【摘要】 醫用物理實驗課中開設心電圖實驗，有利于學生理解心肌細胞生物電的產生和心電圖的形成。

【關鍵詞】 電偶極子 動作電位 心電向量 心電圖

Analysis of the Electrocardiogram Experiment's Problem in Physics Experiment

Abstract The electrocardiogram experiment in physics experiment is in favor of it that students understand the producing of bioelectricity and the forming of electrocardiogram.

Key words electric dipole; action potential; electrocardiovector; electrocardiogram

1 引言

隨著我國高等醫學教育改革的不斷深化和現代醫學技術的自身的發展，實驗教學的思想和觀念發生了很大的變化。高校的實驗教學作為高等教育的重要組成部分，承擔著理論和實踐相結合的使命。因此在物理實驗課中開設心電圖實驗，對醫學生來說非常必要。下面就有關心電圖的原理和測量方面的幾個問題進行討論。

2 原理

2.1 物理電學

2.1.1 電偶極子

兩個等量異號的點電荷-q和+q相距很近時組成的電荷系統稱為電偶極子。從負電荷到正電荷做一矢線，稱為電偶極子的軸線。P=qL稱為電偶極矩。見圖1。

設任意一點a到-q和+q的距離分別是r1和r2，a點的電勢分別是： U+=14πε0·qr1(1) U-=-14πε0·qr2(2) 則a點的電勢是： Ua=U+ +U-=14πε0·qr1-14πε0·qr2=q4πε0·r2-r1r1·r2(3) 式中ε0是真空的介電常數，ε0=8.85×10-12C2·N-1·m-2。 當a點遠離電偶極子時，即rL，那么r2≈r1≈r，r2-r1≈Lcosθ，則 Ua=q4πε0·Lcosθr2=14πε0·Pcosθr2

2.1.2 電偶極層 相距很近，相互平行且具有等值異號面電荷密度分布的帶電體系構成的帶電系統稱為電偶極層，見圖2。整個表面積為S的電偶極層在P點的電勢為：U=∫dU=14πε0 PsΩ

式中PS=σδ是單位面積電偶層的電偶極矩，δ是電偶層之間的距離，σ是電荷密度。Ω是電偶層整個表面積S對P點所張的立體角。

2.2 生物電 心肌細胞生物電產生的基礎是：細胞膜內外帶電離子分布不均勻；細胞膜在不同情況下對離子選擇通透性的變化，造成選擇性離子跨膜移動。離子跨膜移動受以下因素控制：細胞膜對離子的通透性；細胞膜內外的電位差；細胞膜內外離子的濃度差；鈉、鉀泵機能。

心肌細胞膜內外離子分布不均勻，是由于細胞膜中存在一種鈉鉀泵結構，它是細胞膜中的一種特殊蛋白質（Na+K+依賴式ATP酶），其作用是分解ATP使之釋放能量，并利用此能量將細胞內的Na+逆濃度轉移到細胞外，同時把細胞外的K+逆濃度轉至細胞內，從而形成和維持細胞內高K+，細胞外高Na+的不均勻的離子分布狀態。

2.2.1 靜息電位

大多數動物的神經和肌肉細胞在不受外界干擾時，細胞膜的內外之間存在電位差，這一電位稱為靜息電位。對于心肌細胞，假設以膜外為參考零電位，則膜內電位相當于-90mV，它是一種穩定的直流電位。實際上細胞膜是一個半透膜，在膜的內外存在著許多離子，其中主要是K+、Na+、Ca2+、Cl-和大量的蛋白質離子。K+、Na+、Ca2+、Cl-這些離子可以在不同程度上通過細胞膜，而其他離子則不能透過。因此，只有那些能透過細胞膜的離子才能形成跨膜電位，即靜息電位。表1是心肌細胞膜內外K+、Na+離子濃度值。表1 心肌細胞膜內外K+、Na+離子濃度(略)

2.2.2 動作電位

心肌細胞處于靜息狀態時，細胞膜的外部帶正電，內部帶負電，這種狀態又稱為極化。當極化狀態的細胞受到外界的刺激達到一定強度，受到刺激處的細胞對Na+離子的通透性會突然變大，大量Na+離子在電場和濃度梯度的雙重作用下涌入細胞內，使膜內的電位迅速提高，膜電位由原來的-90mV迅速增加到+30mV，而后瞬間上升至120mV。同時膜內外的局部電荷也改變了符號，膜內帶正電，膜外帶負電。這一過程叫除極。見圖3。 結果大量的K+離子由細胞膜內向細胞膜外擴散。使膜電位又由正值迅速下降到負值，達到靜息電位。這一過程叫復極。單個心肌細胞的除極和復極過程和電偶的變化見圖4。

3 心電圖

3.1 心電向量

心肌細胞在靜息狀態下，相當于一個閉合的電偶層，膜內帶負電荷，膜外帶正電荷，此時心肌細胞對外顯示的電勢為零。心肌細胞在除極時對外顯示的電勢大于零，在復極時對外顯示的電勢小于零。

在一塊心肌中，假如一端的心肌細胞受到刺激發生除極，則此處的細胞膜就形成跨膜動作電位，同時形成局部環形電流。這一局部環形電流又刺激臨近靜息膜使之除極而興奮，從而使跨膜局部電流沿著細胞膜向外擴展，使興奮以除極波的形式向前傳播，形成心電瞬時向量。通常用空間心電向量環描述心電瞬時向量隨時間和空間的變化規律。

3.2 心電圖的形成

空間心電向量環分為心房除極向量環（P環）、心室除極向量環（QRS環）和心室復極向量環（T環），見圖5。空間心電向量環經過第一次投影在額面、橫面、側面三個平面上的所形成的平面曲線叫做平面心電向量環。平面心電向量環再經過第二次投影到各個導聯軸，形成的波形圖就是通常所說的心電圖。標準導聯和單肢加壓導聯心電圖是額面向量環在六軸系統各導聯軸上的投影，見圖6。胸導聯心電圖是橫面向量環在心前各導聯軸上的投影，見圖7。 3.3 測量分析

實際測量時要注意確保機器有良好接地。被測試者仰臥，不要緊張、說話和活動。胸導各部位的導電膏或生理鹽水不要連在一起，以免短路。有精力的學生可查閱有關心電圖的資料，對常規心電圖進行分析。

4 結束語

心肌細胞在靜息狀態下，相當于一個閉合的電偶層，膜內帶負電荷，膜外帶正電荷，對外顯示的電勢為零。在除極和復極過程中，對外顯示的電勢不為零。心電圖就是從體外測量得到的這些電信號的波形。本研究從物理電學的角度，對電偶極子的電勢、電偶層的電勢進行分析和討論，加深了學生對心電圖形成的理解，加強了物理理論和醫學實際的聯系，使學生對心電圖理論和實驗有一個充分全面的認識。

【參考文獻】 1 潘志達.醫學物理學基礎. 大連理工大學出版社，1999，114～145. 2 陳清啟， 楊庭樹，盧喜烈，等.心電圖學.山東科學技術出版社，2002，20～21. 3 韋建國， 郭衍坤，賀新華.心電圖基礎教程.科學出版社，2004，6～7. 4 許迪，陳明龍. 臨床心電圖速查手冊.江蘇科學技術出版社，2005，1.