電解質(zhì)紊亂的心電圖表型、機(jī)制和展望

樊偉國(guó)綜述，丁穎、陳靜、洪葵審校

據(jù)《中國(guó)心血管病報(bào)告2018》信息表明，心血管疾病死亡率居首位，占居民疾病死亡構(gòu)成的40%以上[1]。引起心血管疾病死亡的危險(xiǎn)因素眾多，其中電解質(zhì)紊亂是院內(nèi)心血管疾病死亡的常見(jiàn)原因之一。細(xì)胞內(nèi)和體液中的各種離子是維持細(xì)胞和機(jī)體正常生理功能的基礎(chǔ)，體內(nèi)電解質(zhì)紊亂會(huì)引起多臟器功能失調(diào)，甚至導(dǎo)致惡性后果。隨著慢性疾病患病率的升高，利尿劑、腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)相關(guān)藥物應(yīng)用的增多，電解質(zhì)異常也越來(lái)越常見(jiàn)。由電解質(zhì)紊亂導(dǎo)致的醫(yī)院內(nèi)惡性心律失常的發(fā)生不可忽視。電解質(zhì)紊亂在心電圖（ECG）上會(huì)呈現(xiàn)特異性表型，如QT間期延長(zhǎng)或縮短、Brugada波、ST段抬高或壓低等，都是臨床上具有一定猝死風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警ECG。如果，臨床醫(yī)師能夠識(shí)別電解質(zhì)異常導(dǎo)致的ECG表型，了解其病理生理和細(xì)胞電生理機(jī)制，在化驗(yàn)室結(jié)果還沒(méi)出來(lái)之前就采取相應(yīng)的措施，將能一定程度降低患者死亡風(fēng)險(xiǎn)。為此，本文通過(guò)文獻(xiàn)回顧，對(duì)電解質(zhì)紊亂引起的心臟電生理效應(yīng)和ECG改變作一進(jìn)展性闡述。

1 電解質(zhì)對(duì)動(dòng)作電位和離子流的影響

心室肌細(xì)胞的動(dòng)作電位分為5（0、1、2、3、4）期（圖1）。

鈉鉀泵主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)維持的細(xì)胞內(nèi)外較高的鉀離子濃度梯度是靜息電位形成的基礎(chǔ)。3期復(fù)極化末期的延遲整流鉀電流（IK）是復(fù)極過(guò)程中最重要的外向電流，高鉀使心肌細(xì)胞膜通透性增強(qiáng)，復(fù)極時(shí)鉀離子外流增加，加快復(fù)極過(guò)程。低鉀時(shí)則相反。

細(xì)胞內(nèi)外的鈉離子跨膜濃度梯度是快鈉內(nèi)流（INa）的主要驅(qū)動(dòng)力。細(xì)胞外鈉濃度升高時(shí)，鈉內(nèi)流增強(qiáng)，增加動(dòng)作電位的幅度，低鈉時(shí)則相反。

圖1 心室肌細(xì)胞動(dòng)作電位及各期主要離子流

鈣離子主要存在于細(xì)胞外，具有膜穩(wěn)定作用，平臺(tái)期L型鈣電流（ICaL）和鉀外流大致保持平衡。高鈣血癥使凈外向鉀電流增大導(dǎo)致平臺(tái)期縮短，從而引起動(dòng)作電位時(shí)程和不應(yīng)期縮短。低鈣血癥則使動(dòng)作電位時(shí)程和不應(yīng)期延長(zhǎng)。

鎂離子可通過(guò)結(jié)合阻滯或變構(gòu)效應(yīng)調(diào)節(jié)細(xì)胞膜上的各種陽(yáng)離子通道，如內(nèi)向整流鉀電流（IK1）通道，細(xì)胞外鉀離子濃度升高時(shí)阻礙鎂離子與之結(jié)合，而使IK1增強(qiáng)。鈣電流的幅度會(huì)隨細(xì)胞內(nèi)鎂離子濃度的升高而減弱，故鎂離子可拮抗高鈣效應(yīng)。電解質(zhì)對(duì)離子流的影響見(jiàn)表1。

