心电图的产生原理

心电图的产生原理北京大学人民医院王立群一、心肌细胞的除极与复极心肌是一个肌肉泵，在其产生机械收缩前，心肌细胞先产生电激动。电激动来源于细胞膜内外带电离子的流动心肌细胞发生“极化状态”、“除极”、“复极”等生理变化。Na+K+Na+Na+K+---------------------------++++++++++++++++++++++++静息时，K+可以外渗，而Na+不能自由渗入。细胞膜外排列一定数量的阳离子，而膜内则排列相同数量的阴离子细胞膜内外两侧存在跨膜电位差，即处于内负外正的极化状态。细胞膜外任两点间无电位差1.静息时心肌细胞膜处于极化状态++++2.细胞在受到刺激时产生动作电位心肌细胞都具有兴奋性，在受到刺激后即可产生动作电位动作电位阈电位静息电位动作电位是膜内外电位变化细胞外细胞内除极部分与未除极部分存在膜外电位差当心肌细胞受到刺激发生除极而兴奋时，它的表面就带有负电荷，与仍处于静息状态的细胞表面（带正电荷）之间出现电位差。注意：电位差存在方向性3.兴奋的传导形成除极波已除极的心肌细胞膜与仍处于静息状态的细胞膜（带正电荷）之间有电位差，就会引起局部电流，从而触发邻近细胞膜除极产生动作电位。——即兴奋的传导通过闰盘，已除极细胞与邻近静息细胞之间亦存在电传导。单个细胞除极复极过程中记录到的电位变化波形探查电极参考电极刺激用电流计连续记录下心肌细胞表面在除极过程中的电位变化，由此记录得到的曲线称为除极波。刺激单个细胞除极复极过程中记录到的电位变化波形探查电极参考电极刺激刺激当心肌细胞处于静息状态时，细胞膜外均为正电荷，探查电极与参考电极之间无电位差，故记录出一条等电位线单个细胞除极复极过程中记录到的电位变化波形探查电极参考电极刺激刺激细胞左侧受到刺激开始除极并迅速向右侧推进已除极的细胞膜外带负电荷，未除极的细胞膜外带正电荷故探查电极正对除极传导方向时，可描记到一正向电流曲线而探查电极背离除极传导方向时，则描记到一负向电流曲线单个细胞除极复极过程中记录到的电位变化波形探查电极参考电极刺激刺激当心肌细胞全部除极完毕时，细胞膜外均为负电荷，探查电极与参考电极之间无电位差，故记录出一条等电位线单个细胞除极复极过程中记录到的电位变化波形探查电极参考电极刺激刺激单个心肌细胞先除极部分先复极，所以复极从左侧开始向右推进已复极的细胞膜外带正电荷，未复极的细胞膜外带负电荷故探查电极正对复极传导方向时，可描记到一负向电流曲线而探查电极背离复极传导方向时，则描记到一正向电流曲线单个细胞除极复极过程中记录到的电位变化波形探查电极参考电极刺激刺激用电流计连续记录下心肌细胞表面在复极过程中的电位变化，由此记录得到的曲线称为复极波。单个细胞除极复极过程中记录到的电位变化波形探查电极参考电极刺激刺激当心肌细胞全部复极恢复极化状态，细胞膜外均为正电荷，探查电极与参考电极之间无电位差，故记录出一条等电位线探查电极静息细胞除极细胞复极细胞多个细胞除极复极的电位变化波形已除极部分与紧邻的未除极部分形成一个所谓的电偶极子（简称电偶），除极波传导的过程就是电偶移动的过程。已复极部分与紧邻的未复极部分亦构成电偶。4.电偶极子定义：一对距离很近的电量相等、电性相反的电荷+q与-q，其总体称为电偶极子（双极体），简称电偶电偶的正端称“电源”，电偶的负端称“电穴”。物理学中证明电偶极子P的电场中任一点r的电势是：偶极子的性质可以用偶极矩描述。电偶极矩的方向由负电荷指向正电荷，大小等于正电荷量乘以正负电荷之间的距离。20rrPπε41(r)（1）电偶极子的定义（2）电偶电场的电位分布图中虚线代表零电位面，在该平面上各点与电偶的正负电荷距离相等，因此零电位面上任何一点电位为0零电位面把电偶电场分为两个区，靠近正电荷一侧为正电位区，靠近负电荷一侧为负电位区越靠近电偶正电荷的等电位面其电位越高，越靠近负电荷的等电位面电位越低在电偶电量大小与位置变化时，等电位面也必然随之改变(3)除极(复极)扩布→电偶移动(电场变化)刺激静息状态除极完毕静息状态未除极部位为电源，已除极部位为电穴除极扩布为电源在前、电穴在后的电偶前移(3)除极(复极)扩布→电偶移动(电场变化)刺激静息状态除极完毕静息状态已复极部位为电源，未复极部位为电穴复极过程为电穴在前、电源在后的电偶前移5.