正常人體心電圖形成原理的模擬實(shí)驗(yàn)研究

劉 慧，余 蓉，敬小麗，王旭東，木本榮，高麗霞

(成都中醫(yī)藥大學(xué) 醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院,四川 成都,610000)

正常人體心電圖形成原理的模擬實(shí)驗(yàn)研究

劉 慧，余 蓉，敬小麗，王旭東，木本榮，高麗霞

(成都中醫(yī)藥大學(xué) 醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院,四川 成都,610000)

心肌細(xì)胞在靜息和刺激狀態(tài)下，電荷分布會(huì)發(fā)生變化，類比于電偶極矩的重新分布現(xiàn)象。在周期性收縮中，心肌細(xì)胞即產(chǎn)生心電向量環(huán)。文章以心電向量環(huán)為研究對(duì)象，模擬心電向量環(huán)在周期性變化中產(chǎn)生的心電圖波形圖。在“靜電場(chǎng)模擬”實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以濃度5%氯化鈉溶液填充“人型”導(dǎo)體盤模擬人體導(dǎo)電。在“人型”導(dǎo)體盤中的左腕、右腕、及左腳位置放心電電極片。通過控制電路中不同的閉合回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)(導(dǎo)聯(lián)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，加壓?jiǎn)螛O肢體導(dǎo)聯(lián)(aVR,aVL,aVF)等六種情況的心電圖模擬。根據(jù)測(cè)量研究點(diǎn)間的電勢(shì)差，描述電勢(shì)差與周期之間的關(guān)系，繪制出模擬心電圖，描述正常人體心電圖形成原理。

心電向量環(huán)；模擬實(shí)驗(yàn)；標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)；肢體導(dǎo)聯(lián)

心電圖，是利用心電圖機(jī)從體表記錄心臟每一個(gè)活動(dòng)周期所產(chǎn)生的生物電變化的圖形技術(shù)。心電圖對(duì)于早期預(yù)測(cè)心臟病變?nèi)纾汗谛牟?、心肌缺血等有十分重要的作用，已?jīng)成為心臟疾病普查的重要手段。目前，心電圖監(jiān)測(cè)主要依靠心電圖機(jī),心電圖機(jī)設(shè)備已經(jīng)相當(dāng)成熟。但要從中描述出心電圖波形成原理，相當(dāng)困難。因此，我們?cè)囋O(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)，直觀簡(jiǎn)潔的闡述心電圖波形成的原理。

我們?cè)趥鹘y(tǒng)的“靜電場(chǎng)描繪”實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)[1]，模擬心電圖的形成原理。利用“人型”導(dǎo)電盤模擬人體的導(dǎo)電容積，直流電源模擬心肌細(xì)胞的電荷分布，采用金屬環(huán)模擬心電向量環(huán)的電位變化，利用控制電路，模擬人體在六種導(dǎo)聯(lián)情況下的心電圖。以時(shí)間作為橫軸，測(cè)量點(diǎn)間電勢(shì)差作為縱軸，繪制出周期內(nèi)模擬心電圖的圖像。

1 心電圖模擬原理

心臟有規(guī)律的收縮，表現(xiàn)為電信號(hào)在心肌細(xì)胞的傳輸結(jié)果。心肌細(xì)胞等效于一個(gè)電偶極子[2]。當(dāng)靜息狀態(tài)時(shí)，心肌細(xì)胞內(nèi)外電荷分布均勻，電偶極矩為零。當(dāng)心肌細(xì)胞受到刺激時(shí)，細(xì)胞內(nèi)外電荷重新分布，電偶極矩不為零。這種電偶極矩稱為心電偶。當(dāng)心臟周期性收縮時(shí)，其心電偶也隨時(shí)間變化[3]，這個(gè)空間心電向量環(huán)的變化特征[4,5]即是心電圖形成的原理。心電波形理論上是三維的圖譜，其中最常見的心電波形為QRS波群[6，7]。為了簡(jiǎn)化模型，我們以空間心電向量在平面的投影，即平面心電向量環(huán)為研究對(duì)象,模擬QRS波產(chǎn)生情況。模擬模型采用銅金屬絲，構(gòu)造模擬心電向量環(huán)。實(shí)驗(yàn)采用輸入電源為直流電20v。在模擬心電向量環(huán)上，標(biāo)記12個(gè)研究點(diǎn)，依次排序，如圖1所示。將“0”點(diǎn)，作為是電勢(shì)零點(diǎn)，探針從“0”到“12”，監(jiān)測(cè)不同測(cè)量點(diǎn)間的電勢(shì)差變化，即是每個(gè)心電向量所產(chǎn)生的電勢(shì)差。在一個(gè)周期內(nèi)，描述出心電向量變化所產(chǎn)生的電勢(shì)差和時(shí)間的關(guān)系，即心電圖。

