《临床心电图诊断与应用》：
第一篇 临床心电学基础知识
第一章 心电学基础知识
第一节 心电的产生原理
心脏在机械收缩之前，首先产生电激动，其所产生的微小电流在体表的不同部位产生不同的电位，将体表两点间的电位差记录下来就形成了心电图（electrocardiogram，ECG），其实质是心房肌细胞和心室肌细胞在除极和复极过程中形成的动作电位在体表的一种反映，因此体表心电图与心肌细胞的动作电位密切相关。
一、心肌细胞的静息电位与极化状态
心肌细胞在静息状态下，细胞膜外排列阳离子带有正电荷，细胞膜内排列同等比例阴离子带负电荷，这种分布状态称为极化状态。此时存在于细胞膜内外两侧的电位差即是静息电位，若以细胞外侧电位为 0，则细胞内电位约为?90mV，其机制是由于细胞膜内外的离子分布不均及细胞膜对不同离子的通透性各异所致（表 1-1）。在静息状态下细胞外钠离子的浓度虽然远高于细胞内钠离子浓度，但细胞膜对钠离子的通透性很低，极少渗入膜内；而细胞内钾离子的浓度远高于细胞外钾离子的浓度约35倍之多，且细胞膜对钾离子的通透性很高。因此钾离子便顺其浓度梯度持续向细胞外渗透，当钾离子外渗时，膜内的负离子亦尾随其后，但由于细胞膜对负离子的通透性很差，结果使膜外形成一层正离子，膜内形成一层同等数量的负离子，形成极化状态；随着钾离子外渗越多，则留在膜内的负离子也越多，因而膜内负电位也越大，即形成电梯度。由于膜内负离子越来越多，便吸引带正电荷的钾离子，使钾离子逐渐不能外渗，当此电位差的作用力与钾离子浓度差的作用力均衡时，钾离子便不再向膜外扩散，膜内负电位便维持在恒定的?90mV左右的水平上，这样就形成了静息电位。
表1-1 心肌细胞内外几种主要离子浓度及平衡电位
离子 细胞内液（mmol/L） 细胞外液（mmol/L） 膜内/膜外 平衡电位（mV）
Na+ 30 140 1∶4.6 +41
K+ 140 4 35∶1 ?94
Ca2+ 10?4 2 1∶20000 +132
Cl? 30
104 1∶3.5 ?33
二、心肌细胞的动作电位
在静息电位的基础上，心肌细胞受到一个适当的外来刺激或内在变化而兴奋，其膜电位可发生迅速且可扩布性的极性倒转和复原，膜电位的这种波动称为动作电位，主要由除极过程和复极过程来完成。
（一） 除极与复极
以心室肌细胞为例，其动作电位可分为5个时相：0位相为除极，1、2、3位相为复极，4位相为静息期（图 1-1）。
图1-1 心室肌细胞除极和复极的动作电位与电离子活动示意图
A. 动作电位曲线；B. 单个细胞电记录图曲线（复极为倒置虚线）或左心室电记录图曲线（正常心电图曲线为直立实线）
1. 除极 细胞外钠离子的浓度比细胞内高得多，它有从细胞外向细胞内扩散的趋势，但钠离子能否进入细胞是由细胞膜上钠通道的状态来决定的。当心肌细胞受到一定强度的刺激时，原来的极化状态被破坏，少量兴奋性较高的钠通道开放，钠离子顺浓度差进入细胞，膜内电位轻度升高，致使膜两侧的电位差减小，产生一定程度的去极化。当膜电位升高到钠通道阈电位（约?70mV）水平时，就会引起细胞膜上大量的钠通道同时开放，此时钠离子在浓度梯度和电位梯度（内负外正）的双重作用下，大量地内流，导致细胞内正电荷迅速增加，电位急剧上升，由静息状态的?90mV升高至+30mV左右（极化状态逆转），形成动作电位的0位相，此时细胞膜内为正电位，膜外为负电位，这种极化状态的消除过程，称为除极。
