医学电生理学C3

第二章心脏电活动

心脏的基本活动形式包括心脏的电活动和机械活动，在每个心动周期中都是电活动在前，机械活动在后，两者相差0.04-0.07秒，形成了兴奋与收缩的耦联。心脏电活动的障碍、急剧紊乱、心电衰竭直接影响着心脏的机械活动和泵功能，均可引起血液动力学的改变，严重者可使心输出量降为零，造成猝死。业已明确，心源性猝死中90％以上都是心电活动不稳定引起。因此，对心脏电活动的基础与临床研究日益受到重视。

随着电子学、工程物理学、电子计算机学在医学领域中的渗透，使心脏电生理检查诊断技术迅速进展，检查方法学方面，新的实验诊断技术不断出现，使研究水平显著提高。理论方面，细胞膜离子通道理论的进展和程序性心脏刺激技术的应用，使心脏电生理理论上出现了巨大的更新和突破性进展。

心脏电生理学研究开始于1887年Waller应用Lippman毛细管静电计描记的第一份心电图，Einthoven对其进行了突破性的改进，应用改进的弦线电流计记录的心电图更精确的反应心脏电活动在体表的表现，并将记录到的电流图形波型命名为P、Q、R、S和T波，于1910年应用于临床。由于Einthoven对心电图检查作出的巨大贡献而获得了1924年的诺贝尔医学奖和生理学奖。

心电图描记系统经过不断的改进，于1942年完善为至今沿用的12导联系统，目前应用广泛的为数字化的12导联心电图机。1960年长时程动态心电图（Holter）技术应用于临床，可以发现一些隐蔽的在安静或活动状态下的心脏病变，长时程跟踪使体表心电图对心肌缺血和心律失常的诊断能力大为提高。1968年创立了希氏束电图导管记录方法，可了解心脏传导系统的电活动变化，明确传导系统病变的部位和传导功能。

1971年Wellens又完善了心脏程序刺激方法，1982年和1986年先后开展了快速心律失常的直流电消融术、射频消融术，揭开了心律失常治疗的新篇章。射频导管消融技术适用于治疗室上性心动过速、心房扑动、房室结双径路、预激旁道和室性心动过速等，成为21世纪介入心脏病学的常规治疗方法。特别是在心房颤动的治疗中取得了可靠而稳定的治疗效果，得到了大力的推广。

把心脏传到体表的电活动记录下来，称为体表心电图；用导管电极直接记录心腔内的电活动，称为心内电图。

第一节心电图原理

一、容积导体的概念

二、心电变化在容积导体中的反映

三、心电图的导联方法

四、心电图各波形成的机理

五、心电轴的测定

六、心电向量图及其与心电图的关系图.3-2-1容积导体的导电原理一、容积导体的概念二、心电变化在容积导体中的反映

心脏某局部兴奋时，该局部带负电，而安静部位带正电，此两部位之间就产生电流，如同将一双极体放在容积导体中一样。由于心脏兴奋不断向前传布，亦即该双极体不断地向前移动，前面安静部位是正极，后面兴奋部位是负极。这时容积导体内不同部位的电位就不断发生变化（图3-2-1）。三、心电图的导联方法

Einthoven早在1905年就建立了额面上的三条轴线，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联，当时称为“标准导联”（即双极导联），并被广泛使用至今。上世纪30年代时Wilson在额面上又增加了三条轴线，为aVR、aVF、aVL，此即单极加压肢体导联，它们与标准导联一起组成了目前的肢体导联体系。随后Wilson继续研究，产生了水平面的六条轴线，即V1、V2、V3、V4、V5、V6六个胸前导联。目前临床上最常用的心电图导联即为以上12导联。

标准导联:

Ⅰ导联右臂左臂Ⅱ导联右臂左足Ⅲ导联左臂左足加压单极肢导联:

加压单极肢体导联属单极导联，包括aVR、aVL、aVF。，基本上代表检测部位电位变化。

将右臂、左臂、左腿各通过5000欧姆的电阻，然后连在一起构成中心电站，这样中心电站的电位几乎等于零，作为无效电极连接于心电图机的负极，构成单极肢导联，分别用VR、VL、VF表示。这种导联能反映不同部位心肌的绝对电位，在描记哪一个导联时将该肢体与中心电站截断，能使描记出的波形振幅增加50%，使波形增大、清晰、易于辩认，称为加压单极肢导联，用aVR、aVL、aVF表示。

aVLaVFaVR胸导联电极位置单极胸前导联（chestleads）：

属单极导联，包括V1-V6导联。检测之正电极应安放在胸壁固定的部位，另将肢体导联3个电极各串一5000Ω电阻，然后将三者连接起来，构成“无关电极”或称中心电端（centralterminal）。如此连接可使该处电位接近零电位且较稳定，故设为导联的负极。胸导联检测电极具体安放位置如下：Ｖ１：探查电极放在胸骨右缘第４肋间。

