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心电图机原理与技术引言心电图机的起源与发展1903年荷兰莱顿大学Einthoven发明了弦线式心电图仪首先记录到人体心电图（electrocardiogram），标志着心电学科的建立。1904年他委托慕尼黑Edelman&Son公司成批生产，1908年转为英国剑桥公司制造。1924，Einthoven因发明心电图而获得诺贝尔医学奖。上世纪30年代初，弦线式心电图机才逐渐被电子管式和晶体管放大式心电图机所替代。80年代初美国Marquette公司首先推出数字化心电图机，从此，心电图进入了数字化、自动化、网络化管理的新时代。数字化心电图分析速度快，测量数据精确，多导同步记录，提高了工作效率，大容量存贮信息，十分有利于临床医疗、科研、教学与保健工作。一、心电图机技术基础1、医学基础心电图机是用来记录心脏活动时所发生的生理电信号的仪器。心脏是人体血液循环的动力装置，心脏自律不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，使血液在闭锁的循环系统中不停的流动，使生命得以维持。心脏可以分为左心房、左心室与右心房、右心室，正常心脏的收缩是由右心房上窦房结产生的微小电信号所控制，也就是通常所说的窦性心率。窦房结主要受右侧迷走神经和交感神经支配，辅助调整心脏搏动的速度，增加或降低血液循环速度使身体适应外界环境。心脏在搏动的过程中，伴随着心肌细胞的去极化与复极化，心脏产生微弱的生物电变化。这种生物电流可传达到身体表面的各个部位。由于身体各个组织不同，距心脏的距离不同，心电信号在身体不同的部位表现出的电位也就不同。这种电现象对正常心脏来说，其方向、频率、强度是有规律的。2.心电生理2.1极化状态心肌细胞在静息状态下，细胞膜外带正电荷，膜内带同等数量的负电荷，这种电荷稳定的分布状态称为极化状态。这种静息状态下细胞内外的电位差称为静息电位极化状态图2.2极化状态产生机理细胞外液和细胞内液电解质分布的差别很大。细胞内的主要阳离子是钾(K+)离子，浓度约为140mmol/L,K+在细胞外浓度仅为4mmol/L。细胞外液的主要阳离子是钠离子，浓度约为145mmol/L，在细胞内仅为30mmol/L。其它如钙离子在细胞内、外浓度之比约为1：4000，氯离子在细胞外的浓度为细胞内道德8倍。由于细胞膜对钾离子的通透性远超超过对钠离子和通透性，细胞内钾离子浓度又高于细胞外数十倍，钾离子便会不断地从细胞内向细胞外渗出。当钾离子外渗时，氯离子亦随之外渗，但因细胞膜本身带有负电荷，氯离子渗出受阻，就使较多的钾离子渗出到膜外，而未能渗出的游离型阴离子（主要是蛋白阴离子，其次是氯离子）留在膜内，使膜内电位显著低于膜外。膜内负电位的大小和静息时钾离子外渗的多少有密切关系，钾离子外渗越多，留在膜内的阴离子也越多，因而膜内负电位也越大，同时由于膜内带负电荷的阴离子越来越多，吸引着膜内钾离子（静电力作用），使膜内钾离子逐渐不能再向外转移，因而使膜内电位维持在一定的水平上，形成了静息电位。2.3静息电位计算各种离子由于化学浓度梯度穿过细胞形成的膜电位与其细胞莫内外浓度有关，根据能斯托(Nernst)方程计算：Em=RT/ZF×ln(Co/Ci)其中Em是膜电位，R是气体常数，T是绝对温度，Z是离子价，F法拉第常数，Co及Ci分别是细胞外及细胞内离子的浓度。Na+和K+的Z是1，T为37oC，则以对数形式写为：Em=61.5×log(Co/Ci)细胞内的钾(K+)离子浓度为140mmol/L,K+在细胞外浓度为4mmol/L，则心肌细胞处于静息状态时静息电位为：Em=61.5×log(4/140)=61.5×log0.029=﹣90mV2.4跨膜动作电位变化过程当心肌细胞受到一定强度刺激时，将发生一系列的细胞内、外离子流动，产生膜电位变化，称为动作电位，即心肌细胞的除极和复极过程。分为去极化的0相和复极化的1、2和3相，4相为静息期。