圖1 平面心電向量環(huán)示意圖Fig.1 Sketch map of plane heart vector loop

2 心電圖模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

心電圖的模擬需要兩部分設(shè)備：檢測(cè)裝置和模擬設(shè)備。檢測(cè)設(shè)備：數(shù)字萬用表等(型號(hào)：(VICTOR) VC97)。模擬設(shè)備：①電路設(shè)備：直流電源，導(dǎo)線，開關(guān)，電阻(R1,R2,R3=3KΩ)，構(gòu)造心電圖的基本模擬電路。② “人型”導(dǎo)電盤：模擬人體形態(tài)分布的導(dǎo)體盤。③NaCl溶液(濃度5%)：模擬人體導(dǎo)電的電解質(zhì)溶液，等效生理鹽水，模擬細(xì)胞液環(huán)境。④心電向量金屬環(huán)：模擬心電向量的環(huán)路金屬模型。順時(shí)針標(biāo)記12個(gè)均勻的待檢測(cè)點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為5s，一周即為一個(gè)周期1min，模擬心電向量的平面投影軌跡。本實(shí)驗(yàn)中，為了簡(jiǎn)化操作步驟，讓學(xué)生更容易掌握，采用了最簡(jiǎn)單的數(shù)字萬用表。采樣點(diǎn)的方式采用了傳統(tǒng)的手工采樣法。當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)精度角度講是有所欠缺，而本實(shí)驗(yàn)主要試圖模擬心電向量產(chǎn)生心電圖的原理，精度稍有缺乏暫不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的大趨勢(shì)走向。因此，我們會(huì)在下一步實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中進(jìn)行改進(jìn)，諸如：將數(shù)字萬用表以示波器替代，將手動(dòng)采樣改為電動(dòng)采樣等。

2.2 模擬操作

首先，將“人型”導(dǎo)電盤中加入NaCl溶液(濃度5%)，模型的中上部放置心電模擬環(huán)，后將其固定。分別在“R”“L”“F”點(diǎn)放置心電電極片，“T”點(diǎn)作為“中心電端”。本實(shí)驗(yàn)中，我們采用的是“T”接地。當(dāng)然，我們也可以采用“T”串聯(lián)高阻值電阻，來實(shí)現(xiàn)中心電端的效果。連接如圖2中所示的電路圖，構(gòu)建心電圖基礎(chǔ)模擬回路。

圖2 心電圖模擬實(shí)驗(yàn)示意圖Figure 2 Schematic diagram of ECG simulation experiment

其次，模擬心電向量環(huán)，采用直流電源20V，其負(fù)極置金屬環(huán)“O”點(diǎn)，正極探針依次接觸金屬環(huán)標(biāo)記點(diǎn)“I”。每個(gè)點(diǎn)間隔時(shí)間相等，為5s，整個(gè)周期為1min。模擬心臟向量周期性變化。

最后，在模擬心電向量環(huán)變化的同時(shí)，采用數(shù)字萬用表測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的電勢(shì)差，描述出電勢(shì)差隨時(shí)間的變化情況。通過控制電路，模擬兩大類的心電圖：標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，加壓?jiǎn)螛O肢體導(dǎo)聯(lián)。具體控制電路如下：

(1)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)：開關(guān)K1，K2，K3均不閉合。以數(shù)字萬用表連接以下幾個(gè)點(diǎn)：

(a)數(shù)字萬用表正極置“L”，負(fù)極置“R”，在模擬心電向量環(huán)變化的同時(shí)，讀出萬用表的電勢(shì)差，V(RL)，記錄為VI，模擬標(biāo)準(zhǔn)第一導(dǎo)聯(lián)情況。

