手机心电图机的研究进展

2021-06-17 13:33贾孟哲毕讯闫庆峰
中国医疗设备 2021年5期
关键词:心电导联心电图

贾孟哲,毕讯,闫庆峰

海南医学院第一附属医院 a.普通外科;b.心脏外科,海南 海口 570102

引言

随着人们衣食住行水平的提高,高盐、高糖、高脂饮食及工作生活压力使心血管病发病率与死亡率迅速攀升。《中国心血管病报告2018》指出,我国约2.9亿人患心血管病,死亡率为各种疾病首位[1]。心血管疾病已成为威胁构建人类卫生健康共同体的危险因素之一[2],也是全球医学界的难题。心电图机是对心血管疾病早期筛查与检测的有效手段[3],对降低心血管疾病的死亡率有重要价值。医院普遍使用的是常规心电图机和Holter心电图机,这两种心电设备发展成熟,但存在的问题也愈加明显。常规心电图机体积大、携带困难,仍然采取导线连接,其探头需要涂电导液,操作过程复杂,很难实现对心血管疾病突发患者的及时检测,而且在此过程中患者处于被动地位,只能等医生做心电图,这样有可能延误抢救时机,导致患者死亡率的增加。Holter监护仪只能做到连续监测1~2 d,原因是凝胶湿电极不适合长期与皮肤接触,容易引起皮肤红肿等过敏反应,电极片易皱、易脱落,各种导线缠在身上,非常不便。再加上近期新型冠状病毒肺炎疫情已在全世界蔓延[4],新冠肺炎也会造成患者的心脏损伤,方舱医院的隔离患者也需要一种新型的便携式心电图机。

近年来,随着智能手机普及和人工智能(Artificial Intelligence,AI)的发展[5],手机心电图机受到广泛关注。它利用AI技术预测疾病风险并协助临床诊断,提高诊断效率[6-7]。其中深度学习技术提高了心电监测水平[8]。它的长程连续监测也对构建心脏疾病的预警模型提供了帮助[9]。若手机心电图机能像体温计一样走进千家万户,那么就能解决医疗资源如医用心电图机不能解决的问题[10]。此外,手机心电图机的隔离功能对居家隔离、传染病院及方舱医院的监护有重大意义。

1 手机心电图机

1.1 基本概念

便携式手机心电图机是一种面向大众,预防和诊断心脏疾病的重要仪器, 它具有便携式、傻瓜式操作等特点,能够及时对ECG信号进行采集、存储、处理、人工智能分析、上传和下载[11-12]。

典型的手机心电图机的工作原理如图1所示,病人户外或家中发病时,及时拿出手机心电图机检测心电,然后上传云端进行AI初步诊断,再由后台专家再次诊断。若诊断心脏疾病,后台系统自动向急救中心报警,急救中心可及时收到诊断,缩短了病人的抢救时间。用户、手机心电图机、医院、医生,形成良好的四方交互,还可进一步建立个体化心电云端数据库,实现疾病的筛查、早期诊断及动态跟踪管理[13-14]。

图1 手机心电图机的治疗流程

1.2 发展历程

1902年,荷兰生理学家Einthoven发明了弦线电流计,并用它记录到清晰的心电波形,又在1908年将其改进为弦线式心电图机,Einthoven也因为对心电图学的开创性工作于1924年被授予诺贝尔生理学和医学奖[15-16],从此Einthoven被称为“心电图之父”。这是第一代心电图机。

随着人们对心脏疾病的认识,有些疾病须要连续长程检测心电。美国生物物理学家Holter在1961年发明出一种便携式心电监测装置,它可以记录长达数十小时的心电数据,这使在院外记录心电图成为了可能[17-18]。第二代心电图机就此诞生。

进入21世纪,基于智能手机与互联网的普及,科学家开始研制手机心电图机[19]。2013年,中国赫米兹(Humeds)公司研发了CARDEA-3手机心电图机。它通过了国际SIQ认证、中国CMA检验,融合了三导联、干电极、无线传输、云系统、人工智能AI等技术,实现了连续150 h的长程监测,相较于一二代心电图机,手机心电图机的优势更加明显[20]。心电图机大致经历了以上3代变化,详见图2。表1为3代心电设备典型特征对比。

图2 心电发展中3代典型设备

表1 3代心电设备典型特征对比

2 核心技术

2.1 无线性

如图3所示,目前国内外大多数心电图机仍然是导线连接,探头需涂导电液,不是无线心电图机[21]。我们的Humeds手机心电图机运用无线传输方式,操作便捷,适用范围广,可在任何时候,任何环境包括没有GPRS信号及Wi-Fi网络的情况下记录心电图,满足了国内外个人、家庭、社区、医院的需求。

