作為一種復律心室顫動和室性心動過速等惡性心律失常的重要醫療電子設備，心臟體外除顫儀已經在臨床上得到了廣泛的應用。然而，目前臨床對這類患者的搶救成功率依然不盡人意。本文就心臟體外電擊除顫技術在近幾年的研究進展進行了綜述，并從心臟電擊除顫的機制、新型體外除顫波形的設計、影響除顫結果的因素、除顫波形與室顫波形的相互作用和個性化體外除顫的方案等方面進行了分析與總結，為進一步優化心臟體外除顫儀的設計和臨床應用提供參考。
引用本文： 李偉明, 謝佳玲, 彭莉, 魏良, 王雙衛, 李永勤. 心臟體外電擊除顫技術的研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2020, 37(6): 1095-1100. doi: 10.7507/1001-5515.202003013 復制
引言
心血管疾病是一類嚴重威脅人類健康和生命的疾病，具有高患病率、高致殘率和高死亡率的特點。我國現有心血管病患者 2.9 億人，每年因心血管病死亡的患者占到居民疾病死亡構成的 40%，高于腫瘤和其他疾病。更為嚴重的是，我國心血管病的患病率及死亡率仍處于上升階段，對社會和家庭的負擔也日漸加重，它不僅成為了一個重大的公共衛生問題，也成為了一個威脅我國未來發展的嚴峻社會問題[1]。
心律失常（arrhythmia）是由于心臟活動的起源和（或）傳導障礙導致的心臟搏動頻率和（或）節律異常。流行病學調查顯示，各種原因引起的心律失常是心血管疾病患者主要的臨床表現和死亡原因之一。惡性心律失常（malignant arrhythmia）如心室顫動（ventricular fibrillation，VF）和室性心動過速（ventricular tachycardia，VT），是指能使患者在短時間內引起血流動力學障礙、導致患者暈厥甚至猝死的心律失常。我國每年心臟驟停（cardiac arrest）的總人數高達 50 多萬，其中 80% 是由這類惡性心律失常導致的[2]。心臟電擊除顫（cardiac electrical defibrillation）也稱心臟電復律（cardioversion），是在短時間內向心臟通以高壓強電流，使心肌瞬間同時除極，消除異位性快速心律失常，使之轉復為竇性心律的方法。自 1947 年 Beck 首次成功將此技術應用于臨床以來，電擊除顫目前仍是終止室顫的唯一有效方法。盡管近年來有關心肺復蘇的技術和設備不斷進步，但目前對心臟驟停的現場搶救成功率依然不盡人意，在我國僅為 5% 左右，在歐美等發達國家僅為 20% 左右[3]。
作為國際心血管急救和心肺復蘇指南提出的生存鏈中的重要一環，心臟體外電擊除顫技術一直是一個備受關注的重要領域，而便捷、安全、高效、智能則是除顫儀相關技術的研究重點和發展目標[4-6]。本文就心臟體外電擊除顫技術在近幾年的研究進展進行了綜述，旨在為進一步優化心臟體外除顫儀的設計和臨床應用提供參考。
1 電擊除顫機制的研究
除顫是通過向心臟施加強大電場，同時去極化足夠多的可興奮細胞，以達到恢復自主循環的目的。然而研究發現除顫其實是一個與劑量相關的概率過程，并沒有一個確保總能除顫成功的劑量閾值。因此，學術界對于高壓電擊終止室顫的內在機制一直存有爭議[7]。早期提出的完全滅活假說（total extinction hypothesis）認為，高壓電擊必須使所有可興奮的組織去極化，并終止室顫期間所有活動的波前，除顫才能成功。這也意味著，除顫失敗后，室顫可由任何未被電擊失活的波前重新啟動。臨界質量假說（critical mass hypothesis）則認為，除顫是通過直接刺激和興奮心肌來實現的，成功除顫并不需要終止心臟所有活動的波前，而是只要失活 75%～90% 的心肌細胞。根據這一假設，除顫失敗是因為高壓電擊未能使臨界質量的心肌細胞去極化，使剩余未被失活的細胞繼續顫動，導致整個心室回到室顫狀態。脆弱性上限假設（upper limit of vulnerability hypothesis）則認為，電擊必須同時對整個心室產生兩種效應才能成功除顫：一是電擊必須終止所有活動的波前，二是電擊不能產生或激活新的波前。
近年來，基于電擊電極附近區域產生的虛擬電極會使周圍組織發生超極化或去極化現象而提出的虛擬電極極化假說（virtual electrode polarization hypothesis），顯著提高了人們對除顫過程的認識[8]。虛擬電極理論解釋除顫過程的基礎是心臟結構如心外膜表面和血管的不均勻性。虛擬電極使得跨膜電壓產生局部位移，并通過產生新的動作電位進一步干擾維持室顫的波前，從而終止室顫。為進一步完善該理論，Bragard 等[8]利用擴展的心肌組織電傳導雙域模型，評估了纖維化對細胞外電流引起的虛擬電極強度的影響。該研究結果表明，通過對細胞外施加刺激電流可以在心肌纖維斑塊邊界處形成虛擬電極，且虛擬電極的強度會隨纖維化程度和斑塊大小的增加而增加。此外，纖維化斑塊的幾何形狀也會對虛擬電極的強度產生顯著影響。心臟電擊除顫理論的逐漸完善，將為進一步研究除顫效率更高的個性化除顫波形提供完備的理論支持。
