作为一种复律心室颤动和室性心动过速等恶性心律失常的重要医疗电子设备，心脏体外除颤仪已经在临床上得到了广泛的应用。然而，目前临床对这类患者的抢救成功率依然不尽人意。本文就心脏体外电击除颤技术在近几年的研究进展进行了综述，并从心脏电击除颤的机制、新型体外除颤波形的设计、影响除颤结果的因素、除颤波形与室颤波形的相互作用和个性化体外除颤的方案等方面进行了分析与总结，为进一步优化心脏体外除颤仪的设计和临床应用提供参考。
引用本文： 李伟明, 谢佳玲, 彭莉, 魏良, 王双卫, 李永勤. 心脏体外电击除颤技术的研究进展. 生物医学工程学杂志, 2020, 37(6): 1095-1100. doi: 10.7507/1001-5515.202003013 复制
引言
心血管疾病是一类严重威胁人类健康和生命的疾病，具有高患病率、高致残率和高死亡率的特点。我国现有心血管病患者 2.9 亿人，每年因心血管病死亡的患者占到居民疾病死亡构成的 40%，高于肿瘤和其他疾病。更为严重的是，我国心血管病的患病率及死亡率仍处于上升阶段，对社会和家庭的负担也日渐加重，它不仅成为了一个重大的公共卫生问题，也成为了一个威胁我国未来发展的严峻社会问题[1]。
心律失常（arrhythmia）是由于心脏活动的起源和（或）传导障碍导致的心脏搏动频率和（或）节律异常。流行病学调查显示，各种原因引起的心律失常是心血管疾病患者主要的临床表现和死亡原因之一。恶性心律失常（malignant arrhythmia）如心室颤动（ventricular fibrillation，VF）和室性心动过速（ventricular tachycardia，VT），是指能使患者在短时间内引起血流动力学障碍、导致患者晕厥甚至猝死的心律失常。我国每年心脏骤停（cardiac arrest）的总人数高达 50 多万，其中 80% 是由这类恶性心律失常导致的[2]。心脏电击除颤（cardiac electrical defibrillation）也称心脏电复律（cardioversion），是在短时间内向心脏通以高压强电流，使心肌瞬间同时除极，消除异位性快速心律失常，使之转复为窦性心律的方法。自 1947 年 Beck 首次成功将此技术应用于临床以来，电击除颤目前仍是终止室颤的唯一有效方法。尽管近年来有关心肺复苏的技术和设备不断进步，但目前对心脏骤停的现场抢救成功率依然不尽人意，在我国仅为 5% 左右，在欧美等发达国家仅为 20% 左右[3]。
作为国际心血管急救和心肺复苏指南提出的生存链中的重要一环，心脏体外电击除颤技术一直是一个备受关注的重要领域，而便捷、安全、高效、智能则是除颤仪相关技术的研究重点和发展目标[4-6]。本文就心脏体外电击除颤技术在近几年的研究进展进行了综述，旨在为进一步优化心脏体外除颤仪的设计和临床应用提供参考。
1 电击除颤机制的研究
除颤是通过向心脏施加强大电场，同时去极化足够多的可兴奋细胞，以达到恢复自主循环的目的。然而研究发现除颤其实是一个与剂量相关的概率过程，并没有一个确保总能除颤成功的剂量阈值。因此，学术界对于高压电击终止室颤的内在机制一直存有争议[7]。早期提出的完全灭活假说（total extinction hypothesis）认为，高压电击必须使所有可兴奋的组织去极化，并终止室颤期间所有活动的波前，除颤才能成功。这也意味着，除颤失败后，室颤可由任何未被电击失活的波前重新启动。临界质量假说（critical mass hypothesis）则认为，除颤是通过直接刺激和兴奋心肌来实现的，成功除颤并不需要终止心脏所有活动的波前，而是只要失活 75%～90% 的心肌细胞。根据这一假设，除颤失败是因为高压电击未能使临界质量的心肌细胞去极化，使剩余未被失活的细胞继续颤动，导致整个心室回到室颤状态。脆弱性上限假设（upper limit of vulnerability hypothesis）则认为，电击必须同时对整个心室产生两种效应才能成功除颤：一是电击必须终止所有活动的波前，二是电击不能产生或激活新的波前。
近年来，基于电击电极附近区域产生的虚拟电极会使周围组织发生超极化或去极化现象而提出的虚拟电极极化假说（virtual electrode polarization hypothesis），显著提高了人们对除颤过程的认识[8]。虚拟电极理论解释除颤过程的基础是心脏结构如心外膜表面和血管的不均匀性。虚拟电极使得跨膜电压产生局部位移，并通过产生新的动作电位进一步干扰维持室颤的波前，从而终止室颤。为进一步完善该理论，Bragard 等[8]利用扩展的心肌组织电传导双域模型，评估了纤维化对细胞外电流引起的虚拟电极强度的影响。该研究结果表明，通过对细胞外施加刺激电流可以在心肌纤维斑块边界处形成虚拟电极，且虚拟电极的强度会随纤维化程度和斑块大小的增加而增加。此外，纤维化斑块的几何形状也会对虚拟电极的强度产生显著影响。心脏电击除颤理论的逐渐完善，将为进一步研究除颤效率更高的个性化除颤波形提供完备的理论支持。
