物理诊断学/心电产生的原理

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(一)心肌细胞极化状态和静息电位

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(图14-1-2)。通过实验,测得极化状态的单一心肌细胞内电位为-90mV,膜外为零。这种静息状态下细胞内外的电位差称为静息电位(restingpotential)这种稳恒状态就称极化状态。

极化状态图


图14-1-2 极化状态图

极化状态时静息电位的恒定,有赖于细胞代谢活动,细胞内外钾离子及钠离子浓度的比值以及细胞膜对钾、钠、钙、蛋白质、氯离子等具有不同的通透性。在静息状态下,细胞内钾离子浓度约为细胞外钾离子浓度的30倍,相反细胞外钠离子浓度约为细胞内钠离子浓度的15倍。至于阴离子,细胞内液蛋白阴离子的浓度为高,而在细胞外液则以氯离子浓度为高。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-90mV的水平上,形成了静息电位。

(二)心肌细胞的除极、复极过程和动作电位心肌细胞在兴奋时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14-1-3)。分为去极化的0相和复极化的1、2和3相。4相为静息期。

1.0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-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。

2.1 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。

3.2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Ca++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。

4.3 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。

5.4 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


图14-1-3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

A.心肌细胞除极与复极过程中的电位曲线;a.零电位线b.静息电位c.动作电位开始

B.相应的心电图

0位相:相当于心电图的R波;1位相:相当于心电图的J点

2位相:相当于心电图的S T段;3位相:相当于心电图的T波

4位相:相当于心电图T波后的静息电位

C.心肌细胞膜内外在不同位相时的离子变化

(三)容积导电与电偶学说

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。正电荷称做电偶的电源,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。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14-1-4B),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,无电流存在,则记录为一平线(图14-1-4 C)。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14-1-4 C)。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14-1-4 E)。

心肌细胞在除极与复极的过程中,形成电偶,产生电流,在每一瞬间都将传播到整个体液内(图14-1-5)。这种现象和一束肌纤维放在巨盆盐水内,不断产生电偶作用于周围的情况完全相似,这种导电的方式称为容积导电。人体亦可看作是容积导体,心脏处于这一导体之中。

心肌细胞除极与复极时电偶的形成


心肌细胞除极与复极时电偶的形成


心肌细胞除极与复极时电偶的形成


心肌细胞除极与复极时电偶的形成


心肌细胞除极与复极时电偶的形成


图14-1-4心肌细胞除极与复极时电偶的形成

电位在容积导电体内的正负电场示意图


图14-1-5电位在容积导电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(图14-1-6),通过电偶中心可作一垂直平面,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,零电位面把电偶的电场分为正、负两个半区。

电位在容积导体中产生的电位分布示意图


图14-1-6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与以下三个因素有关。

1.某点的电位和电偶的动势成正比。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列公式表示

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14-1-7)。

容积导体中某点电位与方位角的关系示意图


图14-1-7容积导体中某点电位与方位角的关系示意图

a 当θ=0°时,cosθ=1,此时 a点电位为+E.波形向上,电位最高; b θ= 30°时, cos 30°= 0.866, b点电位为 +0.866E。波形向上,电位稍低;cθ=60°时, cos60=0.500, c点电位为 +0.5E; dθ=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

32 典型心电图 | 心电向量概念 32
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