0相（去极化期）：心肌细胞受刺激时钠通道开放，细胞膜对Na+的通透性急骤升高，使细胞外液中的大量Na+渗入细胞内，膜内电位从静息状态的-90mV迅速上升到+30mV，形成动作电位的上升支即0相，0相非常短暂，仅点1-2ms。这种极化状态的消除称为除极（depolarization）。相当于心电图QRS波群的前半。2.4跨膜动作电位1相（早期快速复极相）：心肌细胞经过除极后，又逐渐恢复负电位称为复极，动作电位到达顶峰后，立即开始复极，在复极开始到达零电位形成1相。因为此时Na+的内流已锐减，细胞膜对K+和Cl-的通透性增大，引起K+的外流和Cl-的内流，其中K+外流是主要的，使膜内电痊快速自+20mV下降至0线形成1相。约占10ms。相当心电图QRS波群的后半部。2相（平台期）：为缓慢复极化阶段。表现为膜内电位下降速度大减，停滞于接近零电位的等电位状态，形成平台。此期持续时间较长，约占100～150ms，在膜电位低于﹣55～﹣40mV时，膜上的钙通道激活，使细胞外Ca2+缓慢内流，同时又有少量K+外流，致使膜内电位保持在零电位附近不变。相当于心电图的S-T段。2.4跨膜动作电位3相（快速复极末相）：此期复极过程加速，膜内电位较快下降至原来的膜电位水平，主要由于膜对K+的通透性大大增高，细胞外K+浓度较低促使K+快速外流。相当心电图的T流。4相（静息相）：通过细胞膜上的钠-钾泵活动加强，使细胞内外的离子浓度差得到恢复至静息状态水平。相当于心电图T波的等电位线。4相的开始相当于复极过程完毕，心室舒张期由此开始。心肌细胞除极复极时电位变化与离子活动心电图关系示意图二、心电图和导联1.心电图心电图（Electrocardiogram，ECG）便是运用测量电极采集体表不同部位的电信号，用放大器加以放大、用记录器描记下的图形。心电图能反映出兴奋在心脏内传播的过程及心脏的机能状态。如果心脏的传导系统发生障碍或某部分心肌发生病变，则心电图的波形将发生变化。心电图是从体表记录的心脏电位随时间变化的曲线，它反映出心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电位变化。在心电图记录纸上，横轴代表时间，当标准走纸速度为25mm/s时，每1mm代表0.04s；纵轴代表波形幅度，当标准灵敏度为10mm/mV时，每1mm代表0.1mV。心电图的典型波形心电波性描述正常心电图由一个P波、一个QRS波群和一个T波等组成。以下所述心电图各波形的参数值，是在心电图机处于标准记录条件下，即：走纸速度为25mm/s、灵敏度为10mm/mV。P波：由心房激动所产生。窦房结发出电脉冲传导至左、右心房，造成左、右心房的收缩产生P波。前一半主要由右心房所产生，后一半主要由左心房所产生。正常P波的宽度不超过0.11s，最高幅度不超过25mm。QRS波群：反映左、右心室的电激动过程，称QRS波群的宽度为QRS时限，代表全部心室肌激动过程所需要的时间，正常人最高不超过0.l0s。T波：代表心室激动后复原时所产生的电位。在R波为主的心电图上，T波不应低于R波的1/10。U波：位于T波之后，可能是反映心肌激动后电位与时间的变化，人们对它的认识仍在探讨之中。心电图的典型期间和典型段P-R间期：是从P波起点到QRS波群起点的间隔时间，代表从心房激动开始到心室开始激动的时间。这个期间随着年龄的增长而有加长的趋势。QRS间期：从Q波开始至S波终了的时间间隔。代表两侧心室肌（包括心室间隔肌）的电激动过程。S-T段：从QRS波群的终点到T波起点的一段。此时心室全部处于去极化状态，无电位差存在，所以正常人的S-T段是接近基线的，与基线间的距离一般不超过0.05mm。P-R段：从P波后半部分起始端至QRS波群起点。这段等待时间是为了让血液充分流至心房，同样，这一段正常人也是接近基线的。Q-T间期：从QRS波群开始到T波终结相隔的时间，它代表心室肌去极化和复极化的全过程。正常情况下，Q-T间期的时间不大于0.04s。