(b)數(shù)字萬用表正極置“F”，負(fù)極置“R”，在模擬心電向量環(huán)變化的同時(shí)，讀出萬用表的電勢(shì)差，V(FR)，記錄為VII，模擬標(biāo)準(zhǔn)第二導(dǎo)聯(lián)情況。

(c)數(shù)字萬用表正極置“F”，負(fù)極置“L”，在模擬心電向量環(huán)變化的同時(shí)，讀出萬用表的電勢(shì)差V(FL)，記錄為VIII模擬標(biāo)準(zhǔn)第三導(dǎo)聯(lián)情況。

(2)加壓?jiǎn)螛O肢體導(dǎo)聯(lián)： 開關(guān)K1，K2，K3選擇性閉合，以數(shù)字萬用表連接以下幾點(diǎn)：

(d)開關(guān)K1斷開，K2，K3閉合。形成閉合回路。數(shù)字萬用表正極置于“L”，負(fù)極置于“T”(中心電位端)。在模擬心電向量環(huán)變化同時(shí)，讀出萬用表電勢(shì)差V(LT)，模擬肢體導(dǎo)聯(lián)的第一種情況aVR。

(e)開關(guān)K2斷開，K1,K3閉合。形成閉合回路。數(shù)字萬用表正極置于“R”，負(fù)極置于“T”(中心電位端)。在模擬心電向量環(huán)變化同時(shí)，讀出萬用表電勢(shì)差V(RT)，模擬肢體導(dǎo)聯(lián)的第二種情況aVL。

(f)開關(guān)K3斷開，K1，K2閉合。形成閉合回路。數(shù)字萬用表正極置于“F”，負(fù)極置于“T”(中心電位端)。在模擬心電向量環(huán)變化同時(shí)，讀出萬用表電勢(shì)差V(RT)，模擬肢體導(dǎo)聯(lián)的第三種情況aVF。

我們擬設(shè)計(jì)的心電圖模擬實(shí)驗(yàn)中，以R1，R2，R3 的開關(guān)閉合方式不同，測(cè)量“R”，“L”，“F”點(diǎn)的不同兩端電勢(shì)差。理論上是符合心電圖標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，及加壓?jiǎn)螛O肢體導(dǎo)聯(lián)的物理學(xué)原理的。能夠在簡(jiǎn)單直觀的操作步驟中，較好的還原心電圖產(chǎn)生的物理學(xué)原理，也是本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的初衷。

3 數(shù)據(jù)分析

通過心電向量變化，我們得到了模擬周期1min內(nèi)，時(shí)間間隔5s時(shí)，兩測(cè)量點(diǎn)之間的電勢(shì)差。如表1所示。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，我們繪制了六種情況的模擬心電圖，如圖3所示。分別模擬了標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)情況中第一導(dǎo)聯(lián)(a)Ⅰ，第二導(dǎo)聯(lián)(b)Ⅱ，第三導(dǎo)聯(lián)(c)Ⅲ，以及加壓?jiǎn)螛O肢體導(dǎo)聯(lián)情況中第一類(d)aVR，第二類(e)aVL，第三類(f)aVF的情況。圖3中描述了心電向量變化時(shí)，兩測(cè)量點(diǎn)之間的電勢(shì)差隨時(shí)間的變化情況，呈現(xiàn)出了六種類型的模擬心電圖。與真實(shí)心電圖對(duì)比，我們的圖形在細(xì)節(jié)上仍有較大誤差，但其波形圖的走勢(shì)基本穩(wěn)和。由此，說明該方法模擬心電圖的形成原理是可行的，更加直觀的闡述心電圖形象原理。

表1 測(cè)量電勢(shì)差與時(shí)間數(shù)據(jù)

續(xù)表

標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)肢體導(dǎo)聯(lián)2516．13210．757-2．830-12．18210．3365．5303019．80417．6582．203-17．79811．88010．5413516．58019．4628．456-14．6345．22715．368409．57516．30810．994-11．6750．37813．640456．27811．2548．381-7．614-3．2949．882503．2244．8495．702-2．354-5．6705．28155-3．7691．8793．2490．421-4．428-3．53260-3．527-1．2201．9332．128-2．5270．346