2 新型體外除顫波形的研究
除顫波形是對心臟電擊放電時除顫儀兩個輸出電極端的電壓或電流隨時間變化的曲線，是決定除顫效率的關鍵技術之一。早期的除顫儀采用單相波，即除顫電流的方向是固定的，電流在兩個電極之間單向流動，從一個電極流向另一個電極。與單相波不同，雙相除顫波形由兩個極性相反的脈沖組成，在電擊過程中電壓/電流的極性會發生翻轉[9]。目前臨床廣泛應用的雙相波主要有圖 1 所示的三種，分別是雙相指數截斷波（biphasic truncated exponential waveform，BTE）、雙相方波（rectilinear biphasic waveform，RBW）和雙相脈沖波（pulsed biphasic waveform，PBW），但這三種波形在除顫效率方面是否存在差異仍有爭議[10]。因此，開發新型體外除顫波形并與現有雙相波的除顫效率進行對比，一直是除顫儀技術研究的一個重要方向。
圖1
現代體外除顫儀使用的雙相波波形
Figure1.
Defibrillation waveform morphology of current external defibrillators
在最近的一項前瞻性隨機臨床研究中，Schmidt 等[11]比較了 BTE 和 PBW 兩種波形電復律房顫的效率。該研究發現 BTE 的電復律效率明顯優于 PBW 波形（86% vs 62%，P = 0.002），但兩種波形在安全性方面并無差異。在前期研究發現上升波形的除顫效率高于衰減波形的基礎上，Huang 等[12]運用家豬室顫動物模型，比較了第一相上升的雙相除顫波形（biphasic waveform with ascending first phase，ASC）（見圖 2a）與 BTE 波形在除顫以后對心肌損傷的影響。該研究從電生理學指標、組織學分析和生化指標三個方面對除顫電擊引起的心肌損傷和壞死進行了評價，結果發現采用相同的能量進行電擊除顫時，ASC 引起的心肌損傷明顯少于 BTE。
圖2
文獻報道最近研究的幾種除顫波形
a. 第一相上升的雙相除顫波；b. 雙矢量雙向除顫波；c. 納秒除顫波
Figure2. Defibrillation waveforms investigated in recent studies from literaturesa. biphasic waveform with ascending first phase; b. dual-vector biphasic waveform; c. nanosecond defibrillation waveform
Okamura 等[6]設計了一種雙向量雙向除顫波形，形態上相當于將兩個雙相波依次放電的四相波（見圖 2b）。與傳統除顫所使用的兩個除顫電極不同，研究者使用了一種相互正交的四個除顫電極，從而形成雙向量除顫。然而動物實驗的結果表明，該波形的除顫效率與 RBW 并無差異。
目前臨床使用的除顫波形均為毫秒波，即除顫脈沖的持續時間在 6～32 ms 之間。依據心肌的電刺激強度-作用時間曲線，在該脈寬范圍內進行電擊除顫所需要的能量最低。美國歐道明大學的 Varghese 等 [13]設計了一種脈沖寬度約為 300 ns 的單相除顫波（見圖 2c）。作者通過離體心臟的實驗發現，雖然納秒波的除顫電壓遠高于傳統的毫秒波［（2.3 ± 0.2）kV vs（37 ± 2）V，P < 0.001］，但除顫所需要的能量大大降低，僅為 BTE 的 13% 左右［（64 ± 4）mJ vs（530 ± 35）mJ，P < 0.001］。在此基礎上，該大學的 Semenov 等[14]將刺激心肌細胞的強度-持續時間曲線拓展到 200 ns 以下，并且比較了不同脈寬下電擊強度對心肌細胞電穿孔損傷程度的影響。其研究結果進一步證實納秒級電擊可能會成為一種更有效、更安全的除顫方法，并支持對納秒除顫波形的深入探索。以上這些新型體外除顫波形的設計研究，一方面為新型體外除顫儀的設計奠定了基礎，另一方面又對其工程設計提出了新的挑戰。
3 影響除顫結果的因素研究
