心电图产生的原理

心电图产生的原理本章主要结合心脏电生理学、容积导电及心电向量等方面的知识，阐述心电图产生的原理。第一节心肌细胞的除极和复极一、心肌细胞的除极(一)心肌细胞的极化状态和除极前已述及，心肌细胞在安静状态下，细胞膜外荷正电，细胞膜内荷负电，即细胞膜外得到一定数量的带正电荷的阳离子，细胞膜内则得到相同数量的带负电荷的阴离子。因此，膜外的电位高于膜内的电位。在静息状态下心肌细胞始终保持着这种稳定的状态而不产生电流，称为极化状态(polarizalion)（图3-1），此时若将心肌细胞外的两端连导线至电流计，则指针不动，为一条电平线。当心肌细胞的某一部位受到刺激时，该处细胞膜的电阻特性便迅速发生改变，对Na+的通透性突然升高(快Na+通道开放)，而对K+通透性降低(K+通道关闭),瞬间膜外大量Na+迅速流入细胞内,使膜内的电位由-90mV突然升高至+20～+30mV。这种由激动所产生的电位变化仅历时1～2ms，为动作电位，即曲线中的“0”时相。当Na+内移到一定程度时，受电位和离子浓度梯度的作用趋于稳定，此时细胞外的阴离子与细胞内的阳离子又互相对立，再形成极化状态，但此时与静止期不同，为递转极化状态。这一转变就是心肌细胞的除极过程。图3-1心肌细胞的除极和复极(二)心肌细胞除极作用的扩展心肌细胞在静止状态时，细胞内外正负电荷沿细胞膜而对立，保持于稳定与均衡的极化状态，互不交流，故不产生电流。细胞膜外任何两点之间的电位都相等，无电位差。当心肌细胞被激动而除极时，离子跨过细胞膜，引起细胞内外电荷的交换，于是已除极部位膜外形成负电位，邻近未除极的部位则形成正电位，两者之间存在着电位差，电流从未除极的部位流向已除极的部位。已除极部位与未除极部位的交界处形成的电位差似一对电偶，即电源(＋)与电穴(－)。未除极的部位为电源(＋)，已除极的部位为电穴(－)。电源部位的正电荷通过电穴部位的细胞膜进入膜内，当其电位逐渐下降至一定程度时，该处的细胞膜即开始除极，此时已除极的部位与它前方的尚未除极的邻接部位相比又成为新的电穴(－)，尚未除极的邻接部位又成为新的电源(＋)，如此不断扩展，直至整个心肌细胞完全除极。电偶的电源在前，电穴在后，除极的方向就是电荷移动的方向。(三)除极波的形成心肌细胞在除极过程中的电位变化，可使用电流计记录下来，所录得的曲线即称为除极波。当心肌细胞处于静息状态时，因无电位变化，记录出一条电位线；当心肌细胞除极向前进行时，如探查电极面向电源，描出向上的曲线；如探查电极面向电穴，描出向下的波；如探查电极置于细胞的中部，则当除极开始时探查电极面对电源，受正电位的影响，描出向上的曲线图，除极过程继续进行，当电源到达并刚好通过探查电极时，电极受正电位的影响最大，此时曲线升至最高点(ｘ)，然后电源离开探查电极，电穴到达并通过探查电极，电极受负电位影响，中位由最高点突然降至“0”点或负电位，此时曲线骤然转折称为内部转折，或本位曲折。尔后，电偶继续向前推进，电穴逐渐远离探查电极，故受负性电位的影响亦逐渐减弱，于是曲线又逐渐回升(图3－2)。最后，除极完毕，已无电位变化，电流曲线回至等电位线。图3－2心肌细胞的除极过程心脏是由许多心肌细胞构成的，根据心电向量的观念，单极导联(胸导或肢导)并不单纯地反映电极下那部分心肌的电力活动，而是反映整个心肌的电激动过程。因此，所谓“类内部转折”或“类激动时间”并不代表电极下那一部分心肌自心内膜到达心内膜的时间，故将此概念引用到心电图上(称为“类内部转折”或“类激动时间”)，并作为心电图诊断的一项指标，在理论上是片面的，在实际应用中也是不妥的。但是由于多年来临床心电图的应用，积累了大量的经验，临床实践所测定的“室壁激动时间”的数据，对临床心电图诊断仍有一定的参考价值。二、心肌细胞的复极(一)心肌细胞的复极心肌细胞除极之后，由于细胞的新陈代谢，使细胞膜依靠K+—Na+泵的作用，将细胞内过多的Na+转移到细胞外，而细胞外过多的K+被转移到细胞内，重新调整了细胞膜对Na+、K+的通透性，于是又恢复了静止时的极化状态，这个过程称为复极。