Ｖ２：探查电极放在胸骨左缘第４肋间。

Ｖ３：探查电极放在Ｖ2与Ｖ４连线的中点。

Ｖ４：探查电极放在锁骨中线与第５肋间的交点上。

Ｖ５：探查电极放在左腋前线与第５肋间的交点上。

Ｖ６：探查电极放在左腋中线与第５肋间的交点上。四、心电图各波形成的机理

在动物实验中可将很多引导电极插到心脏各部位记录其动作电位，并同时在体表记录其心电图，观察心肌各部位电变化与心电图各波的关系，可进一步阐明心电图各波形成的机理。

图3-2-2

心房除极方向及P波的形成的图解

1．P波的形成

P波代表左、右心房兴奋时所产主的电位变化。由于兴奋由窦房结向心房各处四散扩布时其电动势方向不同。互相抵消甚多，因此其波形小而圆钝，并随导联而稍有不同。由于心房兴奋的综合心电向量在额面的投影是向左下方，因此P波在aVR中为倒置的波（向下的负波），在其它导联中则以直立的波形（即正波）为多，在较少的情况下可为双相或倒置。左心房肥大主要影响P波的后半部分，形成中部有切迹的波形。心房纤颤时，P波消失，而出现锯齿状小波（f波）。血钾浓度过高时，P波将减小或甚至消失。P波时间一般不超过0.11秒，波幅不超过0.25毫伏。

2．QRS波群的形成

QRS波群代表左、右心室兴奋传布过程的电位变化，波群占据的时间代表心室肌兴奋传布所需的时间，一般在0.06～0.10秒之间。它的波形与兴奋在心室肌传布的途径有关。图3-2-3心室内激动过程的产生与QRS波群的形成

六、心电向量图及其与心电图的关系

心脏各部位先后去极化与复极化过程中，虽然每一瞬间的综合电动势向量不断变化，但其变化不论是方向或大小还是有规律的。若把整个心动周期中变化着的各瞬间综合电动势向量的顶端连接起来，便可形成一个具有三度空间的心电向量图或心电向量环。向量环在各导联轴上的投影即为各导联轴所得的心电图。

每一心动周期中心电向量图有P、QRS和T三个环。此图代表三个立体空间环在额面（从人体前面观看）的投影。尚有横面和侧面的投影。心电向量图可用阴极射线示波器直接记录。

心电向量图能较精确而全面地反映有关平面各方向的心电变化，对诊断心室肥大、心肌梗塞与束支传导阻滞等可补心电图的某些不足，但目前对临床诊断重要的某些标志例如P-R间期，S-T段位移等还难以观察测定，故在临床诊断上还须与心电图相互补充。

心电向量图和心电图都是心电活动的客观记录，心电向量环在某导朕轴上的投影即为该导联轴上的心电图。例如，额面心电向量环在标准导联和其他肢体导联轴上的投影就是在各该导联所得的心电图。同样，横面心电向量环在各胸导联轴上的投影即得各胸导联的心电图；反之，由某平面各导联所得的心电图亦可用以测绘出该平面的心电向量环。

心电向量学:

20世纪五十年代建立的心电向量学已成为心电图学重要的理论内容之一。心电向量图优越于普通心电图在于一般心电图只能记录心电信息的强弱和电荷的正负，不能了解其方向，心电向量图（vectorcardiogram,VCG）是将心脏活动各瞬间所产生的电活动的大小和方向进行矢量叠加，能够更完美更真实更全面的反应心脏的各时间段的电活动。心电向量在时间上是不断变化的，由于心电活动具有周期性，心电向量的变化也存在周期性，这就形成了空间心电向量环。空间心电向量环投影到一个平面上的二维曲线就构成了VCG。在诊断心脏房室肥大、室内传导阻滞、预激综合症、心急梗死及肺源性心脏病等方面，比普通心电图更形象和准确。

