除颤成功率。 2双相波形电除颤 双相波除颤是新近除颤器发展的主要趋势，并已显示了其市场前景和临床应 用价值，尤其是双相波形a e d 更是逐步广泛地用于院内、外室颤的抢救。双相波 形除颤脉冲是由一个电流调节的脉冲输出极产生，其特点为电流方向在一个特定 的时限是正向的，而在剩余的数毫秒内其电流方向改变为负向，常用的双相指数截 断( b t e ) 波形能够实现阻抗补偿( i c ) 。因此，双相波形电除颤的最大优点在于， 基于r 波同步的除颤器设计研究 在整个除颤脉冲期间病人体内的电流强度被精确地保持着，不受病人经胸电阻抗 大小的影响。1 9 9 6 年第一台双相波a e d ( f o r e r u n n e r ( t m ) ，h e a r ts t r e a m c o r p o r a t i o n ) 在美国获准应用于临床，此后制造商不断生产出各种类型的双相波 a e d 并广泛地应用于实验和临床研究。在大量研究结果的基础上，国际心肺复 苏和心血管急救指南2 0 0 0 明确建议双相波a e d 的除颤能量选择2 0 0 j 以下，这 样的电能选择既是安全的，又能保证与逐步递增的高能量单相波除颤相同或较之 更高的除颤效率，对心肌的损伤比较轻微。 图2 7除颤波形示意图 a ：正弦衰减单相波形b ：指数截断双相波形 c l a r k 等研究了双相和单相指数截尾波用于经胸廓除颤时的能量与除颤成功 率之间的关系，结果如图2 8 所示。可以看出，在输出能量低于2 0 0 j 的情况下， 双相波的除颤成功率明显高于单相波，输出能量为l o o j 的双相波的除颤成功率已 经超过输出能量为2 0 0 j 的单相波。 1 0 0 8 0 零 褂6 0 霄 蓄柏 鳇 2 0 0 7 01 0 0 2 0 03 0 0 3 6 0 能量设定( j ) 双相和单相指数截尾波用于经胸廓除颤时的成功率比较 基于r 波同步的除颤器设计研究 f a d d y 等的研究也证实了这一点。他们认为：双相波的除颤效果优于单相波。 双相波的除颤阑值较单相波的除颤闺值为低，这样可在保证除颤成功率的情况下 使用较低的除颤能量，以减少心肌受损的可能性。 j o n e s 等总结了双相除颤波能够改善除颤效果的主要机制。他们认为，无论 是单相波还是双相波，过低的能量均不能达到除颤的目的，而足够的能量( 如3 0 0 j 以上) 均可以有效除颤。所以，双相波仅在一定的能量“窗”内提高除颤效率。 双相波提高除颤效率的机制主要是在相对于单相波而言较低的除颤强度下，有效 延长心肌动作电位的时程，从而以较低的电击强度降低心肌不应期的离散度，恢 复心脏电活动的正常节律。如图2 9 所示，在刺激强度较小的情况下，单相波的 作用结果并未改变动作电位的时程，如图a 而同样强度和宽度的双相波的作用结 果则有效地延长了动作电位的时程，如图b 。实验显示，双相波中的第一个脉冲 可使细胞膜产生超极化或复极化，使得细胞膜上具有时间和电压依从性的钠离子 通道恢复活性，提高了细胞膜对双相波中的第二个反相脉冲的响应能力，在第二 个反相脉冲的作用下，细胞膜发生去极化，从而有效延长了细胞对其他兴奋响应 的不应期。综上所述，尽管影响除颤成功率的因素很多，实际操作中无法确定 真正意义上的除颤阑值。但临床统计结果和实验数据均显示，双相波的除颤效率 高于同等能量的单相波，也即在达到相同的除颤成功率的前提下，双相波使用的 能量较小，因而对心肌造成的损伤也较小。 矿1 o y ( 丑) l b ) 图2 9 用单相波和双相波电击后对动作电位时程的影响 基于r 波同步的除颤器设计研究 2 5 3 电极位置的影响 k a r l s s o 等研究了经胸廓( 体外) 除颤时，除颤电极安放的位置及极性对除颤成 功率的影响。