心肌细胞的电变化主要是细胞膜内、外的电位变化，即膜电位变化。膜电位是细胞内、外离子活动的表现。细胞内的阳离子主要是K＋，其浓度为细胞外液的35倍，阴离子主要为有机离子。细胞外的阳离子主要为Na＋和Ca2＋，Na＋浓度为细胞内液的4．6倍；Ca2＋浓度为细胞内液的20 000倍，阴离子主要为Cl－。在心肌细胞的除极和复极过程中，离子跨膜流动，造成细胞内、外的电位变化。
（一）静息电位
心肌细胞未受到刺激（处于静息状态）时存在于细胞膜内、外两侧的电位差，称为静息电位。静息状态下，心肌细胞膜允许K＋外渗而不允许Na＋渗入，K＋顺其浓度梯度由膜内向膜外扩散，致使细胞内电位下降、细胞外电位上升，引起细胞膜内外电位差形成（内负外正）。膜内、外的电位差继而对K＋的外流起阻止作用，K＋外流达到一定程度后即趋于稳定状态即静息状态。心室肌细胞的静息电位约为－90mV（图1－2）。这种以细胞膜为界，膜外呈正电位、膜内为负电位，并稳定于一定数值的静息电位状态，又称为极化状态。
图1－2 静息状态时细胞膜内外的电荷分布
（二）动作电位
当心肌细胞一端的细胞膜受到一定强度的刺激时（阈刺激），其对K＋、Na＋、Cl－、Ca2＋的通透性发生改变，引起膜内外阴、阳离子的逆转，受刺激处的细胞膜出现除极，使膜外侧带负电荷，膜内侧带正电荷，此过程所发生的电位变化称为动作电位，即心肌细胞的除极和复极过程（图1－3）。可分为除极的0相和复极的1、2、3、4相。
图1－3 心肌细胞除极、复极时电位变化与离子活动关系示意图
1．0相（除极期） 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，仅占1～2ms。这种极化状态的消失称为除极（depolarization）。相当于心电图QRS波群的前半部分。
2．1相（快速复极初期） 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，从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＋外流和Cl－内流，其中K＋外流是主要的，使膜内电位快速自＋20mV下降至0电位，形成1相。约占10ms，相当于心电图QRS波群的后半部。
3．2相（平台期） 为缓慢复极阶段。表现为膜内电位下降速度大减，即在膜电位低于－55～－40mV时，膜上的Ca2＋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，形成平台。此期持续时间较长，占100～150ms。相当于心电图的S－T段。
4．3相（快速复极末期） 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，主要是由于膜对K＋的通透性大大增高，促使K＋快速外流，致膜内电位快速下降。相当于心电图的T波。
5．4相（静息期） 通过细胞膜上的Na＋－K＋泵活动加强，使细胞内外的离子浓度差恢复到静息状态水平。相当于心电图T波后的等电位线。4相的开始相当于复极过程完毕，心室舒张期由此开始。
（三）除极与复极过程的电偶学说
心肌细胞除极与复极过程在临床心电图上通常用电偶学说来说明。由两个电量相等，距离很近的正负电荷所组成的一个总体，称为电偶。正电荷称为电偶的电源，负电荷称为电偶的电穴，其连线称为电偶轴，电偶轴的方向是由电穴指向电源，两极间连线的中点称为电偶中心。
图1－4说明了心肌细胞除极与复极过程中电偶的形成过程。当一个心肌细胞的甲端受刺激而首先除极，由于Na＋的内流使此处膜内变为正电位，膜外变为负电位（图1－4B），乙端仍保持膜外为正电位、膜内负电位的极化状态，使同一个细胞膜外的甲乙两端出现了电位的差别。甲端为负电荷（电穴），乙端为正电荷（电源），二者形成电偶，产生电流。电流的方向由电源流向电穴。若在乙端（面对电源）置一探查电极，即可描记出向上的波，反之，在甲端则描记出向下的波。随着除极波的扩展，整个心肌细胞全部除极，细胞膜内外分别均匀地聚集正、负电荷，细胞膜外的电位差消失，无电流产生，则记录为一平线（图1－4C）。心肌细胞复极时，先除极的甲端首先复极，恢复到极化水平，其膜外聚集正电荷，未复极的乙端膜外仍聚集负电荷，复极端为电源，未复极端为电穴，二者再次形成电偶，产生电流，电流方向仍为电源流向电穴，与除极时方向相反，甲端电极描记为正波，乙端描记为负波（图1－4D）。整个心肌细胞恢复极化状态后，电偶消失，无电流产生，再次描记为一平线（图1－4E）。探测电极方位与除极、复极波形方向的关系如图1－5。
（四）容积导电
在一桶氯化钠溶液中心，放置电池的两极，由于氯化钠溶液具有均匀一致的导电性，所以电流布满整个容积的溶液中，沿无数线路自阳极流向阴极，而溶液中各个部位的电流强度不同，所测得的电位也不同，这种导电方式在电学上称为容积导电（图1－6）。人体亦可看作是容积导体，心脏处于这一容积导体之中，心肌细胞在除极与复极的过程中，形成电偶，产生电流，在每一瞬间都将电流传播到这个容积导体的各部位。
图1－4 心肌细胞除极与复极过程中电偶的形成过程
图1－5 探测电极方位与除极、复极波形方向的关系
图1－6 容积导体内的正负电场示意图
在容积导体中各处都有强弱不同的电流在流动着，因而导体中各点存在着不同的电位差，通过电偶中心可做一垂直平面，因面上各点与正负两极距离相等，故在此平面上各点的电位均等于零，称为电偶电场的零电位面（图1－7），零电位面把电偶的电场分为正、负两个半区。
图1－7 电位在容积导体中产生的电位分布示意图
容积导体中任一点的电位大小与以下三个因素有关。
1．某点的电位和电偶的电动势成正比。电偶的电动势越大，该点的电位越高。
2．某点的电位和该点与电偶中心距离的平方成反比。距离越远，电位的绝对值越低。
3．某点的电位与该点方位角θ的余弦成正比。角度越大，电位越低，角度越小，电位越高。
上述三个因素可以用下述公式表示：V＝E×cosθ／r2。V代表容积导体中任一点电位，E代表电偶电动势，r代表该点到电偶中心的距离，cosθ是方位角θ的余弦（图1－8）。
图1－8 容积导体中某点电位与方位角的关系示意图
注：a．当θ＝0°时，cosθ＝1，此时a点电位为＋E，波形向上，电位最高；b．当θ＝30°时，cos 30°＝0．866，b点电位为＋0．866E，波形向上，电位稍低；c．当θ＝60°时，cos60°＝0．500，c点电位为＋0．5E；d．当θ＝90°时，cos90°＝0，d点电位为零；同理，e、f、g各点的电位分别为－0．5E、－0．866E及－E
在人体这个容积导体中，心脏相当于一对电偶，每次激动时所产生的电流，通过体液传导，在其周围形成一个电场，电场中各点的电流强度和电位不同，其变化与下列因素有关：
1．与心肌细胞的数量成正比。
2．与探查电极的位置和心肌细胞的距离的平方成反比。
3．与探查电极的方位和心脏除极的方向所构成的角度有关，角度越大电位越小（图1－9）。
图1－9 探测电极电位和波形与心肌除极方向的关系
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