立体心电图:

心脏是三维结构，在医学电生理的发展历程上，认为心电图(ECG)的一维线性、心向量图(VCG)的二维平面环和立体心电图（stereoelectrocardiogram，SECGor3D-ECG）的三维空间表达代表着心电学发展三个不同的阶段。其目的在于能进一步揭示心脏立体结构、生理和病理状态的电变化。

立体心电图仪于1989年问世，目前多应用Frank导联进行心电图采集，Frank导联为校正的三维正交导联,可从时、空域全方位全角度同步观察、描记心脏三维心电活动图。

由于立体心电图可以在三维空间连续地描记心电活动，反映其随时间的变化规律等，弥补了心电图无法三维显示以及VCG一般不能多周期显示的不足。

立体心电图临床应用：

（1）心律失常诊断：针对心律失常的异位激动点空间定位、传异途径判断和复杂心律失常鉴别诊断。

（2）进行高血压病患者左室舒张功能的研究；

（3）对心肌缺血进行定位诊断。

（4）T波交替(TWA)检测，它被认为是至今预测心源性猝死的最有希望的一项无创伤性技术

（5）立体心电图可监测心室早复极。

（6）心肌病：最近报导提示对肥厚型心肌病的诊断比超声心动图更为敏感。

（7）心肌炎。

（8）风心病。

（9）中毒性心肌炎。

（10）血压异常。

（11）冠状循环状态。

（12）电解质和酸碱平衡失调。

心电图(ECG)、心向量图(VCG)和立体心电图(3D-ECG)都是从体表描记心脏生物电活动。只是由于导联体系不同、方法不同，使得对同一物体从时、空域观察的角度不同，结果亦大不相同。即:随三者的导联体系、理论基础、技术手段和临床应用的发展阶段不同，使其检测的方法、指标、意义和结果存在着明显的差别。三者的关系是将客观存在的立体空间向量环投影在额、横、侧三个平面后，形成平面VCG(一次简化)，又在其中的额、横两个平面环体上投影若干条轴线，形成ECG(再次简化)。因此，三种描记方法都是对同一物体进行的三种不同方式的表达。

总之，ECG的优势在于研究单／多个心动周期的时序性，VCG和立体心电图的优势在于对波形变化的认知上。三者应相辅相成。

第二节动态心电图

动态心电图（DynamicElectrocardiogram，DCG）是美国HolterHJ于1957年创建的，故又称Holter监测（Holtermonitoringelectrocardiogram）。它能一次记录24h（必要时可连续记录数日）的心电信息。DCG监测技术已成为现代心血管疾病诊断领域中一项实用、无创、重复性好的临床重要检查方法之一。我国自从1978年初开始引进DCG监测技术以来，目前已在许多医疗单位应用。

一、动态心电图的特点

常规心电图检查在近几十年里，在导联体系和理论上不断得到发展，形成了一套完善的常规12导联体系心电图，并一直被沿用至今，所积累起来的丰富的辅助临床经验足以弥补心电图理论上的缺欠。但是，常见12导联心电图只能记录瞬间数十次心动周期的波形，它不能反映24h内有无其它图形演变过程，这也是常规心电图最大的不足之处。在常规心电图基础上发展起来的DCG，由于它能连续记录心电图的动态变化，已成为心电学中一门重要的分支学科。

DCG与ECG有以下不同：

1．DCG和ECG记录时间、方法和获得的心电信息量不同。DCG一次可连续记录24h、约10万次左右连续不断的心动周期，不但反映了在此期间患者在不同状态下活动的心电变化，而且对阵发性或一过性心律失常或（及）显著的心肌缺血均可适时地捕捉到其瞬间变化，为临床诊断治疗提供确切的根据，这是DCG记录仪的最大优点之一。

常规心电图虽可记录12个导联的心电图形，但一次检查仅能记录10-100个心动周期，历时只有10-100s，故经常只能记录到当时瞬间的心电图形变化，且这种记录又是在静息平卧状态下记录的，故远不足以反映患者其他时间状态下心脏电活动的异常情况。

2．仪器的性能不同。随着科学的发展，现代化先进的心电图机已能对3导联，6导联及12导联同步记录，并具备存储及自动分析诊断的功能，可分析P、P-R间期、QRS、QT／QTC、T及U波的多项数据及初步诊断以供临床参考，其精确度较高，可提高心电分析的准确性。但迄今动态心电图仪尚未发展到具有自动分析内容的水平。

