心电图

本文最初是作为IEEE之星程序。

引用

在现代世界，心电图是一种每天在世界各地的医生办公室、诊所和医院使用的医疗技术。这项技术起源于18世纪末开始的对生命系统中电现象的研究。神经和肌肉是电活动的，心脏产生电流和电压，这些电流和电压可以被记录在所谓的心电图（ECG）中。在20世纪的过程中，科学家和工程师阐明了心电图的医学意义，制定了心电图记录标准，并帮助使这项技术对医生来说无价。

介绍

由于心脏病和癌症是公共卫生关注的首要问题，心电图是所有医疗技术中最重要的技术之一，它提供了有关心脏功能的重要信息。这项技术起源于18世纪末开始的对生命系统中电现象的研究。

加利瓦尼至沃勒

1791年，路易吉·伽伐尼报告了他的观察结果，即电火花可能导致青蛙腿的肌肉抽搐。该报告开创了生物电研究的先河，在19世纪，通过众多研究人员的努力，生物电研究取得了巨大进展，通常还进行了巧妙的实验。他们发现肌肉和神经细胞是电活动的，电活动沿着肌肉和神经纤维传播。（从某种意义上说，电池是生物电的一个分支：亚历山德罗·沃尔塔（Alessandro Volta）认为，由于不同金属之间的接触电势，伽瓦尼（Galvani）正在研究的路径中产生了电压，沃尔塔（Volta）继续利用这个想法发明了电池。）

由于人体组织导电，电流和电位（电压）在周围介质中产生。在某些情况下，电位大到可以在体表检测到。然而，生物电势的测量将对研究人员构成重大挑战。心脏信号的振幅很小，约为毫伏。时间进程经常会发生快速变化。在许多情况下，信号本质上是脉动的。许多巧妙的仪器被开发用来测量生物电势。在许多情况下，这些仪器本身就提高了技术水平。

电流在人体组织中传播的研究称为体积导体问题。1853年，赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）在一篇引人注目的论文中提出了体积导体问题的物理学。19世纪后半叶，一些在动物身上进行实验的研究人员认为，这些信号可以为骨骼肌、平滑肌和心肌这三种肌肉类型中的每一种提供重要的临床信息。例如，艾蒂安·朱尔斯-马雷（Etienne Jules-Marey）首次记录了骨骼肌的电活动，并于1890年将其命名为肌电图。1885年开始研究的胃电图反映了胃平滑肌的电活动。最直接的临床意义是认识到心电图可以提供有关心脏状况的信息。

1856年，瓦茨堡大学的R.A.von Kölliker和Heinrich Müller发现青蛙的心脏会产生电流，并且电流会随着心脏的跳动而变化。记录这个信号很困难。有趣的是，研究人员使用青蛙腿上的坐骨神经进行测量。因此，连接在心脏表面的电线被引入青蛙肌肉。Von Kölliker和Müller观察到，每次心脏跳动时，肌肉都会抽搐。

伦敦圣玛丽医院的Augustus D.Waller于1887年首次记录了人体心电图（ECG或EKG）。沃勒使用了一种灵敏的电探测器，加布里埃尔·利普曼的毛细管静电计。他通过在移动的纸上拍摄弯月面（毛细管中液体的上表面）的阴影，获得了电压的时间记录。虽然这些录音的不稳定质量让沃勒对其效用感到悲观，但他的一次演示给了威廉·埃因霍温灵感。他进而认识到，心电图或心电图可能是了解心脏功能的有力工具，但开发一种准确的放大器和记录仪，记录心脏和其他肌肉在收缩时产生的小电流，仍然是一项挑战。

埃因霍温

图1，威廉·埃因霍温

1901年，莱顿大学的医生和生理学家威廉·埃因霍温发明了弦式电流计。它比毛细管静电计具有更好的灵敏度和频率响应，并且更加坚固。使用这种设备，埃因霍温使临床心电图变得实用。他进行了许多临床研究，提高了心电图的解释艺术，并进行了动物实验以帮助理解这一点。最后，他提出了一个理论框架，将心电图与心脏中的信号源联系起来，并于1924年获得诺贝尔奖。此外，几个国家的公司开始生产和销售艾因霍温的机器。

心电图是根据连接到身体特定点的导线的输入进行记录的。埃因霍温提出心脏是一个发电机，其作用类似于偶极子；也就是说，作为一对电极（电端子），它们之间的距离很短。他将心脏的电动作视为由幅度和方向组成的可量化向量，并提出了一种分析方案，其中三个向量形成一个三角形，今天称为埃因霍温三角形。