除了除顫波形的設計之外，對其他在實際應用中可能會影響除顫結果的因素進行分析，也是近年來的一個研究方向。除顫有賴于選擇恰當的能量以產生足夠的電流，若能量及電流太低，電擊不能終止惡性心律失常。但是如果能量及電流太高，又可引起心肌損傷或心肌壞死。Mercier 等[15]回顧性分析了青少年心臟驟停患者初始除顫能量設置與自主循環恢復之間的關系，發現除顫能量的劑量及閾值和患者體重之間僅具有弱相關性。Anantharaman 等[16]則通過多中心、前瞻性隨機分組對照臨床試驗，比較了采用 150-150-150 J 的恒定能量模式和采用 200-300-360 J 的遞增能量模式對需要進行多次除顫患者復蘇結果的影響。該研究發現采用能量遞進模式對復蘇結果（除顫成功率：66.7% vs 64.4%，P = 0.78；自主循環恢復率：25.6% vs 29.7%，P = 0.56）并沒有顯著影響，即通過增加能量并不能提高除顫及復蘇成功率。
為明確響應時間對室顫患者救治結果的影響，徐津申[5]分析了 119 例使用自動體外除顫儀進行除顫的患者，證實除顫成功率與從患者室顫發作到除顫完成所需的時間成反比：在室顫發生后的 1 min 內除顫，搶救成功率為 93.3%，在 1～4 min 內除顫，成功率為 74.1%；而在 4～10 min 內除顫，成功率就下降為 48.0%。Patel 等[17]則對比了從室顫發生到完成除顫所需要的時間間隔對復蘇結局的影響，發現在 2 min 內完成除顫的患者，無論是 1 年生存率（25.7% vs 15.5%，P < 0.001）、3 年生存率（19.1% vs 11.0%，P < 0.001）還是 5 年生存率（14.7% vs 7.9%，P < 0.001），均顯著高于除顫時間大于 2 min 的患者。Bircher 等[18]對 57 312 例心臟驟停患者的研究結果顯示，除顫的響應時間每延誤 1 min，患者的長期生存率就下降 1%（P < 0.001）。
現代除顫儀采用基于 RC 充放電的直流除顫技術，其中 R 為除顫儀的負載即患者的胸阻抗，C 為除顫儀所使用電容的容量。本團隊開展的一項回顧性臨床研究發現，成人患者胸阻抗的變化范圍多在 40～240 ohm[19]。針對高阻抗患者通過減小 RC 放電回路的電流而降低所釋放能量導致除顫效率下降的問題，現代體外除顫儀使用了“阻抗補償技術”。除顫儀在進行除顫的過程中，會根據所測量的患者胸阻抗大小實時調整輸出波形的幅度、形狀或寬度，以此提高對高阻抗患者的除顫成功率。Sadek 等[20]分析了患者胸阻抗對電復律結果的影響，發現即使是采用了胸阻抗補償技術的 BTE，其效率還是會受到患者胸阻抗的影響。高胸阻抗患者的電復律成功率較低，所需要的除顫次數和累積除顫能量也更多。患者胸阻抗每增加 10 Ω，電復律失敗的概率就增加 22%～36%（P < 0.001）。
運用高阻抗的家豬室顫模型，本團隊發現雙相波的除顫電流尤其是第一時相的平均電流，是一個比目前除顫儀中使用的能量指標更好地決定電擊成功與否的指標參數，這一結果為設計新的基于電流的雙相波除顫儀提供了基礎[21-22]。在本團隊前期研究的基礎上，Anantharaman 等[23]分析了 197 例室顫患者除顫波形的峰值電流、除顫能量與除顫結果之間的關系，證實了電流是比能量更好的除顫劑量單位和指標參數的結論，并發現對室顫患者除顫的有效電流范圍是 10～20 A。近年來這些針對除顫結果影響因素的研究，為解釋當前除顫和心肺復蘇成功率不高的現狀以及下一步除顫技術的深入研究提供了方向。
4 除顫波形與室顫波形的相互作用研究
即使是在相同的救治條件下，每例患者對電擊除顫的響應也不完全相同。為此，本團隊[24]分析了 257 例院外心臟驟停患者心電波形在電擊除顫以后隨時間的變化，發現雖然在除顫結束后的 5 s 之內有 79% 的室顫被終止，但在隨后的 2 min 里又有 41% 的患者復發室顫。結合除顫前室顫波形的特征分析結果，本團隊提出了“除顫過程是一個除顫波形與室顫波形相互作用的過程，除顫成功與否取決于心肌對電擊除顫響應的準備程度”這一假說。Balderston 等[25]分析了 80 例患者除顫前室顫波形的信號幅度與患者復蘇結局之間的關系，發現信號幅度與除顫結果、自主循環恢復率以及出院生存率均顯著相關。利用來自日本火災和災害管理機構的 71 566 例室顫患者注冊數據，Hagihara 等[26]分析了除顫波形和除顫次數的相互作用對患者生存結局的影響。該研究表明無論是單相波還是雙相波，除顫次數的增加均與自主循環恢復率的降低相關。但對于雙相波，除顫次數的增加卻與一個月生存率的增加有關。在對長期存活率的影響方面，雙相波形比單相波形更加有效。