表1 電解質(zhì)對(duì)各種離子流的影響

2 電解質(zhì)紊亂和ECG異常

2.1 高鉀血癥和ECG表型

2.1.1各種傳導(dǎo)阻滯

血鉀明顯升高時(shí)，0期除極幅度降低和速率減慢使心肌傳導(dǎo)性下降。浦肯野纖維4期自動(dòng)除極速率降低，自律性下降。

心房肌傳導(dǎo)延遲常先表現(xiàn)為P波的增寬和振幅降低，并隨著鉀離子濃度的進(jìn)一步升高而逐漸消失，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)竇室傳導(dǎo)。房室結(jié)傳導(dǎo)緩慢表現(xiàn)為PR間期延長(zhǎng)，嚴(yán)重者出現(xiàn)二度或三度房室阻滯。心室內(nèi)阻滯常為非特異性阻滯或類似左束支或右束支阻滯，QRS波群增寬相對(duì)均勻。當(dāng)血鉀濃度進(jìn)一步升高時(shí)，因心室內(nèi)廣泛傳導(dǎo)阻滯從而出現(xiàn)QRS波群明顯增寬和振幅降低，與T波相連，顯示出“正弦波”模式，這預(yù)示心室顫動(dòng)或停搏發(fā)生。高鉀時(shí)心肌興奮性和傳導(dǎo)性明顯下降，可能出現(xiàn)起搏器感知異常和失奪獲[2]。

2.1.2QT間期、ST段和T波改變

高鉀血癥時(shí)，浦肯野纖維和心室肌平臺(tái)期縮短，復(fù)極加快，動(dòng)作電位時(shí)程和不應(yīng)期縮短，在ECG上出現(xiàn)QT間期縮短。某些嚴(yán)重高鉀血癥患者可出現(xiàn)ST段抬高或壓低，應(yīng)該避免誤診為急性心肌梗死[3]。

高鉀血癥T波常描述為“帳篷樣T波”，其特點(diǎn)是振幅高、頂部尖而基底部較窄，V2～4導(dǎo)聯(lián)最明顯。心臟植入器械對(duì)高鉀血癥明顯T波改變的過(guò)度感知可造成不適當(dāng)放電[4]。高鉀血癥是誘發(fā)Brugada波的原因之一。其產(chǎn)生機(jī)制是靜息電位明顯減小，心外膜的INa減弱和瞬時(shí)外向電流（Ito）相對(duì)增強(qiáng)，使心內(nèi)外膜存在電壓差[5]。

血鉀升高是住院患者死亡的重要原因之一，包括急性心肌梗死患者，但將近一半的高鉀血癥患者可以無(wú)明顯ECG改變[6-7]。

2.2 低鉀血癥和ECG表型

2.2.1P-QRS波群改變

細(xì)胞外低鉀使心肌細(xì)胞興奮性增加，可出現(xiàn)P波振幅增高[8]。4期自動(dòng)除極的斜率增加使浦肯野纖維動(dòng)作電位幅度減小，傳導(dǎo)性降低，ECG表現(xiàn)為QRS波群增寬。

2.2.2QT間期、ST段和T-U波異常

嚴(yán)重低鉀血癥的ECG常表現(xiàn)為ST段壓低，T波負(fù)向或負(fù)正雙向，T波振幅降低和顯著的U波。除ST段壓低外，也可以出現(xiàn)下壁導(dǎo)聯(lián)ST段抬高或右胸導(dǎo)聯(lián)Brugada波樣改變[9]。由于低鉀引起心室肌和浦肯野纖維動(dòng)作電位時(shí)程及相對(duì)不應(yīng)期延長(zhǎng)，ECG常顯示QT或QU間期明顯延長(zhǎng)。有些T波顯示寬大或有切跡，需要考慮T-U波的融合。心率較快時(shí)出現(xiàn)P波寬大和不對(duì)稱，應(yīng)考慮是否存在U-P波融合。U波產(chǎn)生的機(jī)制可能與浦肯野纖維或心肌M細(xì)胞的延遲復(fù)極相關(guān)（圖2）。浦肯野纖維復(fù)極時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，ECG可伴隨U波的出現(xiàn)[10]。心率快時(shí)U波并不常見(jiàn)，而心率慢時(shí)U波更明顯，可能與心肌M細(xì)胞動(dòng)作電位時(shí)程延長(zhǎng)的幅度明顯大于心內(nèi)膜和心外膜細(xì)胞有關(guān)。低鉀血癥時(shí)的病理性U波，一般在Ⅱ、V2和V3導(dǎo)聯(lián)最明顯，常與T波融合。

