「ECG信号处理-第四课——心电信号的形成机制与诊断基础」2024年11月22日

丁忠运

       心电图（Electrocardiogram，简称ECG或EKG）是一种记录心脏电活动的医学测试。它通过在身体表面放置一系列电极捕捉并记录心脏每次跳动时产生的微小电脉冲。这些电脉冲反映了心脏的电生理过程，包括心房和心室的去极化（除极）和复极化（复极）。心电图的波形可以提供关于心脏节律、心率、心脏各部分功能状态以及可能存在的心脏疾病的重要信息。

第一节 心电产生原理与心向量概念

一、心肌细胞的除极与复极


       心肌细胞的除极是指心肌细胞内部的电位从静息状态的负电位转变为正电位的过程。这个过程是由于心肌细胞膜上的离子通道开启，导致钠离子快速流入细胞内，使得细胞内外的电位差发生变化。复极则是心肌细胞从正电位恢复到静息状态的负电位的过程，主要是由于钾离子流出细胞外造成的。

图1：钠钾离子的流动过程

1、极化状态（Polarized State）：
       这是心肌细胞的静息状态，细胞膜内外存在稳定的电位差，通常为细胞内负外正，大约在-90mV左右。这种状态是由于细胞膜对钾离子的通透性较高，而对钠离子的通透性较低造成的。在这种状态下，心肌细胞没有被激活去极化。
2、除极进行（Depolarization）：
       当心肌细胞受到刺激（如自主神经的冲动）时，细胞膜上的快速钠通道打开，允许钠离子快速流入细胞内。这个过程导致细胞内外的电位差迅速减小，细胞膜电位从静息电位向0mV变化，这就是除极进行的过程。
3、除极状态（Depolarized State）：
       一旦心肌细胞的膜电位达到0mV或稍微正值，即认为心肌细胞已经完全除极。在除极状态下，细胞内外的电位差几乎消失，细胞内部的电位变为正，这是心肌细胞准备进行收缩的状态。
4、复极进行（Repolarization）：
       心肌细胞在除极后，需要恢复到静息状态以准备下一次的去极化。复极进行是指心肌细胞膜电位从正电位逐渐恢复到负电位的过程。这个过程主要是由于钾离子通道的开放，导致钾离子流出细胞外，使得细胞内的电位逐渐变为负。
5、复极完全（Repolarized State）：
       当心肌细胞的膜电位恢复到静息电位水平，即大约-90mV时，我们认为心肌细胞已经复极完全。在复极完全的状态下，心肌细胞已经恢复到静息状态，准备好接受下一次的电生理刺激。

图2：心肌细胞的除极与复极过程

二、心向量的基本概念

       心向量是指心脏去极化和复极化过程中产生的电偶极子的方向和大小。心脏的每一次搏动都会产生一个心向量，它反映了心脏电活动的空间特性。心向量的变化可以通过心电图的导联系统在不同方向上进行测量。
1、电偶和向量

       心肌细胞在除极和复极过程中形成电偶，电偶既有数量大小，又有方向性，称为电偶向量。电偶向量可以看作是单个心肌细胞的心电向量，它的数量大小就是电偶的电动势，取决于电偶两极电荷聚集的数目，数目越多，电动势就越大，反之，则越小。心电向量的方向就是电偶的方向。

图3：不同除极方向的心向量

2、综合心电向量

       一片心肌由多个心肌细胞组成，除极与复极时会产生很多个电偶向量，把它们叠加在一起成为一个电偶向量，这就是综合心电向量。心脏由几个部分心肌组成，除极时，不同方向的电偶向量同时活动，各自产生不同方向的电动力，把几个不同方向的心电向量综合成一个向量，就代表整个心脏的综合心电向量。

图4：综合心电向量

3、瞬间综合心电向量

       只有同时发生的向量才能综合起来，心脏是一个立体的结构，心肌纤维纵横交错，并且心壁各处厚薄不一，在除极复极过程中的某一瞬间，会出现无数的电偶产生无数方向不同、强弱不等的心电向量，每一瞬间的心电向量都可以用一个综合向量来代表，称为瞬间综合心电向量。

图5：瞬间综合心电向量

4、空间心电向量环

       由于瞬间综合心电向量只能反映某一瞬间的综合心电向量，无法反映心肌兴奋全过程所发生的心电向量变化。于是人们就把各把瞬间所产生的瞬间综合心电向量的尖端依次连接起来，构成一个三维的空间心电向量环，也就是说心电向量环既包括了每一个瞬间综合心电向量，还反映了各瞬时综合向量的变化，所以能反映心脏除极或复极全程的变化。
       瞬间综合心电向量与空间心电向量环：在心动周期的全过程中，瞬间向量随时间推移而作周期性变化。这些向量尖端在空间构成图形轨迹，即为空间心向量环。

图6：空间向量环

       空间心向量环是一个位于空间的立体图形，朝向四面八方。目前的平均记录仪是记录不到空间向量图实况的，只能通过间接的方法描绘它。通常采用该立体图在前后、左右和上下三个互相垂直的平面的投影来表达。
       以心室除极所产生的QRS空间向量环为例，投影在每一平面的形态绘成额面、侧面和横面3个平面向量图（即：额面QRS环、横面QRS环、侧面QRS环），组合成一个空间的立体形象。这3个平面上的图形，就是临床所能记录到的平面向量图。