图3 需要导电胶、导电液

2.2 干电极

电极是心电图机的一种重要元件。目前临床上常用Ag/AgCl湿电极,需涂导电胶与皮肤接触,可暂时获取稳定的信号波形[22]。但是导电胶使用数小时后会风干凝固,易脱落;另外,导电胶与皮肤较长时间的接触,可能引起皮肤过敏。此外,若患者急救时,涂抹导电胶浪费的时间会大大增加患者的死亡率。因此,传统的湿性电极并不是最优选择。

Humeds团队根据圆盘电极、纽扣电极、干电极的特点,发明了肢体电极、胸导联电极集一身的具有特色的心电图检测用氧化银干电极。用ABS塑料塑性圆盘纽扣电极,电镀氧化银,克服了成本高和耐磨性差的缺点,详见图4。这种干电极利用了固态技术,将放大器与电极组合,使用时无需导电膏且波形稳定。

图4 氧化银干电极

图5是干、湿电极对应的电极-皮肤等效电路模型[23]。两者等效模型的主要不同点在于电极和表皮之间的介质:湿性电极为导电膏凝胶,而干性电极则为空气间隙。对于湿性电极,凝胶在一定时间之内未风干前保持恒定阻值R1;对于干性电极,空气间隙可以等同于接触阻抗R1与接触电容Ct的并联。因此,干电极的接触阻抗一般更大。

图5 干电极与湿电极等效电路模型的对比

2.3 技术指标

图6是Humeds手机心电图机的实拍图。它的通道数是3个,机身有四个氧化银干电极,使用时将之放在心窝正中,四个电极与皮肤紧贴;它能够响应和显示幅度峰值为6 mV、变化率为125 mV/min的差分信号;手机心电图机的耐极化电压为±300 mV;对于10 Hz正弦波信号,它的输入阻抗大于10 MΩ;灵敏度误差为±5%;定标电压是1 mV±5%;在1~40 Hz,≤±3 dB的频率可响应;共模抑制比大于60 db;心率检测范围是30~240 bpm;心率分辨率为1 bpm;心率检测精度:±2 bpm或±2%(两者取大值)。

图6 Humeds手机心电图机

2.4 心电导联

心电导联是指采集心电信号时电极在体表放置的部位及电极与设备的连接线路。临床常用的标准12导联心电包括3个双极肢体导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,3个单极加压肢体导联aVL、aVR、aVF和6个单极胸导联V1~V6[24]。不同导联功能不同,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联适用于诊断左前分支传导阻滞等心律失常;Ⅱ、Ⅲ、aVF导联适合探测非特异性ST、T段的改变,对心绞痛、冠心病等判断具有一定价值[25];aVR导联可判断窦性心律、心室肥大、阵发性室上性心动过速、室性心动过速等[26]。目前常见的手机心电图机主要有单导联、三导联和十二导联系统。Humeds手机心电图机是单次三导联,比单导联设备获得的信息更为丰富,比十二导联设备更加便捷,可分析大部分的心律失常。它可分别测量V1~V9导联和肢体导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,测量比较全面,可以完成心脏的三维立体定位,诊断简单明了。

2.5 传输与储存

手机心电图机的通讯接口有多种,一般分成有线传输和无线传输两类。有线传输是相对老旧的传输方法,较为繁琐,现在几乎不使用[27]。

无线传输可分为两类:短距离无线传输与长距离无线传输。短距离无线传输以前是通过调频发射电路将信号发至接收端。接收端再通过互联网把ECG数据上传给医院。远距离无线传输是通过GPRS及4G、5G无线通信模块把ECG数据传输给医院[28]。

随着科技与网络的飞速发展,手机心电图机的蓝牙、GPRS网络、Wi-Fi传输已成为时代的主流。Humeds手机心电图机的传输方式也紧随时代的潮流。它的监护系统由手机终端、医院监护中心服务器和人工智能平台支持三部分组成[29]。手机端的数据通过GPRS或Wi-Fi传输AI平台进行初步诊断,有心脏疾病预兆的还会向医院服务器发送预警及心电图,院内医生即可接诊及开立医嘱[30]。

储存方面,手机心电图的储存方式已逐渐从储存卡过渡为云端储存。Humeds团队成功研制出了无限容量云端心电图数据库,使用Humeds手机心电图机时,除了可在手机APP中储存500条心电记录之外,还可将心电图上传到云端,且没有长度和条数的限制,可以随时上传、下载、分享,实现了疾病的筛查、早期诊断、动态跟踪管理及宏观调控,是使用者一生的守护,也是未来社区健康管理的坚实基础。