2 新型体外除颤波形的研究
除颤波形是对心脏电击放电时除颤仪两个输出电极端的电压或电流随时间变化的曲线，是决定除颤效率的关键技术之一。早期的除颤仪采用单相波，即除颤电流的方向是固定的，电流在两个电极之间单向流动，从一个电极流向另一个电极。与单相波不同，双相除颤波形由两个极性相反的脉冲组成，在电击过程中电压/电流的极性会发生翻转[9]。目前临床广泛应用的双相波主要有图 1 所示的三种，分别是双相指数截断波（biphasic truncated exponential waveform，BTE）、双相方波（rectilinear biphasic waveform，RBW）和双相脉冲波（pulsed biphasic waveform，PBW），但这三种波形在除颤效率方面是否存在差异仍有争议[10]。因此，开发新型体外除颤波形并与现有双相波的除颤效率进行对比，一直是除颤仪技术研究的一个重要方向。
图1
现代体外除颤仪使用的双相波波形
Figure1.
Defibrillation waveform morphology of current external defibrillators
在最近的一项前瞻性随机临床研究中，Schmidt 等[11]比较了 BTE 和 PBW 两种波形电复律房颤的效率。该研究发现 BTE 的电复律效率明显优于 PBW 波形（86% vs 62%，P = 0.002），但两种波形在安全性方面并无差异。在前期研究发现上升波形的除颤效率高于衰减波形的基础上，Huang 等[12]运用家猪室颤动物模型，比较了第一相上升的双相除颤波形（biphasic waveform with ascending first phase，ASC）（见图 2a）与 BTE 波形在除颤以后对心肌损伤的影响。该研究从电生理学指标、组织学分析和生化指标三个方面对除颤电击引起的心肌损伤和坏死进行了评价，结果发现采用相同的能量进行电击除颤时，ASC 引起的心肌损伤明显少于 BTE。
图2
文献报道最近研究的几种除颤波形
a. 第一相上升的双相除颤波；b. 双矢量双向除颤波；c. 纳秒除颤波
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]设计了一种双向量双向除颤波形，形态上相当于将两个双相波依次放电的四相波（见图 2b）。与传统除颤所使用的两个除颤电极不同，研究者使用了一种相互正交的四个除颤电极，从而形成双向量除颤。然而动物实验的结果表明，该波形的除颤效率与 RBW 并无差异。
目前临床使用的除颤波形均为毫秒波，即除颤脉冲的持续时间在 6～32 ms 之间。依据心肌的电刺激强度-作用时间曲线，在该脉宽范围内进行电击除颤所需要的能量最低。美国欧道明大学的 Varghese 等 [13]设计了一种脉冲宽度约为 300 ns 的单相除颤波（见图 2c）。作者通过离体心脏的实验发现，虽然纳秒波的除颤电压远高于传统的毫秒波［（2.3 ± 0.2）kV vs（37 ± 2）V，P < 0.001］，但除颤所需要的能量大大降低，仅为 BTE 的 13% 左右［（64 ± 4）mJ vs（530 ± 35）mJ，P < 0.001］。在此基础上，该大学的 Semenov 等[14]将刺激心肌细胞的强度-持续时间曲线拓展到 200 ns 以下，并且比较了不同脉宽下电击强度对心肌细胞电穿孔损伤程度的影响。其研究结果进一步证实纳秒级电击可能会成为一种更有效、更安全的除颤方法，并支持对纳秒除颤波形的深入探索。以上这些新型体外除颤波形的设计研究，一方面为新型体外除颤仪的设计奠定了基础，另一方面又对其工程设计提出了新的挑战。
3 影响除颤结果的因素研究
除了除颤波形的设计之外，对其他在实际应用中可能会影响除颤结果的因素进行分析，也是近年来的一个研究方向。除颤有赖于选择恰当的能量以产生足够的电流，若能量及电流太低，电击不能终止恶性心律失常。但是如果能量及电流太高，又可引起心肌损伤或心肌坏死。Mercier 等[15]回顾性分析了青少年心脏骤停患者初始除颤能量设置与自主循环恢复之间的关系，发现除颤能量的剂量及阈值和患者体重之间仅具有弱相关性。Anantharaman 等[16]则通过多中心、前瞻性随机分组对照临床试验，比较了采用 150-150-150 J 的恒定能量模式和采用 200-300-360 J 的递增能量模式对需要进行多次除颤患者复苏结果的影响。该研究发现采用能量递进模式对复苏结果（除颤成功率：66.7% vs 64.4%，P = 0.78；自主循环恢复率：25.6% vs 29.7%，P = 0.56）并没有显著影响，即通过增加能量并不能提高除颤及复苏成功率。