图2，Einthoven实验室的心电图记录

“领导”一词在这里有两个含义。它可以指连接到心电图机的实际电极和电缆。在心电图中，它还专门指两个或多个电极之间的电压差。在最简单的情况下，铅需要两个电极连接到皮肤上。Einthoven使用的电极（称为肢体电极）是从连接在左腿（电极1）、左臂（电极2）和右臂（电极3）的电极对中获得的。Einthoven认识到这些电压不是独立的，而是铅I+铅III=铅II，这一关系今天被称为Einthovin定律。

从埃因霍温到汉堡

神经纤维和肌肉纤维呈圆柱形。当纤维处于活动状态时，称为动作电位的电脉冲以给定的速度沿圆柱体传播。脉冲涉及细胞膜，细胞膜经历快速去极化。动作电位产生的电流可视为来自偶极子。

在心肌中，细胞以这样一种方式相互连接，肌肉可以被视为一个合胞体，一种具有许多细胞核的细胞样结构。当活动通过心肌传播时，会在体表产生一种称为QRS波群的波形。激发后恢复（复极），产生T波。这些特征心电图形式由Einthoven识别和命名。

20世纪20年代，南非的威廉·H·克拉布（William H.Craib）研究了球形导体中的肌肉准备领域。在一个著名的实验中，他证明了肌肉条产生的电位是偶极子产生的电位。这有助于验证埃因霍温的心脏作为偶极子的概念，与心脏到皮肤的距离相比，这对电极之间的距离很小。各国研究人员的理论工作促进了对心电图背后生物现象的理解。例如，1933年，美国密歇根大学的Frank N.Wilson将心脏中的电流源与外部单极电位联系起来，13年后，荷兰的Herman C.Burger将心脏矢量和铅矢量的概念正式化。

心前导联

对心脏和身体电生理的精细理解导致了越来越多、越来越复杂的涉及多个电极的ECG导联。1932年，查尔斯·沃尔弗斯和弗朗西斯·伍德提议用心脏上方胸部上的电极记录，以右臂为参考。1938年，美国心脏协会和大不列颠及爱尔兰心脏学会为心电图中的六条胸前导联建立了标准位置和电路。1934年，威尔逊引入了现在称为威尔逊中心终端（WCT）的装置，在该装置中，他将三个肢体电极和Einthoven三角形中心点之间的等量电阻连接起来，并对其电位进行平均。威尔逊称这些为单极引线，他将其命名为VL、VR和VF。这三条导线连同导线I、II和III构成肢体导线。十年后，威尔逊使用WCT作为六条标准心前导联V1-V6的参考。我们总共有十二条导联，构成标准心电图。

Einthoven的安排中又增加了一项，完成了心电图中十二导联的当代补充。1942年，伊曼纽尔·戈德伯格（Emanuel Goldberger）指出，只要打开WCT中的电阻器，单极引线就可以提高50%。因此，对于VL，通过打开左臂的电阻器来修改WCT。这是一个增强的线索，AVL。以类似的方式，我们得到了AVR和AVF。

生物物理研究

艾因霍温的概念使研究人员考虑了几个问题。首先，给定有界体积导体中的电流偶极子源，如何计算表面电势？这称为正向问题。第二，如何从皮肤电位估计心脏偶极子，这是一个被称为逆问题的问题。第三，单偶极近似有多精确？

上述调查人员试图将该理论建立在坚实的物理基础上，最早的工作是由伯格完成的。由于没有可用的数字计算机，研究人员利用物理模拟将代表心脏的偶极源与皮肤电位联系起来。这个模拟物叫做幻影，是一个代表人体躯干的表面。心脏区域的偶极子源被激发，并测量表面电位。这样就解决了将皮肤电位与偶极心脏源相关联的问题。

相反的问题涉及从皮肤上测量的电压来确定心脏偶极子的特性。一些研究人员提出了这样做的方案，将在少量皮肤电极上进行的测量与偶极子的特性联系起来。

第三个问题是心脏偶极子的近似值有多好。宾夕法尼亚大学电气工程师欧内斯特·弗兰克（Ernest Frank）于1956年给出了一个明确的答案。弗兰克建造了一个幻影，这个幻影是一个特定个体的石膏模型，他可以为其配备导线，然后测量其电气行为。他发现心脏的实际行为和偶极子源的行为之间有很好的一致性，从而验证了这种方法。