圖2 U波的產(chǎn)生機(jī)制

2.2.3異位心律

低鉀引起的異位心律主要是室性心律失常。細(xì)胞外低鉀抑制鈉鉀泵致鈉鈣交換減少，從而使細(xì)胞內(nèi)鈣超載而引發(fā)延遲后除極可致尖端扭轉(zhuǎn)型室性心動(dòng)過(guò)速。而浦肯野纖維以及心室肌各層復(fù)極離散度的增加易形成折返，可能是室性心動(dòng)過(guò)速的維持機(jī)制。

2.3 高鈉血癥

高鈉血癥引起的細(xì)胞外液滲透壓升高使細(xì)胞內(nèi)液向細(xì)胞外液轉(zhuǎn)移，細(xì)胞內(nèi)鉀和鈣濃度升高，靜息電位和動(dòng)作電位幅度增加，傳導(dǎo)加快，高血鈉患者ECG顯示QRS波群較窄[11]。

2.4 低鈉血癥

偶見(jiàn)嚴(yán)重的室內(nèi)阻滯或房室阻滯。低鈉血癥患者的鈉電流減弱，也可出現(xiàn)Brugada波[12]。

2.5 高鈣血癥

主要表現(xiàn)為ST段明顯縮短甚至消失，QT間期縮短，QRS波群與T波直接相連或出現(xiàn)ST段抬高，類似心肌梗死ECG[13]。J點(diǎn)抬高的比例明顯高于正常人，也可呈現(xiàn)為Brugada波[14-15]。慢性高鈣血癥可引起嚴(yán)重的房室阻滯或竇性心動(dòng)過(guò)緩，可能與竇房結(jié)或房室結(jié)鈣化和功能下降有關(guān)[16]。

2.6 低鈣血癥

可見(jiàn)QT間期延長(zhǎng)，主要表現(xiàn)為ST段明顯延長(zhǎng)，T波小、直立而低平。低鈣血癥也可引起校正的QT間期延長(zhǎng)和尖端扭轉(zhuǎn)型室性心動(dòng)過(guò)速[17]。

2.7 鎂異常

高鎂血癥比較少見(jiàn)，無(wú)明確的ECG改變。

血鎂濃度降低與校正的QT間期延長(zhǎng)相關(guān)[18]。

靜脈注射硫酸鎂在臨床可用于治療室性心律失常，特別是用于洋地黃中毒相關(guān)的室性心動(dòng)過(guò)速和尖端扭轉(zhuǎn)型室性心動(dòng)過(guò)速，其減慢房室結(jié)傳導(dǎo)，延長(zhǎng)房室結(jié)有效不應(yīng)期，但不影響心房和心室傳導(dǎo)速度及有效不應(yīng)期[19]。

3 ECG診斷電解質(zhì)異常的新進(jìn)展

3.1 計(jì)算機(jī)輔助ECG波形特征的定量分析和診斷

在臨床實(shí)踐中，臨床醫(yī)師可以通過(guò)ECG識(shí)別發(fā)現(xiàn)一些電解質(zhì)異常患者，及時(shí)提出臨床警示。但是，仍然存在局限性導(dǎo)致誤診和漏診。2020年的一項(xiàng)研究顯示，急診醫(yī)師利用ECG診斷嚴(yán)重高鉀血癥（＞6.5 mmol/L）的特異度能達(dá)到0.95，但敏感度只有0.29[20]。有研究顯示，與傳統(tǒng)方法相比，定量分析ECG的T波振幅、T波頂峰-T波降支終點(diǎn)時(shí)間（Tp-Te）等指標(biāo)可提高診斷價(jià)值[21]。

人工測(cè)量的T波振幅和T波降支斜率等數(shù)值與血鉀濃度之間的相關(guān)性較差[22-23]。計(jì)算機(jī)來(lái)源的大數(shù)據(jù)和信息處理能力使ECG的診斷得到進(jìn)一步精確的延伸，結(jié)合12導(dǎo)聯(lián)ECG的QRS波群寬度、T波寬度和降支斜率等數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量分析，診斷血鉀濃度大于5.91 mmol/L的敏感度和特異度分別為63%和84%[24]。另一項(xiàng)研究顯示，利用信號(hào)平均ECG采集的T波振幅、T波降支斜率和T波與R波振幅比值等數(shù)據(jù)，估測(cè)的血鉀濃度與實(shí)際血清鉀濃度也具有較好的相關(guān)性[25]。