为明确响应时间对室颤患者救治结果的影响，徐津申[5]分析了 119 例使用自动体外除颤仪进行除颤的患者，证实除颤成功率与从患者室颤发作到除颤完成所需的时间成反比：在室颤发生后的 1 min 内除颤，抢救成功率为 93.3%，在 1～4 min 内除颤，成功率为 74.1%；而在 4～10 min 内除颤，成功率就下降为 48.0%。Patel 等[17]则对比了从室颤发生到完成除颤所需要的时间间隔对复苏结局的影响，发现在 2 min 内完成除颤的患者，无论是 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）还是 5 年生存率（14.7% vs 7.9%，P < 0.001），均显著高于除颤时间大于 2 min 的患者。Bircher 等[18]对 57 312 例心脏骤停患者的研究结果显示，除颤的响应时间每延误 1 min，患者的长期生存率就下降 1%（P < 0.001）。
现代除颤仪采用基于 RC 充放电的直流除颤技术，其中 R 为除颤仪的负载即患者的胸阻抗，C 为除颤仪所使用电容的容量。本团队开展的一项回顾性临床研究发现，成人患者胸阻抗的变化范围多在 40～240 ohm[19]。针对高阻抗患者通过减小 RC 放电回路的电流而降低所释放能量导致除颤效率下降的问题，现代体外除颤仪使用了“阻抗补偿技术”。除颤仪在进行除颤的过程中，会根据所测量的患者胸阻抗大小实时调整输出波形的幅度、形状或宽度，以此提高对高阻抗患者的除颤成功率。Sadek 等[20]分析了患者胸阻抗对电复律结果的影响，发现即使是采用了胸阻抗补偿技术的 BTE，其效率还是会受到患者胸阻抗的影响。高胸阻抗患者的电复律成功率较低，所需要的除颤次数和累积除颤能量也更多。患者胸阻抗每增加 10 Ω，电复律失败的概率就增加 22%～36%（P < 0.001）。
运用高阻抗的家猪室颤模型，本团队发现双相波的除颤电流尤其是第一时相的平均电流，是一个比目前除颤仪中使用的能量指标更好地决定电击成功与否的指标参数，这一结果为设计新的基于电流的双相波除颤仪提供了基础[21-22]。在本团队前期研究的基础上，Anantharaman 等[23]分析了 197 例室颤患者除颤波形的峰值电流、除颤能量与除颤结果之间的关系，证实了电流是比能量更好的除颤剂量单位和指标参数的结论，并发现对室颤患者除颤的有效电流范围是 10～20 A。近年来这些针对除颤结果影响因素的研究，为解释当前除颤和心肺复苏成功率不高的现状以及下一步除颤技术的深入研究提供了方向。
4 除颤波形与室颤波形的相互作用研究
即使是在相同的救治条件下，每例患者对电击除颤的响应也不完全相同。为此，本团队[24]分析了 257 例院外心脏骤停患者心电波形在电击除颤以后随时间的变化，发现虽然在除颤结束后的 5 s 之内有 79% 的室颤被终止，但在随后的 2 min 里又有 41% 的患者复发室颤。结合除颤前室颤波形的特征分析结果，本团队提出了“除颤过程是一个除颤波形与室颤波形相互作用的过程，除颤成功与否取决于心肌对电击除颤响应的准备程度”这一假说。Balderston 等[25]分析了 80 例患者除颤前室颤波形的信号幅度与患者复苏结局之间的关系，发现信号幅度与除颤结果、自主循环恢复率以及出院生存率均显著相关。利用来自日本火灾和灾害管理机构的 71 566 例室颤患者注册数据，Hagihara 等[26]分析了除颤波形和除颤次数的相互作用对患者生存结局的影响。该研究表明无论是单相波还是双相波，除颤次数的增加均与自主循环恢复率的降低相关。但对于双相波，除颤次数的增加却与一个月生存率的增加有关。在对长期存活率的影响方面，双相波形比单相波形更加有效。