2.6 AI

随着近些年人工智能的大力发展,手机心电图机的AI智能诊断及on-chip端的数据实时处理已成为当下发展的趋势[31-32]。Humeds团队制作的AI诊断系统可应用MIT-BIH心电数据库和深度学习人工智能技术迅速自动分析诊断出心律失常等数十种心脏疾病信息。如今,Humeds手机心电图机已经利用AI系统进行房颤二分类(房颤,非房颤)诊断,通过MIT-BIH Atrial Fibrillation Database数据库以及小波变换+卷积神经网络算法,平均准确率已经高达99%。对于房颤四分类[正常,房颤,其他疾病(非房颤),噪声],AI诊断的平均准确率现在还在评估中[33]。表2对国内外目前便携式心电图机的技术情况做了比较,这些设备在AI诊断方面还存在很多本质的差异。

表2 国内外便携式心电图机对比

3 手机心电图机与心脏急救的联系

3.1 心脏急救应用

心脏病发病具有突发性和易过性特点。心脏病患者(尤其是早期)发病时常常不在医院,记录不到当时的心电图,从而难以检测出病因[34]。因此一部可随身携带、随时检测的手机心电图机,会对心脏病人的急救提供很大的帮助。比如Humeds手机心电图机,它开机且连接手机蓝牙需要5 s,放在测量位置需要1 s,发病6 s就可测心电图,这对患者的急救相当重要,甚至因为这几秒钟就可以挽救患者的生命。它的长程监测可长达150 h,对患者心脏疾病的预防也是一个保障。手机心电图机适合院外、社区、家庭、个人急救使用,若它能像温度计一样普及到千家万户,那么心脏病的抢救成功率将会大大提高[35]。

如今,人们的工作压力增加、饮食不规律、缺乏运动,很容易诱发心脏疾病,如心律失常、房颤、心梗等。如果在院外发病,人们很容易忽视心脏病的前兆症状,久而久之,心脏疾病最终会爆发。如果能给每个家庭普及一台便携式手机心电图机,让人们出现症状时及时给自己进行一次心电图筛查,那么心脏病的早期诊断率将会明显增高,死亡率会随之降低。

3.2 传染病隔离应用

2019年12月以来,我国新冠肺炎疫情爆发,严重威胁广大人民生命安全和身体健康[36-37],新冠肺炎疑似病例及确诊病例需要隔离观察。其中轻症患者常因气促、发热、心悸等症状需要及时鉴别心脏疾病,医护人员推着笨重的传统心电图机来回穿梭,非常不便。Humeds手机心电图机解决了新冠肺炎病人心电监护的难题,它操作方便,经过培训的成人患者可自我检查,非常适合隔离状态下使用。每位隔离患者一人一机,自测后上传信息,由医生进行结果判读、诊断,避免接触性感染。心内科医生甚至可以在家利用手机或电脑帮助监护诊断,不用去隔离现场就可完成,是隔离型心电监护的上乘之策。手机心电图机是建立方舱医院、传染病院的理想设备及平台。新冠肺炎的心脏监护,需要发动群众,群策群力,利用先进的科学技术阻断传播途径,即使以后又有新的传染病,手机心电图机依然可完成隔离式监护,为今后的传染病防治工作以及习近平总书记提倡的人类卫生健康共同体奠定了基础。

4 总结与展望

手机心电图机研发的不断进步与完善,是中国心血管疾病患者的最大福音。尤其是在农村基层,医疗设备严重缺乏的地方,手机心电图机的普及能很大程度上改善我国心血管疾病死亡率逐年增高的状况,为广大人民提供了健康保障。Humeds手机心电图机已解决了干电极、5G无线传输、无限容量云端储存、人工智能AI实时分析、远程专家世界会诊以及重大传染病疫情隔离式监护等问题。欧美等发达国家已经建立了主要针对西方人类的心电数据库,例如MIT-BIH数据库等,而我国心电数据库的研究起步相对较晚,尽管有研究机构、学者尝试过建立心电数据库,但大多是小样本数据,缺少严谨的科学设计以及广泛的样本代表性,导致我国手机心电图机仍然在使用西方人的数据库。研究建立开源、标准的适用于中国人群的便携式手机心电数据库,对于手机心电图机的临床应用及普及有着十分重要的意义。此外,在未来,手机心电图机有望将血氧饱和度、体温、血糖、呼吸和血压等参数也囊括进来,成为家用多功能手机监护仪。随着手机心电图机的作用愈发重要,它将为构建精准的人工智能医疗模式做出巨大贡献,也为共同构建人类卫生健康共同体打下坚实的基础。

猜你喜欢
心电导联心电图
动态心电图与常规心电图诊断冠心病的应用
回旋支闭塞引起孤立Ⅰ、aVL导联ST段抬高型心肌梗死2例并文献复习
心电向量图诊断高血压病左心室异常的临床应用
心电图机检定方法分析及简化
《思考心电图之176》
心电图预测急性下壁心肌梗死罪犯血管及预后的价值
12导联动态心电图与其他导联心电图的比较与应用
基于非接触式电极的心电监测系统
穿戴式心电:发展历程、核心技术与未来挑战
更正启事