在他们的实验中，除颤电极的安放位置分别为胸骨和相应的脊椎骨 ( s t e r n a l v e r t e b r a l ) ，顶端胸骨和右侧胸骨( a p e x r i g h t pa r a s t e m a l ) 。共完成了1 0 例 动物实验，实验结果为除颤电极位置及极性的变化不会影响除颤的成功率。这可 能是因为人体是一个结构复杂的容积导体，各组织、器官的导电性能呈各向异性。 体外除颤时，除颤电流在人体上分布极为复杂，由于胸廓及胸腔内其他组织、器 吉的作用，由除颤电极的位置和极性的变化对心脏所造成的影响已经很难在除颤 成功率这样比较宏观的指标上反映出来了。 体内除颤的情况就有所不同，g o l d 等研究了经静脉除颤的理想导联系统，收 集了2 1 例相关患者的数据。含有两个电极圈的电极导管经静脉插人右室，导管末 梢处的电极置于右室的顶端，作为负极。这样，包括置于左胸的除颤器外壳，构 成三种形式的除颤导联( 图2 1 0 ) ：导管末梢电极与导管另一电极之间；导管 末梢电极与除颤器外壳之间；将导管另一电极和除颤器外壳相连后作为j 下极与 导管末梢电极之间。 实验结果显示：与方式相比方式可将除颤a 值降低5 0 ；与方式相比， 方式可将除颤阈值降低2 3 。由图可以看出，除颤时方式的除颤电流所覆盖 的心肌面积较大，相对方式、方式而言，各处心肌均可获得一定的除颤能量。 因此，能较明显地降低除颤阈值。 方式 方式 方式 图2 1 0 经静脉除颤时导联构成的几种方式 w i n t e r 等做了类似的研究，收集了1 9 0 例相关患者的数据。他们使用的除颤 导联同图4 中的方式；同时，通过调整导管末梢电极在右室的位置，将除颤阈 值降低到1 5 j 以内。 所以，应该从两个方面考虑电极安放位置对除颤能量的影响：除颤电极与 组织的接触情况。特别是在体内除颤时，由于除颤电极的面积较小，并且心脏并 一 基于r 波同步的除颤器设计研究 不是静止不动的，有时较难保证电极与心肌的良好接触。除颤电极安放的位置 应该使得流过心肌的电流密度分布尽量均匀，以保证各处心肌都能获得足够的除 颤能量。 2 5 4 经胸阻抗的影响 在除颤过程中，经过心脏的电流只占经胸电流的4 ，其余主要经胸壁和肺 消散。成人的经胸阻抗平均为7 0 一i o o q ，而胸壁阻抗又受多种因素的影响比如 电极的大小、位置、与皮肤接触的紧密程度、已经除颤的次数和每次除颤的间隔 时间、肺内通气相、操作者施加于电极板的压力等等。用力加压可以使经胸阻抗 减少2 5 ，适当使用导电液和适当的电极位置能使阻抗减少6 0 以上。在本研究 中，我们专门设计了阻抗检测模块以便检查电极的连接情况、根据阻抗及放电能 量自动调整放电电压并且对于不同的心律失常医生可根据能量选择电击的能量 级别。 2 5 5 患者身材、体重的影响 在用较低能量进行经胸廓的体外除颤时，体重与除颤成功率之间关系密切； 而在进行高能量的经胸廓体外除颤时，体重对除颤成功率的影响不明显。 体外低能量除颤中，体重对除颤效果影响显著的机制可能在于：体重的增加， 造成胸廓阻抗增加，使得经过心脏的除颤电流密度明显减小，有些心肌细胞不能 得到足够的除颤能量，降低了除颤成功率；而在除颤能量较大的情况下，即使 由于体重的增加有更多的除颤能量损耗在胸廓上，各处心肌细胞仍然能够得 到足够的除颤能量，以至于对除颤成功率的影响不明显。 图3 1p h i l i p s 公司的h e a r t s t a r to n s i t ea e d p h i l i p s 公司的h e a r t s t a r to n s i t ea e d ( 如图3 1 ) ：该产品除颤波形是双相指 数截尾波，并根据阻抗调整参数；能量采用单一能量输出( 成人标准值：在5 0 欧姆负载上为1 5 0 焦耳，儿童标准值：在5 0 欧姆负载上为5 0 焦耳) ；充电时间 小于1 0 秒，一次电击到下次电击的循环时间小于2 0 秒；大小：高7 c m x 宽2 1 c m x 深1 9 c m ，重量：1 5 k g ( 带电池) ，l k g ( 不带电池) 。 