为研究缺血性心脏病对除颤结果的影响，Hulleman 等[27]比较了有无急性 ST 段抬高心肌梗死（ST-elevation myocardial infarction，STEMI）患者室颤波形的幅度谱面积（amplitude spectrum area，AMSA）对除颤结果的预测能力。发现 STEMI 患者的 AMSA 值显著低于非 STEMI 患者，且 AMSA 仅对非 STEMI 患者除颤结果有较强的预测能力。Horie 等[28]则以样本熵（sample entropy，SampEn）为指标，比较了 15 例慢性房颤患者与 34 例无心律不齐对照者的心电波形特征。发现房颤患者心电波形的 SampEn 显著高于正常人，这为房颤的自动诊断和针对性治疗提供了依据。Yang 等[29]利用家猪心肺复苏的动物模型，比较了室颤波形的谱能量与 AMSA 的预测能力。该研究发现，以傅里叶变换的谱能量与 AMSA 两个参数，在预测除颤结果的能力方面并无差异。Thannhauser 等[30]则对比了心肺复苏的早期（前 3 次除颤）和晚期（4 次及以后的除颤）室颤波形的 AMSA 值及其变化对除颤结果的预测能力，结果发现只有在心肺复苏的早期阶段 AMSA 值及其变化才与除颤结果显著相关，并提示需要进一步加强对心肺复苏晚期除颤波形与室颤波形相互作用的研究。为此，Coult 等[31]利用院外心脏骤停患者的心电数据，证实将室颤波形的特征 AMSA 与上一次除颤结果进行联合分析，可提高对除颤结果的预测能力。与此同时，Coult 等[32]还分析了心肺复苏过程中胸外按压的频谱对室颤波形频谱特征的影响，并认为利用机器学习模型能够在心肺复苏过程中实现基于室颤波形特征分析的除颤结果准确预测。Nakagawa 等[33]则将 AMSA 值及其变化率联合用于对除颤结果的预测，并证实组合之后的预测能力优于分别用 AMSA 值和 AMSA 的变化率单独进行预测。以上这些基于除颤波形与室颤波形相互作用的研究，为进一步开展个性化的除颤方案设计与临床应用奠定了实验基础。
5 个性化体外除颤方案的研究
分析不同患者室颤发生的根本原因并依据其生理体征施以个性化、精准化的治疗，是近年来该领域的一个研究趋势[34-36]。尤其在心脏骤停患者中，有一类被称为顽固（难治）性室颤患者，占所有室颤患者的 20%～30%，其死亡率高达 85%～97%[37-38]。而如何治疗顽固性室颤患者，目前仍是临床上尚未解决的一个重要难题[39]。最近，Cheskes 等[40]采用随机对照分组试验的方法，比较了双向量双向波除颤以及改变电极位置的向量变化除颤对顽固性室颤的治疗效果。该研究发现这两种方式无论是除颤成功率（82.0% 和 76.3% vs 66.6%）还是自主循环恢复率（39.3% 和 40.0% vs 25.0%）均比传统双相波除颤有明显提高，这为顽固性室颤的针对性治疗提供了选择方案。
Bragard 等[8]在研究虚拟电极极化假说时运用计算模型分析得出的一个主要结论，就是建议针对不同患者设计不同的除颤波形和复苏方案。在动物实验方面，Antoneli 等[41]运用离体大鼠心脏的室颤模型，比较了脉宽对起搏阈值和除颤概率关系的影响。该实验结果显示，脉宽为 0.5 ms 时除颤概率与起搏阈值的比值最低。研究起搏脉宽与除颤概率之间的相互关系，为下一步在进行除颤时选择个性化的电击参数提供了可行的方案。Aiello 等[42]则运用家猪室颤的心肺复苏模型，探索了基于 AMSA 驱动的个性化除颤与复苏方案。该研究证实采用基于室颤波形特征驱动的个性化复苏方案，可以降低不必要的电击除颤和复苏后的心肌损伤。尽管越来越多的研究者认为，个性化的精准体外除颤技术是未来发展的趋势，但这方面的研究工作还只是刚刚起步，仍有很多的技术问题需要进行深入研究与探索。
6 总结
除颤是一个复杂的电生理过程，除颤成功与否主要取决于以下三个方面的因素：一是高压电击所释放电场的时空特性，即除颤波形的参数特征；二是患者本身的生理特征，如胸阻抗的大小、未治疗室颤的持续时间以及心肺复苏增加的冠状动脉灌注程度；三是高压电击产生的瞬时空间电场与心脏自身的电活动相互作用。因此，根据检测到的患者生理信息与心肌状态，设计可编程的个性化除颤波形并实施精确化的除颤治疗，是心脏体外除颤技术的研究方向，也是未来心脏体外除颤仪的发展目标。
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
引言
心血管疾病是一类严重威胁人类健康和生命的疾病，具有高患病率、高致残率和高死亡率的特点。我国现有心血管病患者 2.9 亿人，每年因心血管病死亡的患者占到居民疾病死亡构成的 40%，高于肿瘤和其他疾病。更为严重的是，我国心血管病的患病率及死亡率仍处于上升阶段，对社会和家庭的负担也日渐加重，它不仅成为了一个重大的公共卫生问题，也成为了一个威胁我国未来发展的严峻社会问题[1]。
