室顫波形分析用于預(yù)測除顫結(jié)果的優(yōu)化方法研究.pdf

1、心臟驟停是指在未能預(yù)計(jì)的情況下心臟突然停止搏動(dòng)，從而導(dǎo)致有效的心臟射血功能的突然終止，引起重要器官（如腦）嚴(yán)重的缺血、缺氧，如不及時(shí)搶救將導(dǎo)致生命終止。80％以上的心臟驟停發(fā)生在院外，它是全世界范圍內(nèi)引起患者死亡的主要原因之一。每年美國和加拿大兩國因此喪生的人數(shù)均超過30萬。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示中國每年死于心臟驟停的總?cè)藬?shù)達(dá)55.4萬之多。為了提高心臟驟?；颊叩拇婊盥?，各國科學(xué)家和醫(yī)務(wù)人員都做出了極大的努力，但是結(jié)果仍然令人失望。據(jù)報(bào)道，歐洲心

2、臟驟?；颊叽婊盥始s為10％-20％，美國約為8-12％，而中國僅為2％。
　　針對(duì)心臟驟停的患者，目前主要是通過心肺復(fù)蘇(Cardiopulmonary Resuscitation，CPR)進(jìn)行救治。CPR是針對(duì)心臟驟停而采取的一系列救治措施，以建立有效的血液循環(huán)，提高心輸出量，保護(hù)心腦等重要器官。盡早CPR和盡早除顫是院外心臟驟停(Out of Hospital Cardiac Arrest，OHCA)患者急救中非常關(guān)鍵的兩個(gè)步

3、驟，對(duì)于患者的自主循環(huán)恢復(fù)(Restoration of Spontaneous Circulation，ROSC)以及患者的搶救成功起著至關(guān)重要的作用。有研究報(bào)道指出，如果進(jìn)行了胸外按壓的干預(yù)，從患者發(fā)生室顫(Ventricular Fibrillation，VF)開始計(jì)算，除顫時(shí)間每延遲一分鐘，成功率將降低3-4％;而在沒有進(jìn)行胸外按壓的情況下，每延遲一分鐘，成功率就將降低7-10％。
　　隨著體外除顫儀的廣泛應(yīng)用，早期除顫對(duì)

4、于搶救VF患者的重要性已被廣泛熟知。然而，新的證據(jù)表明，并非所有VF患者都可以從相同的治療方式中受益。對(duì)動(dòng)物和心臟驟停的研究都表明，VF發(fā)生后的3分鐘內(nèi)立即除顫通常會(huì)引起ROSC。然而，當(dāng)VF持續(xù)時(shí)間超過4-5分鐘而未得到治療時(shí)，在除顫前進(jìn)行胸外按壓可以提高心臟組織電活動(dòng)和脈搏恢復(fù)的可能性。不必要的電擊不僅減少胸外按壓時(shí)間，還可能導(dǎo)致VF惡化為心室靜止(Asystole)或無脈性電活動(dòng)(Pulseless Electrical Acti

5、vity)，這使得CPR更加困難。另一方面，重復(fù)無效的高能量除顫將會(huì)導(dǎo)致心肌受損，使得生存幾率降低。由于上述原因，獲得關(guān)于心肌的代謝狀態(tài)信息從而優(yōu)化除顫時(shí)機(jī)，將為個(gè)性化的心臟救治提供巨大的益處。
　　為了找出一個(gè)更好的除顫和ROSC的預(yù)測指標(biāo)，人們開始關(guān)注VF波形的心電圖特征分析。目前常用的自動(dòng)體外除顫儀（Autometic External Defibrillator，AED）無一例外地都會(huì)獲取心電圖波形。從身體表面記錄到的心電

6、圖信號(hào)是由心臟的每個(gè)心肌單元產(chǎn)生的所有電場的疊加。據(jù)推測，體表組織的心電圖與心肌組織的電活動(dòng)具有某些關(guān)系。因?yàn)閂F波形的特征隨著時(shí)間和CPR變化，并且具有對(duì)除顫成功的預(yù)測能力，所以對(duì)VF波形的定量分析可以被用來預(yù)測VF的持續(xù)時(shí)間和電擊除顫成功的概率，從而優(yōu)化除顫的時(shí)機(jī)，并最終指導(dǎo)CPR。
　　近年來，各種數(shù)字信號(hào)處理方法，包括時(shí)域分析法、頻域分析法、時(shí)頻分析法、非線性分析法和組合分析法，被用于VF信號(hào)的波形特征分析，并進(jìn)一步用于預(yù)

7、測OHCA患者除顫結(jié)果的研究。
　　雖然在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床研究中，VF波形分析已在對(duì)除顫結(jié)果的預(yù)測方面取得了一定的進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)在臨床實(shí)踐中對(duì)除顫時(shí)機(jī)的優(yōu)化還有一定的距離，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
　　1、雖然在過去的二十年里，人們已經(jīng)研究了許多VF特征用于預(yù)測除顫結(jié)果，包括時(shí)域、頻域和非線性方法等，但只有少量研究通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)的策略，來試圖結(jié)合不同VF波形特征以提高預(yù)測性能。多元預(yù)測特征組合與單一預(yù)測特征相比，是否能夠提高

8、除顫結(jié)果的預(yù)測能力仍然沒有定論。
　　2、由于通過提供互補(bǔ)的信息結(jié)合多個(gè)VF波形特征可以提高對(duì)除顫結(jié)果的預(yù)測能力，一些研究已嘗試使用機(jī)器學(xué)習(xí)理論結(jié)合不同特征來提高預(yù)測性能。早期試驗(yàn)把VF波形特征與臨床因子相結(jié)合，如患者的年齡、性別和救護(hù)車響應(yīng)時(shí)間等，但預(yù)測性能沒有得到明顯改善。因此，但是否結(jié)合患者的內(nèi)在信息可以提高除顫預(yù)測的準(zhǔn)確性仍然是一個(gè)需要進(jìn)行研究的課題。
　　3、雖然VF波形分析已被證明能提高對(duì)除顫結(jié)果的預(yù)測能力，并可