随着电子数字计算机的出现，无需使用幻影就可以解决正向问题。IBM的H.Gelernter和J.C.Swihart团队，以及Roger C.Barr和其他地方随后的调查人员于1964年开始开创这种方法。

与细胞活动的关系

对于给定的源分布，可以解决正向问题。多年来，重点是上述电流偶极子。同时，有兴趣将来源分布与心脏细胞活动联系起来。有证据表明，将静息心脏细胞与经历去极化的心脏细胞分离的波前是表面偶极层。该激活层将在心脏循环期间穿过心脏。因此，研究人员将心脏活动视为这个双层的运动，可以近似为单个偶极子。

研究人员研究了动物心脏，试图确定激活的传播。在心脏内放置了许多电极，并记录了电压。当活化通过电极时，记录的电压突然改变。阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam）的德克·杜勒（Dirk Durrer）报告了1970年一颗复苏的人类心脏的研究结果。就这样，一幅画面浮现了激活在心脏中的传播。这些研究还提供了有关心脏复极或恢复期的信息，这是一个渐进的过程。

1973年，沃尔特·米勒（Walter Miller）和大卫·盖塞洛维茨（David Geselowitz。他们的结果被称为Miller-Geselowitz模型。心脏由23个偶极子代表。它包含了激活顺序和心脏动作电位的报告结果。使用数字计算机解决方案计算真实躯干上电极部位的电位。随后，奈梅亨拉德布大学医学中心的Adriaan van Oosterom和Thom Oostendorp于1984年发表了一项名为ECGSIM的更复杂的模拟。

标准和安全

美国心脏协会（AHA）心电图委员会是推动心电图技术发展的一个重要团体。该委员会提出了引线、电极放置、轴惯例和命名标准。该委员会的三项活动是心电图机标准、电气安全标准和心律失常的计算机解释标准。20世纪60年代中期，华盛顿退伍军人管理局的心脏病专家休伯特·皮伯杰（Hubert Pipberger）担任委员会主席时，他任命了一个生物医学工程师小组委员会来解决仪器问题。后来，工程师成为委员会的正式成员。

心电图机由电源供电。由于电极-皮肤界面处的阻抗（与电流相反的一种测量方法）相对较小，因此心电图机充当电流源，将电流驱动到体内。电气安全标准的关键是规定泄漏电流的限制，泄漏电流通过身体直接进入心脏。

已经进行了少量实验，试图确定引起心脏纤维性颤动的阈值，这是小电流的危险。这些实验导致委员会采用了10微安的泄漏电流限制。1936年进行了一项研究，以确定高压线附近工人的电流安全限值。发表在《电气工程》杂志上的这项研究确定了脆弱期的重要概念，即心脏周期中电流脉冲可能导致纤颤的一段时间。

心电图机的最早标准于1938年发布。它们已经被修订了好几次。皮伯杰制定的政策是，委员会成员不得与工业界有任何联系。有人提出了委员会是否缺乏设备设计和工程知识的问题。这一突发事件由定期举行公开会议的委员会处理，他们在会上提出了当前的想法。然后制造商可以提供反馈。

心电图监测和其他主题

ECG在手术室进行常规监测。它在冠状动脉护理病房对患者进行监测，通常通过无线连接到护士站。在常规心电图中，记录10秒左右的心律条，以检测心律失常。然而，研究人员发现，这种持续时间往往不够。诺曼·霍尔特开发了一种动态监测设备——霍尔特监护仪，它可以记录24小时内的心电图，以检测更罕见的心律失常。已经开发了通过电话线将ECG传输到中央站的系统，中央站将向医生发送报告。如果检测到紧急情况，可以向患者发送帮助。目前，电话传输由患者激活，但正在制定方案，以便持续监控患者，如果检测到严重事件，则传输将自动进行。

1963年，Gerhardt Baule和Richard McFee测量了心脏活动产生的外部磁场（心磁图）。大卫·科恩介绍了一种更灵敏的磁强计的使用，称为超导量子干涉装置的SQUID。大卫·盖塞洛维茨（David Geselowitz）提出了体积导体外部磁场的理论，几个实验室一直在探索心电图学，但临床相关性尚未确定。

一些研究人员开发了解释心电图的计算机程序，包括将这些程序纳入心电图仪的制造商。心律失常的解释是一个特殊的挑战。美国心脏协会心电图委员会成立了一个专家组，提出了一个数据库，其中对代表性心电图进行了注释，以指示心律失常。该数据库可用于评估心律失常程序的性能。