圖3 模擬心電圖 (標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)：(a)第一導(dǎo)聯(lián)Ⅰ；(b)第二導(dǎo)聯(lián)Ⅱ；(c)第三導(dǎo)聯(lián)Ⅲ。加壓肢體導(dǎo)聯(lián)：(d)第一類導(dǎo)聯(lián)aVR；(e)第二類導(dǎo)聯(lián)aVL；(f)第三類導(dǎo)聯(lián)aVF)

Fig.3 Simulated ECG(Standard leads(a)First leadⅠ;(b)Second leadⅡ;(c)Third lead Ⅲ.Augmented limb leadsⅢ:(d)First class lead aVR;(e)Second class lead aVL;(f)Third class lead aVF)

同時(shí)，我們也分析了產(chǎn)生誤差的主要原因：(1)模擬周期為1min，而QRS波的心電向量的實(shí)際變化周期約為0.06-1s的時(shí)間[8,9]，因此滿足了周期性變化的趨勢(shì)，而模擬時(shí)間偏長(zhǎng)，造成了誤差。(2)模擬標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，肢體導(dǎo)聯(lián)的控制電路皆為理想電路模型，與實(shí)際人體生物電信號(hào)傳遞存在差距。(3)人體導(dǎo)電性十分復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化模型，以5%濃度的NaCl溶液填充其中，模擬人體導(dǎo)電分布，然而，實(shí)際的人體導(dǎo)電，并非完全均勻的導(dǎo)體，因此實(shí)驗(yàn)?zāi)M與真實(shí)人體還是有較大偏差。

4 總結(jié)

我們?cè)陟o電場(chǎng)描述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，拓展心電圖形成原理的模擬實(shí)驗(yàn)，利用心肌細(xì)胞的心電偶形成原理，以心電向量環(huán)為研究對(duì)象，模擬心電圖的形成原理。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直觀、簡(jiǎn)潔，通過控制電路模擬了6種導(dǎo)聯(lián)情況；同時(shí)，我們測(cè)量了研究點(diǎn)間的電勢(shì)差隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，繪制了模擬6中情況下的模擬心電圖波形。繪制的模擬的心電圖與實(shí)際心電圖[10-12]相比，心電圖波形相似，趨勢(shì)基本穩(wěn)和。因此，我們認(rèn)為利用該方法闡明心電圖形成原理，及模擬心電圖波形走向是有效可行的，今后，還可以利用此方法研究病態(tài)心電圖的形成原理，為臨床心電圖診斷打下基礎(chǔ)。

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Simulated experimental study on the principle of ECG formation in normal human

LIU Hui，YU Rong,JING Xiaoli,WANG Xudong,MU Benrong,GAO Lixia

(School of Medical Science and Technology,Chengdu University of Traditional Chinese Medical,Chengdu 610000,China)

In resting state and stimulated state,the charge distribution of cardiac myocytes will change,which is analogous to the redistribution of the electric dipole moment.In periodic contraction,the cardiac muscle cells produce the heart vector loop.In this paper,we take the heart vector loop as the object of study and simulate the ECG waveform generated by heart vector loop in the periodic change.On the basis of “electrostatic field simulation”experiment,a human-like conductor disk filled with 5% sodium chloride solution is used to simulate the conduction of human body.ECG electrodes are placed at the left and right wrist and left foot of the human-like conductor disk.By controlling different closed circuits in the electro circuit,ECG simulation of six conditions is realized,including standard lead(ⅠⅡⅢ) and augmented unipolar limb lead(aVR,aVL,aVF).According to the potential difference measured between study points,we will describe the relationship between potential difference and cycle,draw the simulated ECG,and describe the principle of ECG formation in normal human body.

heart vector loop;simulation experiment;standard lead;limb lead

1672-7010(2017)04-0112-05

2017-06-21

成都中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目(心電圖形成原理的物理模擬SYYB20170032)

劉慧(1984-)，女，四川成都人，講師，碩士，從事醫(yī)用物理學(xué)研究；E-mail:liuhui_rabbit@126.com

O4-33

A