2. 复极 当膜内的正电位增大到足以阻止钠离子的进一步内流时，也就是钠离子的平衡电位时，钠离子停止内流，并且钠通道因失活而关闭。此时钾通道被激活而开放，钾离子顺着浓度梯度从细胞内流向细胞外，大量的阳离子外流导致细胞膜内电位迅速下降，恢复至极化状态，形成了动作电位的下降支，这一过程则称为复极。但复极化的过程较缓慢，包括动作电位的1位相、2位相和3位相。1位相主要是钾离子外流；2位相为平台期，是钾离子外流和钙离子内流处于相对平衡的结果；随着钙通道的失活和钾通道的进一步开放进入3位相，复极化过程加快，最终使膜电位恢复至原来的水平而进入4位相，此时细胞膜电位虽然基本恢复到静息电位的水平，但是由去极化流入的钠离子和复极化流出钾离子并未各自复位，因此通过钠钾泵的耗能运载将流入的钠离子泵出并将流出的钾离子泵入，恢复动作电位之前细胞膜两侧这两种离子的不均衡分布，为下一次兴奋做好准备。
（二） 心室肌细胞的动作电位与心电波形的关系
以心室肌细胞为例（图1-2），其与心电波形的对应关系是：0位相相当于QRS波群的前半部分（约从QRS波群的起点到R波峰），1位相相当于QRS波群的后半部分（约从R波峰到J点），0位相与1位相相当于QRS波群，2位相相当于ST段，3位相相当于T波，4位相相当于等电位线，0位相起点至4位相起点相当于Q-T间期。
图1-2 心室肌细胞的动作电位曲线（A）及其与心电图（B）的关系
（三） 除极、复极过程中细胞膜外的电偶形成及电位变化
动作电位记录的是单个心肌细胞在除极与复极过程中细胞膜内的电位变化，但与此同时，膜外电位也发生很大变化。临床心电学通常用电偶来说明，凡是电量相等且距离相近的一对正负电荷均称为电偶，正电荷称为电源，负电荷称为电穴。由于正电荷流动的方向就是电流方向，因此，电流自电源（正电荷、正极）流向电穴（负电荷、负极）。如果把一对电偶连线，则连线的中点称为电偶中点，其电位为零。
当心肌细胞处于静息状态（极化状态）时，细胞膜内外存在一定的电位差，但在膜表面任意两点电位相等者，没有电位差，也不存在电偶，无电流产生。
当心肌细胞的一侧受刺激开始除极时，已除极的部分呈“内正外负”的除极化状态，而邻近未除极的部分仍处于“内负外正”的极化状态，两者之间在膜内或膜外均产生电位差和电流。此时无论在膜内或膜外，电流均由高电位流向低电位，结果使邻近尚未除极细胞膜的膜内外电位差降低，膜内电位升高。当该膜内电位升高达到阈电位时，即可引起该部位产生动作电位而除极，相对于它前方尚未除极的邻近部分又形成新的电偶，即在膜外又形成新的电位差。如此，除极不断向前扩展，电偶不断向前移动，直到整个细胞完全除极为止，此时，整个细胞呈极化逆转状态，即“内正外负”状态，膜外任何两点之间无电位差，不形成电偶，无电流产生。
复极开始时，先除极一侧先复极，该部分首先呈“内负外正”的极化状态，与尚未复极的邻近部分又形成电偶，随着复极的不断扩展，电偶不断向前缓慢推进，直到整个细胞完全复极为止。此时，膜外任何两点之间无电位差，不形成电偶，无电流产生（图1-3）。
图1-3 单个心肌细胞的除极和复极过程以及所产生的电偶变化
心肌纤维是由一系列的心肌细胞组成的，当单个心肌细胞发生除极（或复极）时，势必影响与它相邻的细胞。以同样的方式，通过心肌表面电偶的移动，完成全部心肌细胞的除极（或复极）过程（图1-4）。在除极过程中，沿着除极的方向看，电源在前（＋），电穴在后（?）；在复极过程中，沿着复极方向看，电穴在前（?），电源在后（＋）。
图1-4 一系列心肌细胞除极和复极过程以及所产生的电偶移动
三、单个心肌细胞除极波与复极波的形成
（一） 电位计检测原理
电位计检测原理 电偶形成后，即可在其周围形成电场，如果将电位计（电流计）的负极（无关电极）与电偶中心（0电位点）相接，把电位计的正极（探查电极）放在电场中任何一点，即可测得电场中任何一点的电位。此法可测得电偶正极的电位最高，为正电位，记录到正向波；电偶负极的电位最低，为负电位，记录到负向波；电偶中心是零电位，记录到等电位线。