复极的过程和除极相同，即先开始除极的部分先复极，后开始除极的部分后复极(图3－3)。在复极过程中，由于阳离子的外流，复极部分的细胞膜外重新得到带有正电荷的阳离子，呈现正电位，未复极的部位为负电位，膜外形成电位差，并产生电流。电流的方向是从已复极的部位流向未复极的部位，即电穴在前，电源在后，其方向正好与除极过程相反(见图3－2)。若将膜表面的电位变化记录下来，则可得到一个方向相反、电量相等的双向波。心肌细胞的复极与除极有以下几点区别：1．除极过程电源在前，电穴在后；而复极过程是电穴在前，电源在后。2．除极速度快，而复极速度慢，为除极过程的2～7倍，故除极波起伏陡峭，波形高尖，复极波则起伏迟缓，振幅较低，但二者面积相等。3．除极波有内部转折，而复极波无内部转折，从复极波形态上不能识别复极过程已到达探查电极的部位。4．复极过程与细胞的新陈代谢、生物化学改变等有密切关系，且易受其影响而发生改变。在临床心电图中，除极波正常而复极波已有明显改变者相当多见。图3－3心肌细胞的复极(二)复极波的形成用电流计可以将心肌细胞复极过程中的电位变化记录下来，称为复极波。心肌细胞除极完毕，先开始除极的部位开始复极，膜外为正电位，即电源。未复极的心肌细胞膜外为负电位，即电穴。如探查电极面对电穴，则描出一向下的曲线。复极继续向前进行，前面为负电位(电穴)，后面为正电位(电源)，对着电穴的电极描出一向下的波。反之，如探查电极面对电源，则描出一向上的波。如探查电极在心肌细胞的中段，则形成负正双向波。由于复极进行较除极缓慢，因而描出的曲线故为圆体。当复极完毕，细胞膜恢复到正电位，电位差消失，曲线即回到等电位线。综合前述：①在除极过程中，膜外形成电位差而产生电流，除极的前方为正，后方为负，相当于心室除极产生的QRS波段；②在复极过程中，膜外形成电位差产生电流，复极的前方为负，后方为正(和除极的方向相反)，相当于心室复极产生的T波；③除极以前，复极以后(波化状态)，以及除极后至复极前(极化逆转)，膜表面无电位差，无电流产生，描出来的为一条水平直线。心室极化状态时，在心电图上为T-Q段；极化逆转在心电图上为QRS波段。心电图是在体表记录下来的，这与细胞膜表面所测得的动作电位在除极上相似，但由于心脏是由许多细胞组成的复合体，以及心脏结构的特殊性，故临床心电图记录的是整个心脏所产生的综合电位变化，这同从单一心肌细胞表面所测得的电位变化大不相同。为了理解人体心电活动与临床心电图描记之间的关系，须讨论“心脏的除极与复极”、“容积导电”和“心电综合向量”等概念。第二节心脏的除极与复极心脏为近似一前后稍扁倒置的圆锥体，有构造复杂的心房和心室。心室为一不规则的“U”形器官，当心脏激动时，心房和心室(尤其是心室)内会发生极为复杂的电压变化，而构成心电图的特有波形。心脏除极时，其方向是从心内膜向心外膜，即正电荷由心内膜向心外膜移动，因此面对心外膜的电极描出一向上的波，面对心内膜的电极则描出一向下的波。心脏复极和除极的方向不一致，从心外膜开始向心内膜进行，故面对心外膜的电极亦描出向上的波。因此，QRS波的主波向上，T波亦向上，两者是一致的(见图3－3)。对复极自心外膜开始有如下学说：（一）压力学说当心肌收缩时，心内膜的压力高于心外膜，压力低的心外膜易于复极。但用吸引抽空电极作蛙的心脏试验，其结果相反。（二）温度学说认为心肌收缩的产生热量，较血液温度高1.5℃。心腔内由于血液的流动，温度容易散失，而心外膜有脂肪组织包裹，影响了热量的放散，所以心外膜里的温度高于心内膜面。由于温度对心肌代谢有影响，温度高的心外膜面先行复极并向心内膜面进行，所以面对心外膜面的特制电极描出一向上的T波。目前多认为用此学说解释较为妥当。在心脏除极、复极过程中，左、右心房，左、右心室互相影响，如左心室除极时，左心室外膜面探查电极直接反应左心室除极的电位变化，但同时又受右心室除极的影响，而使波幅降低。