心律失常（arrhythmia）是由于心脏活动的起源和（或）传导障碍导致的心脏搏动频率和（或）节律异常。流行病学调查显示，各种原因引起的心律失常是心血管疾病患者主要的临床表现和死亡原因之一。恶性心律失常（malignant arrhythmia）如心室颤动（ventricular fibrillation，VF）和室性心动过速（ventricular tachycardia，VT），是指能使患者在短时间内引起血流动力学障碍、导致患者晕厥甚至猝死的心律失常。我国每年心脏骤停（cardiac arrest）的总人数高达 50 多万，其中 80% 是由这类恶性心律失常导致的[2]。心脏电击除颤（cardiac electrical defibrillation）也称心脏电复律（cardioversion），是在短时间内向心脏通以高压强电流，使心肌瞬间同时除极，消除异位性快速心律失常，使之转复为窦性心律的方法。自 1947 年 Beck 首次成功将此技术应用于临床以来，电击除颤目前仍是终止室颤的唯一有效方法。尽管近年来有关心肺复苏的技术和设备不断进步，但目前对心脏骤停的现场抢救成功率依然不尽人意，在我国仅为 5% 左右，在欧美等发达国家仅为 20% 左右[3]。
作为国际心血管急救和心肺复苏指南提出的生存链中的重要一环，心脏体外电击除颤技术一直是一个备受关注的重要领域，而便捷、安全、高效、智能则是除颤仪相关技术的研究重点和发展目标[4-6]。本文就心脏体外电击除颤技术在近几年的研究进展进行了综述，旨在为进一步优化心脏体外除颤仪的设计和临床应用提供参考。
1 电击除颤机制的研究
除颤是通过向心脏施加强大电场，同时去极化足够多的可兴奋细胞，以达到恢复自主循环的目的。然而研究发现除颤其实是一个与剂量相关的概率过程，并没有一个确保总能除颤成功的剂量阈值。因此，学术界对于高压电击终止室颤的内在机制一直存有争议[7]。早期提出的完全灭活假说（total extinction hypothesis）认为，高压电击必须使所有可兴奋的组织去极化，并终止室颤期间所有活动的波前，除颤才能成功。这也意味着，除颤失败后，室颤可由任何未被电击失活的波前重新启动。临界质量假说（critical mass hypothesis）则认为，除颤是通过直接刺激和兴奋心肌来实现的，成功除颤并不需要终止心脏所有活动的波前，而是只要失活 75%～90% 的心肌细胞。根据这一假设，除颤失败是因为高压电击未能使临界质量的心肌细胞去极化，使剩余未被失活的细胞继续颤动，导致整个心室回到室颤状态。脆弱性上限假设（upper limit of vulnerability hypothesis）则认为，电击必须同时对整个心室产生两种效应才能成功除颤：一是电击必须终止所有活动的波前，二是电击不能产生或激活新的波前。
近年来，基于电击电极附近区域产生的虚拟电极会使周围组织发生超极化或去极化现象而提出的虚拟电极极化假说（virtual electrode polarization hypothesis），显著提高了人们对除颤过程的认识[8]。虚拟电极理论解释除颤过程的基础是心脏结构如心外膜表面和血管的不均匀性。虚拟电极使得跨膜电压产生局部位移，并通过产生新的动作电位进一步干扰维持室颤的波前，从而终止室颤。为进一步完善该理论，Bragard 等[8]利用扩展的心肌组织电传导双域模型，评估了纤维化对细胞外电流引起的虚拟电极强度的影响。该研究结果表明，通过对细胞外施加刺激电流可以在心肌纤维斑块边界处形成虚拟电极，且虚拟电极的强度会随纤维化程度和斑块大小的增加而增加。此外，纤维化斑块的几何形状也会对虚拟电极的强度产生显著影响。心脏电击除颤理论的逐渐完善，将为进一步研究除颤效率更高的个性化除颤波形提供完备的理论支持。
2 新型体外除颤波形的研究
除颤波形是对心脏电击放电时除颤仪两个输出电极端的电压或电流随时间变化的曲线，是决定除颤效率的关键技术之一。早期的除颤仪采用单相波，即除颤电流的方向是固定的，电流在两个电极之间单向流动，从一个电极流向另一个电极。与单相波不同，双相除颤波形由两个极性相反的脉冲组成，在电击过程中电压/电流的极性会发生翻转[9]。目前临床广泛应用的双相波主要有图 1 所示的三种，分别是双相指数截断波（biphasic truncated exponential waveform，BTE）、双相方波（rectilinear biphasic waveform，RBW）和双相脉冲波（pulsed biphasic waveform，PBW），但这三种波形在除颤效率方面是否存在差异仍有争议[10]。因此，开发新型体外除颤波形并与现有双相波的除颤效率进行对比，一直是除颤仪技术研究的一个重要方向。
图1
现代体外除颤仪使用的双相波波形
Figure1.