正常人的心电图典型值：P波：0.2mV；Q波：0.1mV；R波：05～1.5mV；S波：0.2mV；T波：0.1～0.5mV；P-R间期：0.12～0.2s；QRS间期：0.06～0.1s；S-T段0.12～0.16s；P-R段：0.04～0.08s。2.心电图导联将两个电极置于人体表面上不同的两点，通过导线与心电图机相连，就可以描出一种心电图波形。描记心电图时的电极安放位置及导线与放大器的联接方式称为心电图导联。心电图是通过多个导联而得出的体表电位差的不同时间的记录。临床诊断上，为便于统一和比较，对常用的导联做出了严格的规定。现在广泛应用的是标准十二导联，分别记为I、II、III、aVR、aVL、aVF、V1～V6。其中I、II、III为双极导联，aVR、aVL、aVF为单极肢体加压导联，V1～V6为单极胸导联。获取两个测试点的电位差时，用双极导联；获取某一点相对于参考点的电位时，用单极导联。心电导联连接方式电极部位、电极符号及相连的导联线的颜色，均有统一规定。电极部位左臂右臂左腿右腿胸符号LA或LRA或RLL或FRLCH或V导联颜色黄红绿黑白三、心电图机的结构1.组成模拟式心电图机，由下列各基本部分组成：导联输入部分、前置放大器、电压放大器（又称中间放大器）、功率放大器、记录器、1mV标压发生器、电源供给电路、热笔加热电路、走纸部分等。2.输入部分它包括电极、导联线、导联选择开关、输入保护、高频滤波器、缓冲放大器以及一些辅助电路等。（1）导联线心电图机所用的导联线是一条多芯的带金属屏蔽网的电缆。屏蔽的作用是防止外界电磁波的干扰。导联线的一端接心电图机的输入插座，另一端由不同颜色来区分，接到相应电极上。它的作用是将电极上获得的心电信号送到放大器输入端，电极部位、电极符号及相连的导联线的颜色，均有统一规定。胸导联线有3根或6根，分别各有一个带吸球的胸电极，使用时全部吸在胸部相应的部位上，然后转换导联选择开关即可切换成各种胸导联。输入部分（2）导联选择开关它的作用是将同时接触人体各部位的五个以上电极的导联线按需要切换组合成某一种导联方式。导联选择器的结构形式，一般有机械转换式开关选择方式和电子开关式选择方式，常用的有以下几种：圆形波段开关、琴键开关直接式导联选择电路、带有缓冲放大器及威尔逊网络的导联选择电路和自动导联选择电路。每切换一次导联都需按顺序进行，不能跳换。（3）输入保护在临床抢救上，心电图机往往要和除颤器同时使用。使用心电图机时，既要保护病人安全，又要避免因对病人进行除颤治疗或施行高频电刀手术而损坏同时使用的心电图机。输入保护电路主要设置了低压放电管，以消除心电图机在除颤时进入输入电路的高压，防止电路被高压击穿。一般采用电压限制器，分低、中、高压分别限制。输入部分（4）高频滤波器高频电磁波会对心电图机产生高频干扰。如理疗机、电梯、电焊的火花发出的电磁波等。为了减少和避免干扰，选用RC低通滤波电路组成高频滤波器，滤波器的截止频率选为10kHz左右。滤去不需要的高频信号，确保心电信号的通过。（5）缓冲放大器由电极拾取的心电信号，通过导联线首先传输到心电图机的第一级放大器即输入缓冲放大器。缓冲放大器的目的主要是为了提高电路的输入阻抗，减少心电信号衰减和匹配失真，对电压增益一般要求不高。3.放大部分放大部分的作用是将幅度为mV级、频率在0.05Hz～100Hz的心电信号，放大到可以观察和记录的水平。心电图机的放大部分包括：前置放大器、电压放大器和功率放大器。此外还有lmV标准信号发生器。（1）前置放大器前置放大器是心电放大的第一级，是决定心电图机性能的关键部分，其主要要求是具有良好的抗干扰能力（即高共模抑制比）、高的输入阻抗及高的信噪比。放大部分（2）1mV标准信号发生器心电图机均备有1mV标准信号发生器。它产生标准幅度为1mV的电压信号，作为衡量所描记的心电图波形幅度的标准，即所谓“定标”。（3）时间常数电路时间常数电路实际上是阻容耦合电路，常接在前置放大器与后一级的电压放大器之间。其作用是隔去前置放大器的直流电压和直流极化电压，耦合心