9、以作為優(yōu)化除顫時(shí)機(jī)的一種有效的方案，但由于缺乏對(duì)除顫和CPR成功的統(tǒng)一定義，使得很難對(duì)兩個(gè)預(yù)測因子的性能進(jìn)行比較。
　　4、在臨床應(yīng)用中，電擊除顫的效率高度依賴于所使用的除顫波形。每當(dāng)新的除顫波形或技術(shù)問世，它們的效率需要被準(zhǔn)確的評(píng)估，并和現(xiàn)有的方法進(jìn)行比較。目前比較除顫效率的普通方法是評(píng)估和比較個(gè)體除顫閾值(Defibrillation Threshold，DFT)，這種方法構(gòu)建劑量響應(yīng)曲線或應(yīng)用上下閾值法。因?yàn)檫@種方法是通過計(jì)

10、算重復(fù)序列的電擊除顫，不可避免的會(huì)產(chǎn)生每一次測量和每一個(gè)體的差異，這就在平行比較時(shí)產(chǎn)生了相當(dāng)大的不確定性。
　　針對(duì)這些問題，本研究的目的是優(yōu)化用于預(yù)測除顫結(jié)果的VF波形分析方法。本研究的主要工作包括：
　　1.研究了組合多種VF波形特征對(duì)除顫結(jié)果預(yù)測性能的影響。
　　選擇和計(jì)算了16種在以前的臨床研究中具有良好預(yù)測能力的心電圖波形特征的組合，通過不同的機(jī)器學(xué)習(xí)策略（包括邏輯回歸、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)），對(duì)1617

11、名患者的3828次除顫進(jìn)行研究，以提高預(yù)測除顫結(jié)果的能力。通過受試者工作特征曲線(Receiver Operating Characteristic Curve，ROC)、ROC下面積(Area Under ROC Curve，AUC)、靈敏度(Sensitivity)、特異性(Specificity)、陽性預(yù)測率(Positive Predictive Value)、陰性預(yù)測率(Negative Predictive Value)和預(yù)

12、測準(zhǔn)確率(Prediction Accuracy)等指標(biāo)來評(píng)估預(yù)測能力。1050名患者的2447次除顫數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，567名患者的1381次除顫數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證集。通過對(duì)大量的OHCA患者的研究表明，與VF波形幅度相關(guān)特征比其他特征擁有更好的預(yù)測除顫結(jié)果的能力。與單一特征相比，組合多個(gè)特征并沒有進(jìn)一步提高預(yù)測性能。
　　2.研究了結(jié)合患者除顫相關(guān)信息對(duì)除顫結(jié)果預(yù)測性能的影響。
　　分析了來自199名OHCA患者的總共528次除

13、顫。使用幅度譜面積(Amplitude Spectral Area，AMSA)來量化在每次除顫之前的VF波形。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合前一次除顫指數(shù)(Previous Shock Index)與AMSA和△AMSA（連續(xù)兩次除顫間AMSA的變化量）對(duì)來自99名患者的255次連續(xù)除顫的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進(jìn)行測試。在包含100名患者的273次除顫的驗(yàn)證數(shù)據(jù)集中，通過AUC、靈敏度、陽性預(yù)測率、陰性預(yù)測率和預(yù)測準(zhǔn)確率等指標(biāo)，將組合方法的性能與基于單一預(yù)測特征

14、的AMSA的性能進(jìn)行了比較。在這項(xiàng)回顧性研究中，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合AMSA與前一次的除顫信息顯著提高了對(duì)后續(xù)除顫結(jié)果的預(yù)測性能。
　　3.研究了除顫成功的定義對(duì)除顫結(jié)果預(yù)測能力的影響。
　　對(duì)以VF為初始節(jié)律的257名OHCA患者的554次除顫進(jìn)行分析。在120秒連續(xù)的時(shí)間段內(nèi)，每5秒對(duì)電擊除顫后的節(jié)律進(jìn)行分析，并注釋為VF、心室靜止和節(jié)律性心電（Organized Rhythm）。三個(gè)除顫成功的定義被用于評(píng)價(jià)AMSA的預(yù)測能

15、力：(1)室顫終止(Termination of VF，ToVF);(2)有節(jié)律電活動(dòng)恢復(fù)(Return of Organized Electrical Activity，ROEA);(3)潛在灌注節(jié)律恢復(fù)(Return of a Potentially Perfusing Rhythm，RPPR)。對(duì)于OHCA患者，除顫后1分鐘內(nèi)節(jié)律不穩(wěn)定。AMSA預(yù)測性能的變化取決于除顫成功的定義，而且RPPR是一個(gè)更具有臨床意義的觀察終點(diǎn)。

16、>　　4.提出了一種用于比較不同除顫波形效率的組合上下閾值法。
　　首先通過理論證明：兩個(gè)不同的劑量響應(yīng)曲線之間的差值，可以利用另外一條虛擬的劑量響應(yīng)曲線下的面積來估計(jì)。然后，詳細(xì)說明了組合上下閾值法的實(shí)驗(yàn)過程。最后，在一個(gè)成年豬的心臟驟停模型中使用該方法來比較兩種常用的雙相除顫波形的除顫效率。組合上下閾值法和傳統(tǒng)的方法相比更加靈敏，同時(shí)只需要更少的除顫次數(shù)即可完成比較。
　　本文首次通過研究組合多種VF波形特征以及結(jié)合患者