為研究缺血性心臟病對除顫結果的影響，Hulleman 等[27]比較了有無急性 ST 段抬高心肌梗死（ST-elevation myocardial infarction，STEMI）患者室顫波形的幅度譜面積（amplitude spectrum area，AMSA）對除顫結果的預測能力。發現 STEMI 患者的 AMSA 值顯著低于非 STEMI 患者，且 AMSA 僅對非 STEMI 患者除顫結果有較強的預測能力。Horie 等[28]則以樣本熵（sample entropy，SampEn）為指標，比較了 15 例慢性房顫患者與 34 例無心律不齊對照者的心電波形特征。發現房顫患者心電波形的 SampEn 顯著高于正常人，這為房顫的自動診斷和針對性治療提供了依據。Yang 等[29]利用家豬心肺復蘇的動物模型，比較了室顫波形的譜能量與 AMSA 的預測能力。該研究發現，以傅里葉變換的譜能量與 AMSA 兩個參數，在預測除顫結果的能力方面并無差異。Thannhauser 等[30]則對比了心肺復蘇的早期（前 3 次除顫）和晚期（4 次及以后的除顫）室顫波形的 AMSA 值及其變化對除顫結果的預測能力，結果發現只有在心肺復蘇的早期階段 AMSA 值及其變化才與除顫結果顯著相關，并提示需要進一步加強對心肺復蘇晚期除顫波形與室顫波形相互作用的研究。為此，Coult 等[31]利用院外心臟驟停患者的心電數據，證實將室顫波形的特征 AMSA 與上一次除顫結果進行聯合分析，可提高對除顫結果的預測能力。與此同時，Coult 等[32]還分析了心肺復蘇過程中胸外按壓的頻譜對室顫波形頻譜特征的影響，并認為利用機器學習模型能夠在心肺復蘇過程中實現基于室顫波形特征分析的除顫結果準確預測。Nakagawa 等[33]則將 AMSA 值及其變化率聯合用于對除顫結果的預測，并證實組合之后的預測能力優于分別用 AMSA 值和 AMSA 的變化率單獨進行預測。以上這些基于除顫波形與室顫波形相互作用的研究，為進一步開展個性化的除顫方案設計與臨床應用奠定了實驗基礎。
5 個性化體外除顫方案的研究
分析不同患者室顫發生的根本原因并依據其生理體征施以個性化、精準化的治療，是近年來該領域的一個研究趨勢[34-36]。尤其在心臟驟停患者中，有一類被稱為頑固（難治）性室顫患者，占所有室顫患者的 20%～30%，其死亡率高達 85%～97%[37-38]。而如何治療頑固性室顫患者，目前仍是臨床上尚未解決的一個重要難題[39]。最近，Cheskes 等[40]采用隨機對照分組試驗的方法，比較了雙向量雙向波除顫以及改變電極位置的向量變化除顫對頑固性室顫的治療效果。該研究發現這兩種方式無論是除顫成功率（82.0% 和 76.3% vs 66.6%）還是自主循環恢復率（39.3% 和 40.0% vs 25.0%）均比傳統雙相波除顫有明顯提高，這為頑固性室顫的針對性治療提供了選擇方案。
Bragard 等[8]在研究虛擬電極極化假說時運用計算模型分析得出的一個主要結論，就是建議針對不同患者設計不同的除顫波形和復蘇方案。在動物實驗方面，Antoneli 等[41]運用離體大鼠心臟的室顫模型，比較了脈寬對起搏閾值和除顫概率關系的影響。該實驗結果顯示，脈寬為 0.5 ms 時除顫概率與起搏閾值的比值最低。研究起搏脈寬與除顫概率之間的相互關系，為下一步在進行除顫時選擇個性化的電擊參數提供了可行的方案。Aiello 等[42]則運用家豬室顫的心肺復蘇模型，探索了基于 AMSA 驅動的個性化除顫與復蘇方案。該研究證實采用基于室顫波形特征驅動的個性化復蘇方案，可以降低不必要的電擊除顫和復蘇后的心肌損傷。盡管越來越多的研究者認為，個性化的精準體外除顫技術是未來發展的趨勢，但這方面的研究工作還只是剛剛起步，仍有很多的技術問題需要進行深入研究與探索。
6 總結
除顫是一個復雜的電生理過程，除顫成功與否主要取決于以下三個方面的因素：一是高壓電擊所釋放電場的時空特性，即除顫波形的參數特征；二是患者本身的生理特征，如胸阻抗的大小、未治療室顫的持續時間以及心肺復蘇增加的冠狀動脈灌注程度；三是高壓電擊產生的瞬時空間電場與心臟自身的電活動相互作用。因此，根據檢測到的患者生理信息與心肌狀態，設計可編程的個性化除顫波形并實施精確化的除顫治療，是心臟體外除顫技術的研究方向，也是未來心臟體外除顫儀的發展目標。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
心血管疾病是一類嚴重威脅人類健康和生命的疾病，具有高患病率、高致殘率和高死亡率的特點。我國現有心血管病患者 2.9 億人，每年因心血管病死亡的患者占到居民疾病死亡構成的 40%，高于腫瘤和其他疾病。更為嚴重的是，我國心血管病的患病率及死亡率仍處于上升階段，對社會和家庭的負擔也日漸加重，它不僅成為了一個重大的公共衛生問題，也成為了一個威脅我國未來發展的嚴峻社會問題[1]。