动态心电图有强大的软件分析功能，具有四大分析功能：

①心律失常分析；②心肌缺血分析；③心率变异性分析；④起搏信号分析。可分析单纯心率、节律、S-T段、心率变异性（HRV）、起搏通道、Q-T、晚电位分析等。分析心脏24小时的心率总数，心率的最大值、最小值及平均值，心律失常的频率（异常搏动的频发程度），室性异位搏动的情况，室上性异位搏动出现的情况，S-T段偏移的情况，检测和分析自主神经系统对心率的影响。三、动态心电图的临床应用

DCG检查可以帮助临床医师了解受检者在工作、休息、活动、进餐、睡眠等各项生活情况下的心电活动变化，亦可协助了解病人出现胸痛、胸闷、气短、晕厥等症状和药物疗效与心电活动的关系。由于配有记录时间的返回功能，适时的时间记录与心电图改变有利于估计预后、研究发病机制、明确诊断和指导病人生活、饮食及合理用药。

（一）对心悸、头晕、晕厥等性质的鉴别

（二）对病窦综合征的诊断

（三）监测心肌缺血

（四）捕捉心律失常

（五）评价心脏病患者心律失常的危险性

（六）评价抗心绞痛及心律失常药物的疗效

（七）评定起搏器的功能

心室晚电位为反应心电不稳定性的重要无创指标之一。近年来，许多生产厂商在常规动态心电图分析仪上配置了24小时心室晚电位监测系统，为研究临床心室晚电位提供了动态依据。根据心率变异性变化判断心脏自主神经功能状态。

第三节心率变异性（HRV）

人体心动周期呈周期性波动。过去一直认为整齐的心律是健康心脏的指标之一，但现已认识到绝对整齐的心律是病态的。从心电图来看，其R-R波的间距并非固定，而是有一定的变异。

一、心率波动现象及其生理学基础

心率变异性（heartratevariability，HRV）指逐次心跳RR间期（瞬时心率）不断波动的现象。由于HRV信号中蕴含着有关心血管调节功能状态的信息，通过信号分析可得出关于心脏迷走-交感均衡性及压力反射反应性的信息，故在基础医学与临床医学等一些领域已日益显示其重要应用价值。对这些生理变量变异性的深入分析也为阐明心血管调节机制开辟了一条新的途径。

关于心率与血压的逐跳波动现象早已有所描述，如呼吸性窦性心律不齐（RSA），又如血压波动中的Traube-Hering波与Mayer波等，均是。三十多年来，由于下述一系列重要进展，HRV研究已发展成为一个活跃的领域：

（1）Hon与Lee（1965）报道，胎儿心脏规则跳动是宫内窘迫的指征；后又认识到在衰老或一些疾病状态下HRV降低，而健康人的心率则呈现活跃的波动变化；

（2）Sayers等（1973）引入谱分析技术，用频域分析HRV信号；

（3）Akselrod等（1981）将谱分析与药理、生理研究结合，初步揭示了“短时程”HRV频谱峰的生理意义；

（4）为了开发Holter系统的HRV分析工作，发现“长时程”HRV谱具有分形特征；

（5）多个临床中心的流行病学研究肯定了HRV分析对急性心梗后危险性分级的预报作用。由以上回顾不难看出，HRV研究已由单变量、短时程、线性分析扩展到多变量、长时程、非线性阶段。

二、心率变异性信号的获取

由ECG信号得出HRV信号时，首先须检出逐次心跳的QRS波，准确测出每一个R波的发生时刻，计算逐次心跳的RR间期，最后通过不同的序列转换方法得到HRV信号，由于HRV反映窦房结对心自主神经调制影响的反应性，理应以PP间期代表心动周期持续时间，但因P波波峰的发生时刻不易测准，故通常都以RR间期代替，其误差可以忽略。实际上，反映房室传导的PR间期亦有其自身的变异性（Leffler等.1994）。

三、单一信号的线性分析及其主要结果

（一）时域分析——统计学方法

一些统计学指标，如RR间期的均值、标准差、方差、极差、变异系数、概率分布或密度函数等，均曾被用来衡量HRV的变化。其中，RR间期的标准差虽为简单的统计量，但对心梗后心性猝死危险预报却有一定价值。