3.2 人工智能診斷

以往的ECG自動(dòng)診斷軟件需要輸入基于專家經(jīng)驗(yàn)的診斷原理和過(guò)程，由計(jì)算機(jī)根據(jù)ECG的特征按照給出的診斷思路做出判斷，事實(shí)上仍然是按照人或者專家的經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)進(jìn)行診斷，無(wú)自主學(xué)習(xí)能力，且圖像信息提取能力差，部分ECG軟件給出的診斷并不可靠，需要ECG醫(yī)師和臨床醫(yī)師確認(rèn)和修正。而近些年快速發(fā)展的人工智能診斷，即以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的深度學(xué)習(xí)模型能夠自動(dòng)提取ECG的復(fù)雜特征，具有自主學(xué)習(xí)和分析的能力，將ECG特征與臨床疾病相匹配，是真正具有自主學(xué)習(xí)能力的智能診斷系統(tǒng)，有望在ECG診斷中發(fā)揮作用[26]。

人工智能ECG診斷系統(tǒng)最早是簡(jiǎn)單地根據(jù)RR間期進(jìn)行心搏自動(dòng)分類，主要用于診斷心律失常和篩查心房顫動(dòng)，此后也開(kāi)發(fā)出用于診斷心室肥厚和心肌梗死定位的一些算法[27-29]。在急診科異常ECG的判斷中，其特異度和陽(yáng)性預(yù)測(cè)值也高于傳統(tǒng)算法[30]。國(guó)內(nèi)首個(gè)上線并獲批注冊(cè)的人工智能心電分析軟件“AI-ECG Platform”已能將心律失常進(jìn)行大致分類，并對(duì)心肌梗死部分進(jìn)行定位診斷[31]。

在診斷電解質(zhì)紊亂方面，基于ECG的深度學(xué)習(xí)模型盡管起步較晚，但也取得了一些進(jìn)展。2019年，由梅奧醫(yī)學(xué)中心開(kāi)發(fā)的首個(gè)高鉀血癥智能診斷模型的驗(yàn)證結(jié)果發(fā)表，該模型在6萬(wàn)多份慢性腎臟病患者ECG中進(jìn)行驗(yàn)證，其診斷高鉀血癥的敏感度在0.9左右時(shí)，特異度也能達(dá)到0.55～0.63[32]。另一項(xiàng)研究在13 222例ECG中進(jìn)行驗(yàn)證，顯示診斷低鉀血癥和高鉀血癥的特異度分別為93.3%和97.8%。并利用同一驗(yàn)證子集比較了該模型與臨床醫(yī)師的診斷能力，在這場(chǎng)“人機(jī)大戰(zhàn)”中，人工智能診斷明顯優(yōu)于人工判定[33]。

ECG是心律失常的直接診斷依據(jù)，但電解質(zhì)紊亂引起的ECG改變比較多樣和復(fù)雜，可以涉及P-QRS-T波群的形態(tài)和振幅改變，也可以是QT間期延長(zhǎng)或縮短和ST段的偏移，無(wú)明確的診斷標(biāo)準(zhǔn)。由于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像信息的強(qiáng)大識(shí)別和處理能力，越是復(fù)雜和不易識(shí)別的ECG特征，人工智能的優(yōu)勢(shì)越明顯。根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理，深度學(xué)習(xí)模型具有“黑盒特性”，即其給出結(jié)果的原理和依據(jù)不可知，因?yàn)檫@些原理和依據(jù)并不由醫(yī)師提前輸入，而是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取和學(xué)習(xí)[34]。當(dāng)某專家和人工智能對(duì)同一份ECG作出“高鉀血癥”同樣的診斷時(shí)，專家可以提出“帳篷樣T波”和QRS波群增寬作為依據(jù)，但我們無(wú)法得知人工智能的診斷依據(jù)，從而可能為臨床應(yīng)用造成一定困難。因此，ECG的智能診斷系統(tǒng)要廣泛應(yīng)用于臨床仍有一段路要走，需要診斷模型的驗(yàn)證過(guò)程更加科學(xué)和規(guī)范。如一些模型的驗(yàn)證集，排除了束支阻滯等情況，但這些恰好是臨床中需要的鑒別診斷，因此在真實(shí)世界應(yīng)用需要更進(jìn)一步的驗(yàn)證其準(zhǔn)確度。另外，由于人工智能診斷結(jié)果依據(jù)的未知性，當(dāng)其作為確診性檢查時(shí)，需要謹(jǐn)慎考慮其臨床意義，目前人工診斷的主要劣勢(shì)仍是較低的敏感度，因此將人工智能診斷作為篩查性檢查不斷提高敏感度可能更為合適。