心律失常（arrhythmia）是由于心臟活動的起源和（或）傳導障礙導致的心臟搏動頻率和（或）節律異常。流行病學調查顯示，各種原因引起的心律失常是心血管疾病患者主要的臨床表現和死亡原因之一。惡性心律失常（malignant arrhythmia）如心室顫動（ventricular fibrillation，VF）和室性心動過速（ventricular tachycardia，VT），是指能使患者在短時間內引起血流動力學障礙、導致患者暈厥甚至猝死的心律失常。我國每年心臟驟停（cardiac arrest）的總人數高達 50 多萬，其中 80% 是由這類惡性心律失常導致的[2]。心臟電擊除顫（cardiac electrical defibrillation）也稱心臟電復律（cardioversion），是在短時間內向心臟通以高壓強電流，使心肌瞬間同時除極，消除異位性快速心律失常，使之轉復為竇性心律的方法。自 1947 年 Beck 首次成功將此技術應用于臨床以來，電擊除顫目前仍是終止室顫的唯一有效方法。盡管近年來有關心肺復蘇的技術和設備不斷進步，但目前對心臟驟停的現場搶救成功率依然不盡人意，在我國僅為 5% 左右，在歐美等發達國家僅為 20% 左右[3]。
作為國際心血管急救和心肺復蘇指南提出的生存鏈中的重要一環，心臟體外電擊除顫技術一直是一個備受關注的重要領域，而便捷、安全、高效、智能則是除顫儀相關技術的研究重點和發展目標[4-6]。本文就心臟體外電擊除顫技術在近幾年的研究進展進行了綜述，旨在為進一步優化心臟體外除顫儀的設計和臨床應用提供參考。
1 電擊除顫機制的研究
除顫是通過向心臟施加強大電場，同時去極化足夠多的可興奮細胞，以達到恢復自主循環的目的。然而研究發現除顫其實是一個與劑量相關的概率過程，并沒有一個確保總能除顫成功的劑量閾值。因此，學術界對于高壓電擊終止室顫的內在機制一直存有爭議[7]。早期提出的完全滅活假說（total extinction hypothesis）認為，高壓電擊必須使所有可興奮的組織去極化，并終止室顫期間所有活動的波前，除顫才能成功。這也意味著，除顫失敗后，室顫可由任何未被電擊失活的波前重新啟動。臨界質量假說（critical mass hypothesis）則認為，除顫是通過直接刺激和興奮心肌來實現的，成功除顫并不需要終止心臟所有活動的波前，而是只要失活 75%～90% 的心肌細胞。根據這一假設，除顫失敗是因為高壓電擊未能使臨界質量的心肌細胞去極化，使剩余未被失活的細胞繼續顫動，導致整個心室回到室顫狀態。脆弱性上限假設（upper limit of vulnerability hypothesis）則認為，電擊必須同時對整個心室產生兩種效應才能成功除顫：一是電擊必須終止所有活動的波前，二是電擊不能產生或激活新的波前。
近年來，基于電擊電極附近區域產生的虛擬電極會使周圍組織發生超極化或去極化現象而提出的虛擬電極極化假說（virtual electrode polarization hypothesis），顯著提高了人們對除顫過程的認識[8]。虛擬電極理論解釋除顫過程的基礎是心臟結構如心外膜表面和血管的不均勻性。虛擬電極使得跨膜電壓產生局部位移，并通過產生新的動作電位進一步干擾維持室顫的波前，從而終止室顫。為進一步完善該理論，Bragard 等[8]利用擴展的心肌組織電傳導雙域模型，評估了纖維化對細胞外電流引起的虛擬電極強度的影響。該研究結果表明，通過對細胞外施加刺激電流可以在心肌纖維斑塊邊界處形成虛擬電極，且虛擬電極的強度會隨纖維化程度和斑塊大小的增加而增加。此外，纖維化斑塊的幾何形狀也會對虛擬電極的強度產生顯著影響。心臟電擊除顫理論的逐漸完善，將為進一步研究除顫效率更高的個性化除顫波形提供完備的理論支持。
2 新型體外除顫波形的研究
除顫波形是對心臟電擊放電時除顫儀兩個輸出電極端的電壓或電流隨時間變化的曲線，是決定除顫效率的關鍵技術之一。早期的除顫儀采用單相波，即除顫電流的方向是固定的，電流在兩個電極之間單向流動，從一個電極流向另一個電極。與單相波不同，雙相除顫波形由兩個極性相反的脈沖組成，在電擊過程中電壓/電流的極性會發生翻轉[9]。目前臨床廣泛應用的雙相波主要有圖 1 所示的三種，分別是雙相指數截斷波（biphasic truncated exponential waveform，BTE）、雙相方波（rectilinear biphasic waveform，RBW）和雙相脈沖波（pulsed biphasic waveform，PBW），但這三種波形在除顫效率方面是否存在差異仍有爭議[10]。因此，開發新型體外除顫波形并與現有雙相波的除顫效率進行對比，一直是除顫儀技術研究的一個重要方向。
圖1
現代體外除顫儀使用的雙相波波形
Figure1.