图7：空间向量环在三个平面上的投影

图8：平面QRS向量环

5、二次投影

       心电图是平面向量环在在水平面和额面上的第二次投影,形成了肢体导联和胸壁导联所特有的心电图变化曲线。
       额面向量环投影在肢体导联轴,就形成了肢体导联心电图,横面向量环投影在胸壁导联轴,就形成了胸壁导联。
       普通心电图的导联轴分正负两侧,如心电向量投影到导联轴的正侧,其投影为正,投影到导联轴的负侧,则投影为负。
       平面向量代表二维,反映了上下和左右,或上下和前后,或左右和前后的变化,其横坐标和纵坐标都反映了向量的大小,而心电图反映的只有上下、或者左右、或者前后的一维变化,反映在纵坐标上代表向量在导联方向的强弱,而横坐标则反映的时间。

图9：额面与横面的QRS向量环

       如果将额面QRS向量环上的每一点分别向六个肢体导联的导联轴依次做垂直投影，我们就可以得到六个肢体导联的QRS心电图波形。

图10：额面向量环与肢体导联心电图的关系

第二节 心电图各波的形成

一、心电图常用导联

       心电图的导联系统是用来记录心脏电活动的多个电极组合。常见的导联包括标准肢体导联（I、II、III）、加压肢体导联（aVR、aVL、aVF）和胸导联（V1至V6）。每个导联都对应心脏的不同视角，可以提供关于心脏电活动的详细信息。
1、肢体导联

       肢体导联又分为三个标准肢体导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和三个加压肢体导联avR、avL、avF。
       肢体导联电极主要放置于右臂(R)、左臂(L)、左腿(F)，连接此三点即所谓 Einthoven三角。

图11：肢体导联图

       肢体导联Ⅰ正极为左上肢，负极为右上肢；
       导联Ⅱ正极为左下肢，负极为右上肢；
       导联Ⅲ正极为左下肢，负极为左上肢；
       导联avR正极为右上肢，负极为左上肢+左下肢；
       导联avL正极为左上肢，负极为右上肢+左下肢；
       导联avF正极为左下肢，负极为右上肢+左下肢。

2、胸前导联

       胸导联包括V1-V6导联。V1、V2导联电极位于右室之上，V4、V5、V6导联位于左室之上，V3导联位于室间隔之上。
       V1导联电极置于胸骨右缘第4肋间；
       V2导联电极置于胸骨左缘第4肋间；
       V3导联电极置于V2与V4导联之间；
       V4导联电极置于左侧第5肋间锁骨中线；
       V5导联电极置于V4导联同一水平腋前线处；
       V6导联电极置于V4导联同一水平腋中线处。

图12：胸前导联V1-V6图

二、心电图与心向量图的关系

       心电图是通过测量不同导联上的电位变化来反映心向量的变化。
       心向量图（Vectorcardiogram，VCG）则是通过测量心向量在空间中的方向和大小来描述心脏电活动。心电图和心向量图可以互相补充，提供更全面的心脏电生理信息。
       心电图是空间心电向量二次投影的结果，即心电向量图在心电图导联轴上的投影。此投影过程将三维的心电向量活动转化为一维的心电图波形，使我们能够在平面上观察和记录心脏的电活动。

图13：向量环投影到X,Y,Z轴上产生标量图

       下面是将心电向量投影成心电图的原理示意。

图14：心电向量投影成心电图

三、心电图各波的形成

       心电图上的波形主要由以下几个部分组成：
       P波：代表心房去极化的过程。
       QRS复合波：代表心室去极化的过程，其中Q波是心室去极化的开始，R波是去极化的高峰，S波是去极化的结束。
       T波：代表心室复极化的过程。
       U波：有时可见，代表心室复极化后的电位变化，其具体机制尚未完全明确。

图15：心电图各个波形与组成

图16：心电图各个波形与特点

第三节 ECG诊断基础

       一般来讲，心律失常分为以下两大类。

图17：心律失常常见分类图

       其中，几种高发疾病反映在心电图上分别为：

1、心房颤动 ：P波的位置上乱七八糟，可发展为心室颤动。（QRS波正常）

2、心室颤动 ：正常QRS波消失，只剩下大小不一的小波

        此时病人极度危险，随时心室骤停，应及时电除颤。

3、窦性心动过缓:P波正常，每个心动周期也叫P-P间期，都大于5个大格（25个小格）

4、窦性心动过速:P波正常，每个心动周期都小于3个大格

5、室性期前收缩：前面几个正常的波,接着一个波提前，接下去又是正常的波

6、心肌缺血：V4、V5、V6的ST段下移

       另外还有如下波形特征变化，也可以反映心脏的病理特征。
       ST段：ST段异常抬高多见于急性心肌梗死、急性心包炎等；若异常压低，多见于慢性冠心病、心内膜下心肌梗死、急性心肌炎、心室肥大、心房肥大等。
       Q-T间期：Q-T间期延长见于心肌梗死、冠状动脉供血不足、低钾血症、低钙血症、药物的影响，也可见于遗传性原发性Q-T间期延长。
       P-R间期：中老年患者P-R间期延长常见于房室传导阻滞。
       T波：如果T波明显增高，可能是心肌梗死早期或者是高钾血症。T波低平或倒置可见于冠心病心肌缺血、高血压、围绝经期综合征（女性更年期）电解质紊乱、心肌炎、心肌病、神经功能异常、药物影响等。
       U波：U波倒置见于高血压、心肌缺血、左室负荷过重或电解质改变等。U波明显增高见于血钾过低。

Tips：下一讲，将说明，如何采集心电信号与心电信号中的常见噪声类型。
以上就是心电信号的形成机制与诊断基础的全部内容啦~
我们下期再见，拜拜(⭐v⭐) ~