心电图产生原理

心脏机械收缩之前，心肌先产生电激动，在激动过程中产生微弱的电流，可经人体组织传导至体表，使不同部位产生不同的电位变化。心电图（electrocardiogram，ECG）是利用心电图机从体表记录心脏每一心动周期心房和心室所产生电位变化的动态曲线图形。

（一）心肌细胞的除极与复极

心肌细胞在静息状态时，膜外排列阳离子带正电荷，膜内排列同等比例阴离子带负电荷，保持稳定平衡的极化状态，不产生电位变化，无电流产生。当细胞膜的一端受到阈刺激时，该处细胞膜的电阻特性迅速发生变化，使膜对离子的通透性发生改变，膜外的阳离子进入膜内，使膜内具正电荷而膜外具负电荷，细胞膜内外正、负离子的分布在短时间内发生逆转，受刺激部位的细胞膜出现除极化。该处细胞膜外正电荷消失并带负电荷，而其前面尚未除极的细胞膜外仍带正电荷，从而形成一对电偶，电源（正电荷）在前，电穴（负电荷）在后，细胞膜产生电位差，有电流产生，电流自电源流入电穴。除极沿着一定的方向迅速扩展，正如一系列电偶向前移动，电源在前，电穴在后，直至整个心肌细胞除极完毕，此时心肌细胞膜内带正电荷，膜外带负电荷，称为除极状态。

心肌细胞除极之后，由于心肌细胞的新陈代谢，细胞膜重新调整对不同离子的通透特性，使细胞膜又逐渐复原到静息时的极化状态，即膜外排列阳离子带正电荷，膜内排列同等比例阴离子带负电荷并保持稳定平衡状态，这种恢复过程，称为复极过程。单个心肌细胞复极与除极程序一致，但复极化的电偶是电穴（负电荷）在前，电源（正电荷）在后，并较缓慢地向前推进，直至整个心肌细胞全部复极为止（图3-1）。

图3-1　单个心肌细胞的除极和复极过程以及所产生的电偶变化

（二）心肌细胞除极波与复极波的形成

心肌细胞在除极和复极过程中的电位变化，可用电流计记录下来，所录得的曲线分别称为除极波和复极波。当心肌细胞处于静息状态时，无电位变化，记录出一条等电位线。在除极向前推进时，当探查电极对向电源（即面对除极方向）产生向上的波形，对向电穴（即背离除极方向）产生向下的波形，在细胞中部则记录出先向上后向下的双向波形。单个心肌细胞复极过程与除极过程方向相同，但因复极化过程的电偶是电穴在前，电源在后，因此记录的复极波方向与除极波相反。即除极波向上的，复极波向下；除极波向下的，复极波向上；除极波先向上后向下的双向波，复极波先向下后向上的双向波（图3-2）。

需要注意，在正常人的心电图中，记录到的复极波方向常与除极波主波方向一致，与单个心肌细胞不同。这是因为正常人心室的除极从心内膜向心外膜进行，而复极从心外膜开始，向心内膜推进，其机制尚不清楚。可能因心外膜下心肌温度较心内膜高，心肌收缩时，心外膜下心肌承受的压力又比心内膜下小，故心外膜下心肌细胞新陈代谢、生物化学改变先行开始，复极过程发生较早。

图3-2　单个心肌细胞探查电极方位与除极、复极波形方向的关系
箭头示除极与复极的方向

由体表采集到的心脏电位强度与下列因素有关：①与心肌细胞数量（心肌厚度）成正比关系；②与探查电极位置和心肌细胞之间的距离成反比关系；③与探查电极的方位和心肌除极的方向所构成的角度有关，夹角愈大，心电位在导联上的投影愈小，电位愈弱（图3-3）。

图3-3　探查电极电位和波形与心肌除极方向的关系

（三）心电向量的基本概念

心肌细胞在除极和复极过程中产生电偶，电偶移动所产生的电动力，既有方向，又有大小（量），通称向量。因此，一对电偶就是一个向量，常用一箭矢来表示，箭矢的方向表示向量的方向，箭矢的长度表示向量的大小，箭矢前端代表正电荷（电源），箭矢尾端代表负电荷（电穴）。心房和心室有大量的心肌细胞，在除极和复极的每一瞬时产生许多心电向量，由于心脏的解剖结构特点及心肌细胞排列各不相同，产生的心电向量的方向和量的大小亦不一致，按下列原理可合成为“瞬时综合心电向量”：同一轴的二个心电向量的方向相同者，其量（箭矢的长度）相加；方向相反者则相减。二个心电向量的方向构成一定角度者，则可用“合力”原理将二者按其角度及量（箭矢的长度）构成一个平行四边形，而取其对角线为瞬时综合心电向量（图3-4）。

图3-4　综合向量的形成原则

很多电动力由于方向相反而被抵消。心室除极或复极按一定顺序进行，每一瞬时除极或复极的心肌细胞数目和方向均不相同，因此，其产生的瞬时综合心电向量方向、大小也不一致。心房和心室除极或复极过程中，产生许多方向、大小不同的瞬时综合心电向量，这些瞬时综合心电向量按上述综合心电向量的原理可以综合成一个总的向量（平均综合向量），分别称为心房除极向量（P向量），心室除极向量（QRS向量）和心室复极向量（T向量）。可以认为：由体表所采集到的心电变化，乃是全部参与电活动心肌细胞的电位变化按上述原理所综合的结果。