Defibrillation waveform morphology of current external defibrillators
在最近的一项前瞻性随机临床研究中，Schmidt 等[11]比较了 BTE 和 PBW 两种波形电复律房颤的效率。该研究发现 BTE 的电复律效率明显优于 PBW 波形（86% vs 62%，P = 0.002），但两种波形在安全性方面并无差异。在前期研究发现上升波形的除颤效率高于衰减波形的基础上，Huang 等[12]运用家猪室颤动物模型，比较了第一相上升的双相除颤波形（biphasic waveform with ascending first phase，ASC）（见图 2a）与 BTE 波形在除颤以后对心肌损伤的影响。该研究从电生理学指标、组织学分析和生化指标三个方面对除颤电击引起的心肌损伤和坏死进行了评价，结果发现采用相同的能量进行电击除颤时，ASC 引起的心肌损伤明显少于 BTE。
图2
文献报道最近研究的几种除颤波形
a. 第一相上升的双相除颤波；b. 双矢量双向除颤波；c. 纳秒除颤波
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]设计了一种双向量双向除颤波形，形态上相当于将两个双相波依次放电的四相波（见图 2b）。与传统除颤所使用的两个除颤电极不同，研究者使用了一种相互正交的四个除颤电极，从而形成双向量除颤。然而动物实验的结果表明，该波形的除颤效率与 RBW 并无差异。
目前临床使用的除颤波形均为毫秒波，即除颤脉冲的持续时间在 6～32 ms 之间。依据心肌的电刺激强度-作用时间曲线，在该脉宽范围内进行电击除颤所需要的能量最低。美国欧道明大学的 Varghese 等 [13]设计了一种脉冲宽度约为 300 ns 的单相除颤波（见图 2c）。作者通过离体心脏的实验发现，虽然纳秒波的除颤电压远高于传统的毫秒波［（2.3 ± 0.2）kV vs（37 ± 2）V，P < 0.001］，但除颤所需要的能量大大降低，仅为 BTE 的 13% 左右［（64 ± 4）mJ vs（530 ± 35）mJ，P < 0.001］。在此基础上，该大学的 Semenov 等[14]将刺激心肌细胞的强度-持续时间曲线拓展到 200 ns 以下，并且比较了不同脉宽下电击强度对心肌细胞电穿孔损伤程度的影响。其研究结果进一步证实纳秒级电击可能会成为一种更有效、更安全的除颤方法，并支持对纳秒除颤波形的深入探索。以上这些新型体外除颤波形的设计研究，一方面为新型体外除颤仪的设计奠定了基础，另一方面又对其工程设计提出了新的挑战。
3 影响除颤结果的因素研究
除了除颤波形的设计之外，对其他在实际应用中可能会影响除颤结果的因素进行分析，也是近年来的一个研究方向。除颤有赖于选择恰当的能量以产生足够的电流，若能量及电流太低，电击不能终止恶性心律失常。但是如果能量及电流太高，又可引起心肌损伤或心肌坏死。Mercier 等[15]回顾性分析了青少年心脏骤停患者初始除颤能量设置与自主循环恢复之间的关系，发现除颤能量的剂量及阈值和患者体重之间仅具有弱相关性。Anantharaman 等[16]则通过多中心、前瞻性随机分组对照临床试验，比较了采用 150-150-150 J 的恒定能量模式和采用 200-300-360 J 的递增能量模式对需要进行多次除颤患者复苏结果的影响。该研究发现采用能量递进模式对复苏结果（除颤成功率：66.7% vs 64.4%，P = 0.78；自主循环恢复率：25.6% vs 29.7%，P = 0.56）并没有显著影响，即通过增加能量并不能提高除颤及复苏成功率。