除极波与复极波的主要区别除极过程电源在前、电穴在后，探查电极正对除极传导方向记录的是正向波，复极过程电穴在前，电源在后探查电极正对复极传导方向记录的是负向波。除极速度比复极速度快，在时间上，复极时间是除极过程的2~7倍，因此，除极波起伏陡峭，波型高尖复极波起伏迟缓、振幅较低。当探查电极位于细胞的中部时，除极传导过程中当电源刚好通过探查电极时，电极受正性电位影响最大，瞬时后，电源离开而电穴到达并通过探查复极波时，受负性电位影响最大，电位由最高点突然降到负电位，这个骤然转折称为“本位转折”（或内部转折）。而复极波无本位转折，从复极波形态上不能识别复极过程到达探查电极所在部位。复极过程是耗能过程，与细胞的新陈代谢、生化变化等有密切关系，且易受其影响而发生改变。5.除极波与复极波的主要区别临床描记心电图不可能把电极直接联接在心肌上，而是从体表上来间接测定心肌的电激动情况。人体中含有大量的体液和电解质具有一定的导电性，是一个容积导体。容积导电是电学上的一种导电方式。凡是具有一定体积的整块导电体均称为“容积导体”。二、ECG形成的容积导体原理+-_+0+-一个电偶的电源和电穴可以看作电池的阳极和阴极，若将其放置在稀释的食盐溶液中，必然有电流由阳极流向阴极，整个容积内的溶液布满了电流这种导电方式称——“容积导电”食盐溶液即为“容积导体”0正电位区负电位区容积导体中各处都有不同强度的电流在流动，其电位也不同，在容积导体内与电池阴阳两极等距离的垂直平面上各处的电位都是“0”靠近阳极的一侧都呈正电位且愈近阳极电位越高靠近阴极的一侧都呈负电位且愈近阴极电位负值越大1.容积导体内电偶的电位场分布V=E(cos/r2)ABrV各点电位与它到电偶中心的距离的平方呈反比关系，与电偶轴的夹角也呈反比关系。2.容积导体各点电位的投影表示法除了用公式来计算容积导体中或表面上各点电位外，也可用几何学的方法来说明各点的电位强弱，即“投影法”应用投影法时，首先要考虑距离问题例如：电偶本身的电位强度（E）4mVx点与电偶中心的距离为2个单位其电位降低的与距离平方呈反比E'=4×1/22=1mV经x点画一条与电偶轴（AB线）平行且长度为E'（1mV）的线该线在ox线的投影(E'×cosα)——即为x点的电位VxADBCxoyEE′E'E′E''E''E''VxVy3.人体实际与实验中容积导体的区别心肌激动产生的电偶不仅有方向及强度变化，并且位置也不是始终固定在躯体的中心，除此，心室肌除极的方向变动迅速，同时又具有多方向性——单个电偶可否代表？在实验室中，容积导体内各部分的导电性均匀一致，心肌及周围组织导电性能并不均匀相等容积导电的原理仅适用于一个电偶处于一无限大的容积中，而躯体对心脏来说容积不足够大，且其外周的皮肤电阻高导电性差。同时存在的电偶可综合看似一个电偶心脏电活动的规律变化可以看成一个方向和强度规律变化的电偶空间心电向量环也可看成固定在原点的电偶矩的依次变化通过体表的电极可以记录心脏综合电偶运动变化的规律。二、心电向量与平面向量图除(复)极波的传导是有方向和大小的，所以它是一种矢量（即向量），心电生理学上把这种矢量称为“心电向量”。向量（vector)是物理学中的一个专用名词，其代表同时具有方向和大小的变量，如机械力、电流等。通常：箭头代表向量的方向箭杆长短代表向量的大小1.综合向量a、b的综合向量a、b的综合向量单纯向量——单纯向一个方向前进的向量综合向量——将同时存在的几个向量叠加综合成一个向量（1）两个向量方向相同时，叠加的结果是：方向与原来方向相同，大小为两个向量数值之和（2）两个向量方向相反时，叠加的结果是：方向与数值大者方向相同，大小为两个向量数值之差1.