Defibrillation waveform morphology of current external defibrillators
在最近的一項前瞻性隨機臨床研究中，Schmidt 等[11]比較了 BTE 和 PBW 兩種波形電復律房顫的效率。該研究發現 BTE 的電復律效率明顯優于 PBW 波形（86% vs 62%，P = 0.002），但兩種波形在安全性方面并無差異。在前期研究發現上升波形的除顫效率高于衰減波形的基礎上，Huang 等[12]運用家豬室顫動物模型，比較了第一相上升的雙相除顫波形（biphasic waveform with ascending first phase，ASC）（見圖 2a）與 BTE 波形在除顫以后對心肌損傷的影響。該研究從電生理學指標、組織學分析和生化指標三個方面對除顫電擊引起的心肌損傷和壞死進行了評價，結果發現采用相同的能量進行電擊除顫時，ASC 引起的心肌損傷明顯少于 BTE。
圖2
文獻報道最近研究的幾種除顫波形
a. 第一相上升的雙相除顫波；b. 雙矢量雙向除顫波；c. 納秒除顫波
Figure2. Defibrillation waveforms investigated in recent studies from literaturesa. biphasic waveform with ascending first phase; b. dual-vector biphasic waveform; c. nanosecond defibrillation waveform
Okamura 等[6]設計了一種雙向量雙向除顫波形，形態上相當于將兩個雙相波依次放電的四相波（見圖 2b）。與傳統除顫所使用的兩個除顫電極不同，研究者使用了一種相互正交的四個除顫電極，從而形成雙向量除顫。然而動物實驗的結果表明，該波形的除顫效率與 RBW 并無差異。
目前臨床使用的除顫波形均為毫秒波，即除顫脈沖的持續時間在 6～32 ms 之間。依據心肌的電刺激強度-作用時間曲線，在該脈寬范圍內進行電擊除顫所需要的能量最低。美國歐道明大學的 Varghese 等 [13]設計了一種脈沖寬度約為 300 ns 的單相除顫波（見圖 2c）。作者通過離體心臟的實驗發現，雖然納秒波的除顫電壓遠高于傳統的毫秒波［（2.3 ± 0.2）kV vs（37 ± 2）V，P < 0.001］，但除顫所需要的能量大大降低，僅為 BTE 的 13% 左右［（64 ± 4）mJ vs（530 ± 35）mJ，P < 0.001］。在此基礎上，該大學的 Semenov 等[14]將刺激心肌細胞的強度-持續時間曲線拓展到 200 ns 以下，并且比較了不同脈寬下電擊強度對心肌細胞電穿孔損傷程度的影響。其研究結果進一步證實納秒級電擊可能會成為一種更有效、更安全的除顫方法，并支持對納秒除顫波形的深入探索。以上這些新型體外除顫波形的設計研究，一方面為新型體外除顫儀的設計奠定了基礎，另一方面又對其工程設計提出了新的挑戰。
3 影響除顫結果的因素研究
除了除顫波形的設計之外，對其他在實際應用中可能會影響除顫結果的因素進行分析，也是近年來的一個研究方向。除顫有賴于選擇恰當的能量以產生足夠的電流，若能量及電流太低，電擊不能終止惡性心律失常。但是如果能量及電流太高，又可引起心肌損傷或心肌壞死。Mercier 等[15]回顧性分析了青少年心臟驟停患者初始除顫能量設置與自主循環恢復之間的關系，發現除顫能量的劑量及閾值和患者體重之間僅具有弱相關性。Anantharaman 等[16]則通過多中心、前瞻性隨機分組對照臨床試驗，比較了采用 150-150-150 J 的恒定能量模式和采用 200-300-360 J 的遞增能量模式對需要進行多次除顫患者復蘇結果的影響。該研究發現采用能量遞進模式對復蘇結果（除顫成功率：66.7% vs 64.4%，P = 0.78；自主循環恢復率：25.6% vs 29.7%，P = 0.56）并沒有顯著影響，即通過增加能量并不能提高除顫及復蘇成功率。