心率变异性时域分析评价标准：以24小时动态心电图连续记录作心率变异性时域分析。

统计学方法不能分别测出心脏交感、迷走活动的水平及其均衡性的变化。

（二）频域方法——谱分析方法

1．谱分析方法的比较：对HRV信号进行谱分析可将复杂的心率波动信号分解为不同频率与幅度的各种周期波动成分，将隐藏在时间序列内的特殊节律求出，以便进一步阐明其生理意义与发生机理。HRV谱分析所关注的频率范围<1Hz。常用方法有周期图法、BT法（自相关法）及自回归（AR）模型法等，现代谱估计的AR模型法效果最佳。

2．HRV谱的主要谱峰及其生理意义：

由为时数分钟的ECG原始记录所得出的HRV谱属于“短时程谱”。早期工作认为典型的HRV谱主要由三个谱峰组成：

（1）高频峰（HF，-0.25Hz）

（2）低频峰（LF，-0.1Hz）

（3）极低频峰（VLF，＜0.03Hz）

现已基本搞清，在短时程HRV谱中只有高频峰与低频峰是有确定意义的，早期工作虽提示极低频谱峰可能起源于温度调节有关的外周血管紧张度变化，以及血量状态、心泵功能、体液因素（如儿茶酚胺、肾素-血管紧张素系统）等的波动变化，但很难证实。在出现周期性呼吸时，也可见极低频范围有明确的谱峰出现。

高频峰：代表起源于呼吸活动，经心脏迷走传出纤维所介导的心率波动变化。故这种现象以前也被称为“呼吸性窦性心律不齐”（RSA）。呼吸节律活动通过中枢间的相互作用以及动脉压力感受器、心肺压力感受器的反射作用，可引起心迷走传出活动的节律变化，传向窦房结使心率发生与呼吸节律相一致的波动变化，切除迷走神经或用阿托品等可消除此波。故HRV高频峰功率的大小即被作为定量观测心迷走传出活动的指标。

低频峰：代表起源于动脉血压0.1Hz节律（也称Mayer波），通过压力反射的耦合作用，经心脏交感与迷走传出纤维所共同介导的心率波动变化。故HRV低频峰的发生机理比较复杂，既涉及迷走与交感两者对窦房结自律性活动的调制，又与压力反射的增益有关。后者是一个重要环节，将HRV与BPV耦合起来，使之在0.1Hz附近共振。虽然如此，有的作者仍主张将低频峰功率作为衡量心交感传出活动水平的指标，近来Lumbardi等在动物实验中证实心交感神经具有与LF相同的发放变异。

鉴于心交感活动增强同时伴有心迷走活动的减弱，故又常以LF／HF的比值作为反映心脏交感-迷走均衡性的定量指标。

五、在临床医学中的应用

作为一种可定量的无创性心血管自主神经调节功能监测技术，HRV分析已在一些临床医学及特种医学问题研究中得到应用。所涉及的问题包括：运动、睡眠、疲劳、衰老、重力、工作负荷等，以及糖尿病、酒精性神经病变、颅脑与脊髓损伤、脑死亡判断、新生儿猝死综合征、肾衰、心血管疾病等。尽管有些机理问题目前还不甚清楚，但通过较大规模的流行病学研究及临床试验，关于HRV，以及其特异性与敏感性，均已被肯定。HRV分析在临床心脏病学中的应用已取得重要进展。

三十年来，由于HRV分析研究工作不断深入，不仅加深了对心血管调节机理的认识，也为临床心脏病学等提供了新的诊治及预后估计手段。应予重视的是：由于非线性动力学的引入，将促使生理学学术思想由“内隐”向“混沌”概念飞跃。今后HRV的研究至少应从两个方面深入：一方面，如何将宏观的谱现象与心血管不同层次、直至微观机制方面的发现统一起来，以对谱的发生机制有更加深入的理解；另一方面，还需发展对HRV信号的处理方法及解决相应理论问题，包括对线性或非线性、平稳或时变、单变量或多变量的长、短时程信号的处理等。最后，还应将变异性研究扩展至更多的生理变量，以加深对生理系统整体的认识。

临床应用：

1.冠状动脉硬化性心脏病（1）HRV与心肌缺血（2）HRV与心肌梗死。

2.慢性心脏衰竭

3.心肌病

4.药物对HRV的影响

5.对自主神经系统功能的探测。

6.HRV对心性猝死的预测价值。

正常人心率变异性变化较大，冠心病、充血性心力衰