综合向量（3）两个向量方向成角度时，则用平行四边形法进行叠加：用两个向量作为平行四边形的相邻两边，该平行四边形的对角线就是其综合向量。（4）同时存在多个向量时，可按照上述原则，先取两个向量叠加，把得到的综合向量与第3个向量叠加，再把第2次得到的综合向量与第4个向量叠加……依次进行下去去，最终都可合成一个综合向量。2.心电向量的叠加心肌纤维形态走向各异，不同方向传导电激动的综合效果符合向量的叠加3.瞬间综合向量与空间向量环只有同时发生的向量才能进行综合。每次心脏搏动包括心房和心室的顺序机械收缩和舒张，称为一个心动周期。心脏电活动发生在机械运动之前，按顺序除极和复极，每一瞬间中包含着不同部位心肌电活动，可以用一个综合向量来代表——称为该时刻的瞬间综合心电向量如果将心动周期中各瞬间综合心电向量运行轨迹依次连接起来——即构成空间心电向量环额面侧面水平面5.平面心电向量图心脏各房室电激动过程中形成的是立体空间向量。当我们进行观察和描绘的时候，不论是利用示波器屏幕、照片或是图纸都不可能显示立体心电向量。所以采用该向量分别在三个互相垂直的平面上的投影来表示。把投影在每一平面的形态，绘成平面图，其图形就是平面心电向量图。额面水平面投影的概念5.平面心电向量图心脏各房室电激动过程中形成的是立体空间向量。当我们进行观察和描绘的时候，不论是利用示波器屏幕、照片或是图纸都不可能显示立体心电向量。所以采用该向量分别在三个互相垂直的平面上的投影来表示。把投影在每一平面的形态，绘成平面图，其图形就是平面心电向量图。额面水平面三、心电图导联心电图记录的是随心动周期变化的体表特定位置的电位差。为测定电位差并利用其描记产生心电波形而连接在人体的电极对称为导联。电极对可以由两个电极组成，也可由数个电极组合2个电极中的1个。导联轴：某一导联正负电极之间假想的连线，接心电图机正极侧为正，接负极侧为负。1.导联的种类常规导联：标准肢体导联（I、II、III）加压肢体导联（aVR、aVL、aVF）胸前导联（V1～V6）扩增的导联后胸（V7～V9），右胸（V3R～V8R）上一肋间（V′1～V′5）、下一肋间（V′1～V′5）上二肋间（V″1～V″5）、下二肋间（V″1～V″5）其它导联系统：Frank导联、EASI导联系统——简化导联，衍生常规12导联头胸导联、食管导联、Fontaine导联等2.标准肢体导联I导联左上肢与右上肢之间的电位差（LA-RA）II导联左下肢与右上肢之间的电位差（LL-RA）III导联左下肢与左上肢之间的电位差（LL-LA）在心动周期中的任一时刻，Ⅱ导联=Ⅰ导联+Ⅲ导联（Einthoven法则）。I导联II导联III导联右上左上右上左上左下左下3.加压肢体导联aVR导联右上肢与改良Goldberger中心电端的电位差aVL导联左上肢与改良Goldberger中心电端的电位差aVF导联左下肢与改良Goldberger中心电端的电位差Goldberger中心电端：aVR导联为（LA+LL）/2，aVL导联为（RA+LL）/2，aVF为（RA+LA）/2。aVRaVLaVF左上右上中心中心中心4.胸前导联V1在胸骨右缘第4肋间V2在胸骨左缘第4肋间V3在V2和V4连接线的中点V4在左锁骨中线与第5肋间相交处V5在左腋前线V4水平处V6在左腋中线V4水平处胸前导联测量的是各胸前电极与Wilson中心电端之间的电位差，Wilson中心电端以肢体电极为基础计算出一个新的参照电位，等于RA、LA、LL电极电位的平均值，即WCT=(RA+LA+LL)/3额面导联轴的排列-aVRCabrera排序法按照解剖学排列从右到左依次是Ⅲ、aVF、Ⅱ、-aVR、Ⅰ及aVL导联水平面导联轴的排列右肺左肺胸壁左房右房左室右室V1V2V3V4V5V6胸前导联反映水平面的心电变化4.心电向量环的形成原理心脏是由很多组心肌束以螺旋样层层环绕而构成。它又是一个外为心肌壁，内含流动着的血液的立体形脏器。心肌除极、复极所产生向量的方