為明確響應時間對室顫患者救治結果的影響，徐津申[5]分析了 119 例使用自動體外除顫儀進行除顫的患者，證實除顫成功率與從患者室顫發作到除顫完成所需的時間成反比：在室顫發生后的 1 min 內除顫，搶救成功率為 93.3%，在 1～4 min 內除顫，成功率為 74.1%；而在 4～10 min 內除顫，成功率就下降為 48.0%。Patel 等[17]則對比了從室顫發生到完成除顫所需要的時間間隔對復蘇結局的影響，發現在 2 min 內完成除顫的患者，無論是 1 年生存率（25.7% vs 15.5%，P < 0.001）、3 年生存率（19.1% vs 11.0%，P < 0.001）還是 5 年生存率（14.7% vs 7.9%，P < 0.001），均顯著高于除顫時間大于 2 min 的患者。Bircher 等[18]對 57 312 例心臟驟停患者的研究結果顯示，除顫的響應時間每延誤 1 min，患者的長期生存率就下降 1%（P < 0.001）。
現代除顫儀采用基于 RC 充放電的直流除顫技術，其中 R 為除顫儀的負載即患者的胸阻抗，C 為除顫儀所使用電容的容量。本團隊開展的一項回顧性臨床研究發現，成人患者胸阻抗的變化范圍多在 40～240 ohm[19]。針對高阻抗患者通過減小 RC 放電回路的電流而降低所釋放能量導致除顫效率下降的問題，現代體外除顫儀使用了“阻抗補償技術”。除顫儀在進行除顫的過程中，會根據所測量的患者胸阻抗大小實時調整輸出波形的幅度、形狀或寬度，以此提高對高阻抗患者的除顫成功率。Sadek 等[20]分析了患者胸阻抗對電復律結果的影響，發現即使是采用了胸阻抗補償技術的 BTE，其效率還是會受到患者胸阻抗的影響。高胸阻抗患者的電復律成功率較低，所需要的除顫次數和累積除顫能量也更多。患者胸阻抗每增加 10 Ω，電復律失敗的概率就增加 22%～36%（P < 0.001）。
運用高阻抗的家豬室顫模型，本團隊發現雙相波的除顫電流尤其是第一時相的平均電流，是一個比目前除顫儀中使用的能量指標更好地決定電擊成功與否的指標參數，這一結果為設計新的基于電流的雙相波除顫儀提供了基礎[21-22]。在本團隊前期研究的基礎上，Anantharaman 等[23]分析了 197 例室顫患者除顫波形的峰值電流、除顫能量與除顫結果之間的關系，證實了電流是比能量更好的除顫劑量單位和指標參數的結論，并發現對室顫患者除顫的有效電流范圍是 10～20 A。近年來這些針對除顫結果影響因素的研究，為解釋當前除顫和心肺復蘇成功率不高的現狀以及下一步除顫技術的深入研究提供了方向。
4 除顫波形與室顫波形的相互作用研究
即使是在相同的救治條件下，每例患者對電擊除顫的響應也不完全相同。為此，本團隊[24]分析了 257 例院外心臟驟停患者心電波形在電擊除顫以后隨時間的變化，發現雖然在除顫結束后的 5 s 之內有 79% 的室顫被終止，但在隨后的 2 min 里又有 41% 的患者復發室顫。結合除顫前室顫波形的特征分析結果，本團隊提出了“除顫過程是一個除顫波形與室顫波形相互作用的過程，除顫成功與否取決于心肌對電擊除顫響應的準備程度”這一假說。Balderston 等[25]分析了 80 例患者除顫前室顫波形的信號幅度與患者復蘇結局之間的關系，發現信號幅度與除顫結果、自主循環恢復率以及出院生存率均顯著相關。利用來自日本火災和災害管理機構的 71 566 例室顫患者注冊數據，Hagihara 等[26]分析了除顫波形和除顫次數的相互作用對患者生存結局的影響。該研究表明無論是單相波還是雙相波，除顫次數的增加均與自主循環恢復率的降低相關。但對于雙相波，除顫次數的增加卻與一個月生存率的增加有關。在對長期存活率的影響方面，雙相波形比單相波形更加有效。
