本文關(guān)鍵詞：室顫波形分析用于預(yù)測(cè)除顫結(jié)果的優(yōu)化方法研究

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【摘要】：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(guó)和加拿大兩國(guó)因此喪生的人數(shù)均超過(guò)30萬(wàn)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示我國(guó)每年死于心臟驟停的總?cè)藬?shù)達(dá)55.4萬(wàn)之多。為了提高心臟驟�；颊叩拇婊盥�,各國(guó)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,歐洲心臟驟�；颊叽婊盥始s為10%-20%,美國(guó)約為8-12%,而我國(guó)僅為2%。針對(duì)心臟驟停的患者,目前主要是通過(guò)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(kāi)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(méi)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)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(guò)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(wú)脈性電活動(dòng)(Pulseless Electrical Activity),這使得CPR更加困難。另一方面,重復(fù)無(wú)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(cè)指標(biāo),人們開(kāi)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(wú)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圖信號(hào)是由心臟的每個(gè)心肌單元產(chǎn)生的所有電場(chǎng)的疊加。據(jù)推測(cè),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(cè)能力,所以對(duì)VF波形的定量分析可以被用來(lái)預(yù)測(cè)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(lái),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)測(cè)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(cè)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(guò)去的二十年里,人們已經(jīng)研究了許多VF特征用于預(yù)測(cè)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(guò)使用機(jī)器學(xué)習(xí)的策略,來(lái)試圖結(jié)合不同VF波形特征以提高預(yù)測(cè)性能。多元預(yù)測(cè)特征組合與單一預(yù)測(cè)特征相比,是否能夠提高除顫結(jié)果的預(yù)測(cè)能力仍然沒(méi)有定論。2、由于通過(guò)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(cè)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(lái)提高預(yù)測(cè)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(chē)響應(yīng)時(shí)間等,但預(yù)測(cè)性能沒(méi)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(cè)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(cè)能力,并可以作為優(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,使得我們很難對(duì)兩個(gè)預(yù)測(cè)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(wèn)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(guò)計(jì)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(cè)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(wèn)題,本研究的目的是優(yōu)化用于預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)能力的心電圖波形特征的組合,通過(guò)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名患者的3828次除顫進(jìn)行研究,以提高預(yù)測(cè)除顫結(jié)果的能力。通過(guò)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(yáng)性預(yù)測(cè)率(Positive Predictive Value)、陰性預(yù)測(cè)率(Negative Predictive Value)和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率(Prediction Accuracy)等指標(biāo)來(lái)評(píng)估預(yù)測(cè)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(guò)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(cè)除顫結(jié)果的能力。與單一特征相比,組合多個(gè)特征并沒(méi)有進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)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(cè)性能的影響。分析了來(lái)自199名OHCA患者的總共528次除顫。使用幅度譜面積(Amplitude Spectral Area,AMSA)來(lái)量化在每次除顫之前的VF波形。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合前一次除顫指數(shù)(Previous Shock Index)與AMSA和ΔAMSA(連續(xù)兩次除顫間AMSA的變化量)對(duì)來(lái)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(cè)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(guò)AUC、靈敏度、陽(yáng)性預(yù)測(cè)率、陰性預(yù)測(cè)率和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率等指標(biāo),將組合方法的性能與基于單一預(yù)測(cè)特征的AMSA的性能進(jìn)行了比較。在我們這項(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(cè)性能。3.研究了除顫成功的定義對(duì)除顫結(jié)果預(yù)測(cè)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(cè)能力:(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(cè)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)。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。我們首先通過(guò)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(lái)估計(jì)。然后,我們?cè)敿?xì)說(shuō)明了組合上下閾值法的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。最后,我們?cè)谝粋�(gè)成年豬的心臟驟停模型中使用該方法來(lái)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(guò)研究組合多種VF波形特征以及結(jié)合患者除顫相關(guān)信息對(duì)除顫結(jié)果預(yù)測(cè)能力的影響,并探討了除顫成功的定義對(duì)除顫結(jié)果預(yù)測(cè)能力的影響,以期提高基于VF波形分析的除顫結(jié)果預(yù)測(cè)方法。研究結(jié)果表明:組合多個(gè)VF波形特征并不能進(jìn)一步提高除顫結(jié)果的預(yù)測(cè)能力,但結(jié)合患者除顫相關(guān)信息顯著提高了對(duì)后續(xù)除顫結(jié)果的預(yù)測(cè)性能,且除顫成功的定義會(huì)影響VF波形特征對(duì)除顫結(jié)果的預(yù)測(cè)性能。這些結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化CPR和電擊除顫,為有效提高CPR的成功率提供了可行的解決方案。
【學(xué)位授予單位】：第三軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：R541.7

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本文編號(hào)：1291564