为明确响应时间对室颤患者救治结果的影响，徐津申[5]分析了 119 例使用自动体外除颤仪进行除颤的患者，证实除颤成功率与从患者室颤发作到除颤完成所需的时间成反比：在室颤发生后的 1 min 内除颤，抢救成功率为 93.3%，在 1～4 min 内除颤，成功率为 74.1%；而在 4～10 min 内除颤，成功率就下降为 48.0%。Patel 等[17]则对比了从室颤发生到完成除颤所需要的时间间隔对复苏结局的影响，发现在 2 min 内完成除颤的患者，无论是 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）还是 5 年生存率（14.7% vs 7.9%，P < 0.001），均显著高于除颤时间大于 2 min 的患者。Bircher 等[18]对 57 312 例心脏骤停患者的研究结果显示，除颤的响应时间每延误 1 min，患者的长期生存率就下降 1%（P < 0.001）。
现代除颤仪采用基于 RC 充放电的直流除颤技术，其中 R 为除颤仪的负载即患者的胸阻抗，C 为除颤仪所使用电容的容量。本团队开展的一项回顾性临床研究发现，成人患者胸阻抗的变化范围多在 40～240 ohm[19]。针对高阻抗患者通过减小 RC 放电回路的电流而降低所释放能量导致除颤效率下降的问题，现代体外除颤仪使用了“阻抗补偿技术”。除颤仪在进行除颤的过程中，会根据所测量的患者胸阻抗大小实时调整输出波形的幅度、形状或宽度，以此提高对高阻抗患者的除颤成功率。Sadek 等[20]分析了患者胸阻抗对电复律结果的影响，发现即使是采用了胸阻抗补偿技术的 BTE，其效率还是会受到患者胸阻抗的影响。高胸阻抗患者的电复律成功率较低，所需要的除颤次数和累积除颤能量也更多。患者胸阻抗每增加 10 Ω，电复律失败的概率就增加 22%～36%（P < 0.001）。
运用高阻抗的家猪室颤模型，本团队发现双相波的除颤电流尤其是第一时相的平均电流，是一个比目前除颤仪中使用的能量指标更好地决定电击成功与否的指标参数，这一结果为设计新的基于电流的双相波除颤仪提供了基础[21-22]。在本团队前期研究的基础上，Anantharaman 等[23]分析了 197 例室颤患者除颤波形的峰值电流、除颤能量与除颤结果之间的关系，证实了电流是比能量更好的除颤剂量单位和指标参数的结论，并发现对室颤患者除颤的有效电流范围是 10～20 A。近年来这些针对除颤结果影响因素的研究，为解释当前除颤和心肺复苏成功率不高的现状以及下一步除颤技术的深入研究提供了方向。
4 除颤波形与室颤波形的相互作用研究
即使是在相同的救治条件下，每例患者对电击除颤的响应也不完全相同。为此，本团队[24]分析了 257 例院外心脏骤停患者心电波形在电击除颤以后随时间的变化，发现虽然在除颤结束后的 5 s 之内有 79% 的室颤被终止，但在随后的 2 min 里又有 41% 的患者复发室颤。结合除颤前室颤波形的特征分析结果，本团队提出了“除颤过程是一个除颤波形与室颤波形相互作用的过程，除颤成功与否取决于心肌对电击除颤响应的准备程度”这一假说。Balderston 等[25]分析了 80 例患者除颤前室颤波形的信号幅度与患者复苏结局之间的关系，发现信号幅度与除颤结果、自主循环恢复率以及出院生存率均显著相关。利用来自日本火灾和灾害管理机构的 71 566 例室颤患者注册数据，Hagihara 等[26]分析了除颤波形和除颤次数的相互作用对患者生存结局的影响。该研究表明无论是单相波还是双相波，除颤次数的增加均与自主循环恢复率的降低相关。但对于双相波，除颤次数的增加却与一个月生存率的增加有关。在对长期存活率的影响方面，双相波形比单相波形更加有效。