為研究缺血性心臟病對除顫結果的影響，Hulleman 等[27]比較了有無急性 ST 段抬高心肌梗死（ST-elevation myocardial infarction，STEMI）患者室顫波形的幅度譜面積（amplitude spectrum area，AMSA）對除顫結果的預測能力。發現 STEMI 患者的 AMSA 值顯著低于非 STEMI 患者，且 AMSA 僅對非 STEMI 患者除顫結果有較強的預測能力。Horie 等[28]則以樣本熵（sample entropy，SampEn）為指標，比較了 15 例慢性房顫患者與 34 例無心律不齊對照者的心電波形特征。發現房顫患者心電波形的 SampEn 顯著高于正常人，這為房顫的自動診斷和針對性治療提供了依據。Yang 等[29]利用家豬心肺復蘇的動物模型，比較了室顫波形的譜能量與 AMSA 的預測能力。該研究發現，以傅里葉變換的譜能量與 AMSA 兩個參數，在預測除顫結果的能力方面并無差異。Thannhauser 等[30]則對比了心肺復蘇的早期（前 3 次除顫）和晚期（4 次及以后的除顫）室顫波形的 AMSA 值及其變化對除顫結果的預測能力，結果發現只有在心肺復蘇的早期階段 AMSA 值及其變化才與除顫結果顯著相關，并提示需要進一步加強對心肺復蘇晚期除顫波形與室顫波形相互作用的研究。為此，Coult 等[31]利用院外心臟驟停患者的心電數據，證實將室顫波形的特征 AMSA 與上一次除顫結果進行聯合分析，可提高對除顫結果的預測能力。與此同時，Coult 等[32]還分析了心肺復蘇過程中胸外按壓的頻譜對室顫波形頻譜特征的影響，并認為利用機器學習模型能夠在心肺復蘇過程中實現基于室顫波形特征分析的除顫結果準確預測。Nakagawa 等[33]則將 AMSA 值及其變化率聯合用于對除顫結果的預測，并證實組合之后的預測能力優于分別用 AMSA 值和 AMSA 的變化率單獨進行預測。以上這些基于除顫波形與室顫波形相互作用的研究，為進一步開展個性化的除顫方案設計與臨床應用奠定了實驗基礎。
5 個性化體外除顫方案的研究
分析不同患者室顫發生的根本原因并依據其生理體征施以個性化、精準化的治療，是近年來該領域的一個研究趨勢[34-36]。尤其在心臟驟停患者中，有一類被稱為頑固（難治）性室顫患者，占所有室顫患者的 20%～30%，其死亡率高達 85%～97%[37-38]。而如何治療頑固性室顫患者，目前仍是臨床上尚未解決的一個重要難題[39]。最近，Cheskes 等[40]采用隨機對照分組試驗的方法，比較了雙向量雙向波除顫以及改變電極位置的向量變化除顫對頑固性室顫的治療效果。該研究發現這兩種方式無論是除顫成功率（82.0% 和 76.3% vs 66.6%）還是自主循環恢復率（39.3% 和 40.0% vs 25.0%）均比傳統雙相波除顫有明顯提高，這為頑固性室顫的針對性治療提供了選擇方案。
Bragard 等[8]在研究虛擬電極極化假說時運用計算模型分析得出的一個主要結論，就是建議針對不同患者設計不同的除顫波形和復蘇方案。在動物實驗方面，Antoneli 等[41]運用離體大鼠心臟的室顫模型，比較了脈寬對起搏閾值和除顫概率關系的影響。該實驗結果顯示，脈寬為 0.5 ms 時除顫概率與起搏閾值的比值最低。研究起搏脈寬與除顫概率之間的相互關系，為下一步在進行除顫時選擇個性化的電擊參數提供了可行的方案。Aiello 等[42]則運用家豬室顫的心肺復蘇模型，探索了基于 AMSA 驅動的個性化除顫與復蘇方案。該研究證實采用基于室顫波形特征驅動的個性化復蘇方案，可以降低不必要的電擊除顫和復蘇后的心肌損傷。盡管越來越多的研究者認為，個性化的精準體外除顫技術是未來發展的趨勢，但這方面的研究工作還只是剛剛起步，仍有很多的技術問題需要進行深入研究與探索。
6 總結
除顫是一個復雜的電生理過程，除顫成功與否主要取決于以下三個方面的因素：一是高壓電擊所釋放電場的時空特性，即除顫波形的參數特征；二是患者本身的生理特征，如胸阻抗的大小、未治療室顫的持續時間以及心肺復蘇增加的冠狀動脈灌注程度；三是高壓電擊產生的瞬時空間電場與心臟自身的電活動相互作用。因此，根據檢測到的患者生理信息與心肌狀態，設計可編程的個性化除顫波形并實施精確化的除顫治療，是心臟體外除顫技術的研究方向，也是未來心臟體外除顫儀的發展目標。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