图3 2m e d t r o n i cl i f e p a k - c rp l u s 型a e d 基于r 波同步的除颤器设计研究 m e d t r o n i cl i f e p a k - c rp l u s 型a e d ( 如图3 2 ) ：除颤波形为双相指数截 尾波，电压以及电流持续时间可根据病人阻抗进行补偿；输出能量序列为多种等 级，从2 0 0 j 到3 6 0 j 用户可以自行设置( 美国以为最低可达1 5 0 j ) ；充电时间： 充至2 0 0 j 小于9 秒，充至3 6 0 j 小于1 5 秒；大小：高1 0 7 c m 宽度2 0 3 c m x 深度 2 4 1 c m ；重量：2 0 k g ，带电极片和充电棒。 图3 3 美国z o l l a e d 美国z o l l a e d ( 图3 3 ) ：世界首创、自动指导心肺复苏步骤的全自动除颤 器。波形：双相指数截尾波，根据病人阻抗调整波形参数；能量：单一能量输出； 能量选择：自动预选( 1 2 0 j ，1 5 0 j ，2 0 0 j ) ；标称值：在5 0 欧姆负载上为1 5 0 焦 耳；充电时间：小于1 0 秒；大小：高1 3 3 c m 宽2 4 1 c m x 深2 9 2 锄；重量( 带电 池) ：3 1 k g 。 3 2 本研究的主要内容及创新之处 如前所述，除颤器波形分为单相波和双相波两种。在指定的电击能量下，与 双相波相比，体内单相除颤波形造成的除颤后心功能损伤要多1 4 。用单相波形 时，波形持续时间越长，心功能损伤越大。与单相内除颤波形相比，双相内除颤 波形对电压和能量的要求更低，室颤时间增加时，后者的性能更好。在指定的电 击能量下，内置双相波形与单相波形相比，病人的心动停止时间更短。综合各种 因素，我们采用目前普遍采用的双相指数截尾波。 本课题是在继承实验室前人工作的基础上对除颤器做一些改进，主要包括： 1 增加了r 波同步除颤功能，使除颤器可以应用在由于心房颤动、房扑 等引起的室上性心动过速以及室速，由于本设计通过硬件电路实现，从而满 足了除颤的实时性要求。 基于r 波同步的除颤器设计研究 2 增加了阻抗检测功能，系统可以根据测得阻抗自动调整放电电压，以保 证在放电阻抗不同时，放电能量维持恒定。同时双相指数截尾波的正负相电 压持续时间可以调节。当测得阻抗过高或过低时，系统会认为电极接触不良 或者存在短路而不予放电进行报警。 3 充放电回路采用反击式，效率更高，充电时间更短。 3 3 系统的硬件设计 基于以上各方面的设计目标，系统的总体框图如图3 4 所示： 图3 4 系统框图 当m c u 控制单元收到充电命令时，高压充电电路进行充电并通过高压检测 电路不断检测充电电压直至达到预定值。接收到取消放电指令时，控制单元命令 自放电回路将储能电容的电压进行放电。接收到电击指令时，系统会根据放电波 形和阻抗检测检测到的阻抗自动调整放电电压，通过i g b t 驱动电路使主放电桥 路通过心脏放电。系统可以根据操作人员设定的放电方式进行r 波同步或异步 放电。 系统顶层原理图如图3 5 所示： 基于r 波同步的除颤器设计研究 图3 5 系统顶层原理图 3 3 1 心电信号的采集及r 波检测模块 在心电信号的分析中，最为首要且关键问题就是q r s 波群的检测。这是因 为可靠的q r s 波群检测，不仅是诊断心律失常的重要依据，而且只有在确定 q r s 波群后，才有可能计算心率、心率变异性，并进一步地检测和分析心电的其 它细节信息。同时r 波同步除颤可用于持续性房颤等复杂心律失常的治疗。终止 房