3.3 移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備和遠(yuǎn)程信息傳輸

遠(yuǎn)程信息傳輸技術(shù)已應(yīng)用于陣發(fā)性心房顫動(dòng)的篩查，也有醫(yī)師嘗試將其應(yīng)用于長(zhǎng)期透析患者血鉀的監(jiān)測(cè)。有研究利用配有電極的智能手機(jī)采集和傳輸單導(dǎo)聯(lián)ECG信息，經(jīng)診斷模型估測(cè)的血鉀濃度與真實(shí)血鉀濃度的平均誤差在0.38 mmol/L左右，但這項(xiàng)研究只是針對(duì)不同患者的ECG特征構(gòu)建不同的血鉀診斷模型，驗(yàn)證的人群數(shù)量少[35]。許多遠(yuǎn)程ECG傳輸網(wǎng)絡(luò)已建立數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)提高區(qū)域整體的ECG診斷能力可能提供幫助[36]。移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備與人工智能相結(jié)合是今后的發(fā)展趨勢(shì)，醫(yī)院內(nèi)的監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)于需要長(zhǎng)期頻繁監(jiān)測(cè)的慢性病患者的便利性較差。移動(dòng)設(shè)備的信息采集能力正在不斷提高，除了監(jiān)測(cè)腕部血流的手環(huán)類裝置，一些移動(dòng)裝置配備的電極已能夠采集相對(duì)準(zhǔn)確的ECG信息，并且儲(chǔ)存空間大，能連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)月或數(shù)年，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步診斷。移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的不斷進(jìn)步也使人工智能診斷的重要性不斷提高，將移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備與人工智能診斷系統(tǒng)結(jié)合，一方面可以增加監(jiān)測(cè)的便利性，另一方面人工智能可以進(jìn)行預(yù)診斷或篩查，為臨床醫(yī)師提供幫助[37]。

4 展望

非常明確，血液學(xué)監(jiān)測(cè)血清電解質(zhì)濃度更準(zhǔn)確。但是，由于電解質(zhì)異常引起患者嚴(yán)重癥狀或致命性心律失常而需要盡快接受治療時(shí)，等待血液學(xué)檢查結(jié)果的時(shí)間可能耽擱及時(shí)治療而導(dǎo)致生命危險(xiǎn)。毫無(wú)疑問(wèn)，ECG無(wú)創(chuàng)而快速的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)嚴(yán)重電解質(zhì)紊亂患者的早期診斷和及時(shí)治療能夠提供幫助。但是，必須謹(jǐn)慎考慮ECG和臨床資料之間的關(guān)聯(lián)?；贓CG診斷電解質(zhì)紊亂的人工智能算法模型目前還在開(kāi)發(fā)或初步驗(yàn)證的起步階段，需要不斷的完善并進(jìn)一步驗(yàn)證而得到可行性應(yīng)用依據(jù)。利用可移動(dòng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，ECG可以用于家庭監(jiān)測(cè)，能部分替代頻繁的抽血檢查電解質(zhì)。人工智能和移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備聯(lián)合應(yīng)用，可能是今后ECG監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向。

5 小結(jié)

臨床醫(yī)師在掌握電解質(zhì)紊亂引起ECG異常改變識(shí)別能力的同時(shí)，更需要知悉ECG改變并非高度特異，需要臨床醫(yī)師能夠了解電解質(zhì)異常時(shí)的心臟電生理狀態(tài)，推斷是否可能出現(xiàn)嚴(yán)重的心律失常，并適時(shí)采取處理措施。知曉依靠經(jīng)驗(yàn)性的ECG特征來(lái)診斷電解質(zhì)異常存在一定的主觀性，且缺乏明確的量化診斷標(biāo)準(zhǔn)?；诟鞣NECG參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量分析和人工智能診斷，可以提高ECG的診斷效能，盡管目前尚未能真正應(yīng)用于臨床，但這是臨床心電醫(yī)師聯(lián)合人工智能專業(yè)人士為之奮斗的方向，期待不久的將來(lái)，患者足不出戶即可得到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的心電圖診斷，為治療提供及時(shí)而有價(jià)值的依據(jù)。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突