一般来说，电偶的电动势越大，则电场中某点电位的绝对值越高；该点与电偶中心的距离越远，则其电位的绝对值越低；该点越靠近电偶轴，则其电位的绝对值越高；该点越靠近零电位面，则其电位的绝对值越低。
（二） 单个心肌细胞除极波与复极波的形成
将电位计的负极接“0”电位，正极作为探查电极置于心肌细胞的某个部位，在心肌细胞经历一次完整的除极与复极过程时，电位计可先后记录到该部位相应的除极波和复极波。但由于探查电极位置的不同，可形成不同的波形。
1. 电极置于心肌细胞的两端时，形成单向波（图 1-5） 当心肌细胞处于静息状态时（极化状态），膜表面不形成电偶，任何两点之间不存在电位差，此时电位计记录下来的是一条直线，为等电位线。
当除极开始时，出现电位差，在细胞膜外形成了许多电偶，此时位于电源一侧的电极，描记出正向波，并随着电偶逐渐靠近电极，形成逐渐升高的正向波上升支。当除极结束时，电偶消失，即刻形成正向波的下降支，并迅速回至基线；而位于电穴侧的电极，除极的最初时刻由于电极距离电穴最近，便迅速描记出最深的负向波，随着电穴逐渐远离探查电极，形成负向波的上升支并逐渐变小，在除极结束时，回至基线。在整个心肌细胞除极完毕时，细胞膜表面全都处于除极化状态，膜表面各处电位相等，电偶消失，电位计记录到等电位线。
当复极开始时，波形的形成原理同上，但由于复极时间较除极时间长，故描记到的复极波相对低小；同时复极时形成的电偶方向与除极时相反，故复极波方向也与除极波方向相反。当复极结束时，膜外电位差及电偶消失，电位计记录到等电位线。
图1-5 单个心肌细胞除极和复极过程中膜外电偶移动与单向波形成关系示意图
2. 电极置于心肌细胞的中段某个位置时，形成双向波 心肌细胞除极或复极过程中，当探查电极置于电偶的电源侧时，描记出正向波上升支，并且随着电源的逐渐靠近，上升支也逐渐增大（图 1-6 A）；当电偶移动至探查电极所在部位，电源刚好通过探查电极时，电极受正向电位的影响最大，描记出最高的正向波（图 1-6 B）；紧接着，当电穴到达并通过探查电极时，电极受负向电位的影响最大，电位由最高点迅速降至最低点，同时描记出正向波的下降支并延续出负向波的最深下降支（图 1-6 C）；随后，电偶继续向前移动，此时由于探查电极位于电偶的电穴侧，且电穴逐渐远离，故形成逐渐变浅的负向波上升支，最后回至基线（图 1-6 D）。因此，电偶朝某一方向移动时，如果电源首先面对电极，之后电穴面对电极，则形成先正后负双向波；反之，则形成先负后正双向波。
当心电图形出现由最高点降至最低点的曲折时称为本位曲折，其本质反映了电偶到达并完全经过探查电极时的瞬间。因此从正向波起始至本位曲折出现，可反映心肌细胞除极时形成的电偶到达探查电极的时间。临床采用的胸壁电极与心脏有一段距离，故其发生的曲折称为类本位曲折（intrinsicoid deflection，ID）。如果将心脏的除极过程视为一对电偶的移动过程，那么，自QRS波群起始至ID，反映激动自心室内膜传至心室外膜所用的时间，称为室壁激动时间（ventricular activation time，VAT）（图 1-7）。
图1-6 单个心肌细胞除极过程中膜外电偶移动
与双向波形成关系示意图 图1-7 类本位曲折和室壁激动时间
ID：类本位曲折；VAT：室壁激动时间
四、体表心电图的形成
心肌细胞在除极和复极过程中，细胞膜内外均可发生明显的电位变化。单个心肌细胞的膜内电位变化可用动作电位表示（图 1-8 A）；单个心肌细胞的膜外电位变化可用除极波和复极波表示（图 1-8 B）；全部心肌细胞（整个心脏）除极和复极时在体表（相当于膜外）的综合电位变化可用体表心电图表示（图 1-8 C）。
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