为研究缺血性心脏病对除颤结果的影响，Hulleman 等[27]比较了有无急性 ST 段抬高心肌梗死（ST-elevation myocardial infarction，STEMI）患者室颤波形的幅度谱面积（amplitude spectrum area，AMSA）对除颤结果的预测能力。发现 STEMI 患者的 AMSA 值显著低于非 STEMI 患者，且 AMSA 仅对非 STEMI 患者除颤结果有较强的预测能力。Horie 等[28]则以样本熵（sample entropy，SampEn）为指标，比较了 15 例慢性房颤患者与 34 例无心律不齐对照者的心电波形特征。发现房颤患者心电波形的 SampEn 显著高于正常人，这为房颤的自动诊断和针对性治疗提供了依据。Yang 等[29]利用家猪心肺复苏的动物模型，比较了室颤波形的谱能量与 AMSA 的预测能力。该研究发现，以傅里叶变换的谱能量与 AMSA 两个参数，在预测除颤结果的能力方面并无差异。Thannhauser 等[30]则对比了心肺复苏的早期（前 3 次除颤）和晚期（4 次及以后的除颤）室颤波形的 AMSA 值及其变化对除颤结果的预测能力，结果发现只有在心肺复苏的早期阶段 AMSA 值及其变化才与除颤结果显著相关，并提示需要进一步加强对心肺复苏晚期除颤波形与室颤波形相互作用的研究。为此，Coult 等[31]利用院外心脏骤停患者的心电数据，证实将室颤波形的特征 AMSA 与上一次除颤结果进行联合分析，可提高对除颤结果的预测能力。与此同时，Coult 等[32]还分析了心肺复苏过程中胸外按压的频谱对室颤波形频谱特征的影响，并认为利用机器学习模型能够在心肺复苏过程中实现基于室颤波形特征分析的除颤结果准确预测。Nakagawa 等[33]则将 AMSA 值及其变化率联合用于对除颤结果的预测，并证实组合之后的预测能力优于分别用 AMSA 值和 AMSA 的变化率单独进行预测。以上这些基于除颤波形与室颤波形相互作用的研究，为进一步开展个性化的除颤方案设计与临床应用奠定了实验基础。
5 个性化体外除颤方案的研究
分析不同患者室颤发生的根本原因并依据其生理体征施以个性化、精准化的治疗，是近年来该领域的一个研究趋势[34-36]。尤其在心脏骤停患者中，有一类被称为顽固（难治）性室颤患者，占所有室颤患者的 20%～30%，其死亡率高达 85%～97%[37-38]。而如何治疗顽固性室颤患者，目前仍是临床上尚未解决的一个重要难题[39]。最近，Cheskes 等[40]采用随机对照分组试验的方法，比较了双向量双向波除颤以及改变电极位置的向量变化除颤对顽固性室颤的治疗效果。该研究发现这两种方式无论是除颤成功率（82.0% 和 76.3% vs 66.6%）还是自主循环恢复率（39.3% 和 40.0% vs 25.0%）均比传统双相波除颤有明显提高，这为顽固性室颤的针对性治疗提供了选择方案。
Bragard 等[8]在研究虚拟电极极化假说时运用计算模型分析得出的一个主要结论，就是建议针对不同患者设计不同的除颤波形和复苏方案。在动物实验方面，Antoneli 等[41]运用离体大鼠心脏的室颤模型，比较了脉宽对起搏阈值和除颤概率关系的影响。该实验结果显示，脉宽为 0.5 ms 时除颤概率与起搏阈值的比值最低。研究起搏脉宽与除颤概率之间的相互关系，为下一步在进行除颤时选择个性化的电击参数提供了可行的方案。Aiello 等[42]则运用家猪室颤的心肺复苏模型，探索了基于 AMSA 驱动的个性化除颤与复苏方案。该研究证实采用基于室颤波形特征驱动的个性化复苏方案，可以降低不必要的电击除颤和复苏后的心肌损伤。尽管越来越多的研究者认为，个性化的精准体外除颤技术是未来发展的趋势，但这方面的研究工作还只是刚刚起步，仍有很多的技术问题需要进行深入研究与探索。
6 总结
除颤是一个复杂的电生理过程，除颤成功与否主要取决于以下三个方面的因素：一是高压电击所释放电场的时空特性，即除颤波形的参数特征；二是患者本身的生理特征，如胸阻抗的大小、未治疗室颤的持续时间以及心肺复苏增加的冠状动脉灌注程度；三是高压电击产生的瞬时空间电场与心脏自身的电活动相互作用。因此，根据检测到的患者生理信息与心肌状态，设计可编程的个性化除颤波形并实施精确化的除颤治疗，是心脏体外除颤技术的研究方向，也是未来心脏体外除颤仪的发展目标。
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