反之，当右心室除极时，也必然受到左心室除极的影响。正常左心室肌肉厚度为右心室的2.5～3.0倍，室间隔厚度几乎和左心室壁相等，虽左、右心室同时开始除极，但右心室除极结束先于左心室，因此，右心室外膜面表现为一个小的向上波(反映右心室壁的除极波)与一个深的向下波(反映为左心室的除极波)。在左心室外膜面的探查电极下，则呈现一大的向上波(图3－4)。图3－4左、右心室外膜面的除极与复极波形第三节电偶学说及容积导电的概念在心电图学中，通常用电偶学说来说明心肌细胞除极和复极的情况。前已述及，电偶是由一对电源及电穴组成的。心肌细胞一端的细胞膜受到一定强度的刺激时，其极化电位减少，当达到阈电位时，该处的细胞膜发生除极化，膜外荷负电，而附近尚未除极的细胞膜外仍荷正电，于是两处之间产生电位差，出现了电偶。尚未除极的部位成为电源，已除极的部位成为电穴。尔后，电源部位由于接受电穴部位的动作电流，其极化电位逐渐减少，当达到阈电位时，即发生除极作用，膜外荷负电而成为电穴，附近尚未除极的细胞膜为电源，按上述程序除极逐渐扩展，乃至心肌全部除极完毕。整个心肌细胞除极后，细胞外面的正电荷全部去除，电偶亦随之消失。在心肌细胞的恢复或复极过程中，首先除极的一端先复极，此时已复极的部分细胞膜外荷正电，即处于正电位成为电源，尚未复极的部分细胞膜外荷负电，即处于负电位，成为电穴，又形成电偶。电流从电源流向电穴，复极以与除极相同的方向进行，乃至复极完毕。综前所述，心脏的除极和复极如一系列电偶向前移动，除极时电源在前，电穴在后，复极时电穴在前，电源在后。如欲了解临床心电图的发生，仅有电偶的观念还是不够的。因为临床心电图检查，是于人体表面间接测定心肌的电激动情况，这就需要理解“容积导电”的概念。在实验室里，把一个电池的正、负两极(一对电偶)放置在一大盒稀食盐水中，由于盐水是导体，必然有电流自正极流向负极，电流布满整个盐水中，这种导电方式称为容积导电，盛在容器中的导体称为容积导体。人体组织液中含有多种电解质，因此也是一个容积导体。心脏在人体内好像一个电池放在电解质溶液中，心脏相当于一个电偶，心电偶的两极相当于电池的正负极，心脏周围以外的全身组织相当于容积导体，这样，在体内必然有电流自心电偶的正极流向负极，形成一个心电场，心电场在人体表面分布的电位称为体表电位(图3－5)。将电极放置在体表就能记录出心肌活动的电位变化。图3－5心电场人体表面电位分布示意图在容积导体内，有无数向上下、左右、前后各个方向传导的电位线，形成一个电场，即在容积导体中各处都有不同程度及不同方向的电流在流动着，因而导体中存在着不同的电位差(图3－6)。图3－6容积导体中等电位线及电流分布示意图实线为电流线；虚线为电位线连接电偶的正负两极为AB线，称为轴心线，电流的方向是从A到B。通过轴心线AB的中心可作一个垂直平面CD，由于CD向上各点与正负两极的距离相等，放在此平面上各点的电位等于零，称为电偶电场的零电位面。零电位面把电偶的电场分为两个半区，A侧各点是正电位，B侧各点是负电位。在与电偶平行的直线上电位最大(正或负)，而在与电偶均成各种不同角度的斜线上，电位为中间值(正或负)，角度愈大，电位愈低。将导体中电位相同的各点连接起来可以画出无数条电位线。电池的阴阳极有如一对电偶，阳极相当于电偶的电源，阴极相当于电偶的电穴。假如电偶的电流强度固定不变，那么，导体中各处电位的大小取决于该处与电偶的距离的相对位置。实验结果表明：各点电位的强度与它和电偶中心的距离(ｒ)的平方成反比关系，与角度成反比关系。例如下式所示：ｘ、ｙ、ｚ三点与电偶的中心都是等距离的(即ｒ相等)，但ｘ点位于AB线上，与轴心线构成的θ角是0℃，ｙ点与AB线的夹角是30°，ｚ点与AB线的夹角是60°，各点的电位依次减弱。当θ角达到90°时，也即该点已降至CD平面，则电位降为零。可用一简单的公式来说明容积导体中各点的电位：E·CosθV＝————————ｒ2式中：V代表电位，Ｅ代表电偶的强度，ｒ代表该点与