另一个有趣的主题是体表映射，在体表映射中，大量电极附着在皮肤上，以在心脏周期中即时生成心电图活动的映射。Robert Lux使用主成分分析来确定提取当前信息所需的成分数量。一个单独但相关的问题是从ECG中提取诊断信息所需的导线数量。

图3，现代心电图。由Biocare Diagnostics提供

最后一个主题是心脏标测。电极可以插入心脏并放置在心内膜表面的不同位置。可以使用技术来跟踪电极的位置并显示电图。一个非常重要的应用包括识别心律失常的起源部位，然后可以直接治疗心律失常。这项技术已被证明是相当成功的。还对纤维性颤动期间的激发波模式进行了研究，以试图了解这一现象的机制。

心电描记术领域的发展是心脏病学家和工程师之间的持续合作。其结果是一种无痛、无创的技术，对当今世界的医疗保健来说是无价的。

致谢

作者感谢Rik Nebeker和Alexander Magoun仔细阅读手稿草稿，并提供了许多有益的建议和额外的研究。他还感谢一位匿名评论员和STARS编辑委员会的有益评论。

时间表

• 1791年，路易吉·加尔瓦尼（Luigi Galvani）报道称，电火花会导致肌肉抽搐
• 1853年，赫尔曼·冯·亥姆霍兹发展了体积导体问题的物理学
• 1856年，R.A.von Kölliker和Heinrich Müller发现青蛙的心脏会产生电流
• 1887年，A.D.Waller记录了人体心电图（ECG）
• 1901年，威廉·埃因霍温描述了用于记录心电图的弦式电流计
• 1905年，剑桥科学仪器公司出售第一台商用弦式检流计
• 1927年，威廉·克雷布发展了球面偶极源理论
• 1933年，弗兰克·威尔逊将心脏的电流源与外部电位联系起来
• 1938年，第一批心电图机标准出版
• 1946年，Herman Burger将心向量和铅向量概念形式化
• 1949年，诺曼·霍尔特发明了一种动态心电图监护仪
• 1953年，Otto Schmitt、Richard McFee和Ernest Frank开发了矢量引导系统
• 1963年，G.M.Baule和Richard McFee测量心脏磁场
• 1984年，阿德里亚·范·奥斯特罗姆和托姆·奥斯滕多普出版了ECGSIM的第一个版本

参考文献

历史意义参考

H.亥姆霍兹。1853年，“在科尔佩林莱特恩，我们是一名埃里格·格塞特泽·德维尔海特隆（Gesetze der Verheitlung elektrischer Ströme in Körperlischen Leitern mit Anwendung auf die thierisch elektrishen Versuche）”。《生理化学年鉴》，第29卷（1853年），第222页及其后

W.埃因霍温。1906.“远程心电图仪”。《国际生理学档案》，第4卷（1906年），第132-164页

W.H.克雷布。1927.“活动心肌周围电场的研究”。《心》，第14卷（1927年），第71-109页

多位作者。1957.《心脏电生理学》。《纽约科学院年鉴》，第65卷（1957年），第653-1146页[该领域的每个人都在本次会议上作了报告。年鉴极好地介绍了最新技术。]

多位作者。2007年，“心电图标准化和解释建议”。《循环》，第115卷（2007），第1306-1324页[这是美国心脏协会、美国心脏病学院、心律学会和计算机心电图学会的联合报告。]

进一步阅读参考

乔治·爱德华·伯奇（George Edward Burch）和尼古拉斯·德帕斯奎尔斯（Nicholas P.Depasquales）。1990年，《心电图学史》，第二版，。俄勒冈州诺曼：诺曼出版社，1990年。

H.C.汉堡。1968.心与向量。纽约：Gordon and Breach，科学出版社，1968年

W.Bruce Fye。1994年，《心电图学的起源、发展和影响的历史》。美国心脏病学杂志1994年5月15日；73（13）：第937-49页。

W.Bruce Fye。1996年，《美国心脏病学：专业及其学院的历史》。巴尔的摩医学博士和伦敦，约翰霍普金斯大学出版社，1996年。

R.Plonsey和R.G.Barr。2000.生物电学：定量方法。纽约：Kluwer学术全会出版社，2000年

关于作者

David B.Geselowitz是宾夕法尼亚州立大学生物工程与医学名誉教授。他是IEEE、美国心脏病学会和美国科学促进会的研究员，也是美国医学和生物工程研究所的创始研究员。他曾担任IEEE生物医学工程学报的编辑。1989年，他当选为美国国家工程院院士，并因对生物电磁学的贡献而获得罗杰·格拉尼特奖。