來源：上海醫藥生物工程雜誌
1 8 9 5 年在醫學史上是一個值得紀念的年份。這一年德國物理學家倫琴發現了X 線, 荷蘭生理學家愛因妥芬(W.E in t h o v e n) 首次從體表記錄到代表心臟完整的除、復極過程的心電波形, 並以P、Q、R、S、T 來標誌不同的、可區分的棘波, 還給這類心臟電活動命名為心電圖( E l e e t r o e a r d i o -g r a m ）。
這些發現和發明經歷了一個世紀的發展沿革, 以一種強有力的方式促進現代醫學的發展, 以無可爭議的重要性幫助醫師診斷不同類型的心臟病, 特別是心律失常和心肌梗塞。
使心臟病的診斷從憑感覺和聽診器(法國醫生Re n L a e n n e e 於18 1 9 年發明)的時代進人了用機器和技術獲得客觀信息的時代, 從而使人們對生理和病理狀態下的心臟的結構變化和功能變異的認識不斷深化, 最近十年來更進人到細胞與分子的水平。
回顧歷史, 經過幾代科學家的孜孜努力充分體現了對真理的潛心探求、對技術發展的精益求精和對臨床應用和產品形成的迫切願望。
從最初對心臟的電活動的驗證田發展到心電圖學林林總總的各個方面, 諸如臨床心電圖、動態心電圖、心電監護及心電分析、遠程心電圖、高頻或疊加平均心電圖、心臟電生理、向量心電圖等。以及工程技術上的相應分支包括心電標測和仿真、遙測心電和計算機網絡化的心電信號處理系統的發展, 可以看出基礎醫學的研究、臨床醫學的需求與工程技術的發展相互促進、相輔相成, 反映了生物醫學工程這一新興學科形、發展壯大的一個縮影。
一、
體表心電圖發現的歷史背景早在18 世紀末和19 世紀初, 圍繞蛙腿與金屬片摟觸會發生跳動這一現象, 義大利解剖學家G al v a in 與物理學家V ol at 就機理進行了跨世紀的大爭論。
G al v a in 認為蛙腿收縮是起源於肌肉組織內的電流, 而V ol t a 則否認生物電的存在幾認為是由於接觸電位差造成的。
直到1 84 2年C.M at et u c i 才證實每次蛙心收縮伴隨著電流， 次年電生理的奠基人德國生理學家E.D u B io s一R e y m o n d確認了蛙心電活動是正確的, 並引用A ct io n P ot e nt i-a l來描述心肌收縮。18 5 6年RV.K o e l l i k e r 和H.M l le r 首次在病人身上記錄到心臟的動作電位。在其後的4 0 年中F r a n s D o n d e r s、T·E n g e lm a n n 等繼續研究將其擴展成心臟電生理學。一些精巧的儀器的發明推動了他們的研究, 使心臟的電活動能記錄下來。
法國物理學家G.iL p p m a n n 在1 8 70 年發明的毛細管靜電計( C a p i l l a r y e l e c t r o -m e t e r ) 被英國生理學家J.B.S a n d e r s o n 和F,P a g e 用來測量心電流。在1 8 7 8 年發表的報導中指出每次心臟收縮都伴有電的變化, 其特徵是有兩相: 短持續期相中心尖呈正性, 而在相對長的第二相中心尖呈負性。這是心室除極、復極的第一次描述。六年後他們又發表了用毛細靜電計記錄的多幅反映心臟電活動的圖片。
與此同時, 倫敦S t、M e r y 醫院的D.Wa l l -e r 開始了一系列的深人研究。
他首次實現了從體表測量人的心電圖。利用毛細靜電計的兩電極分別與胸壁與背部接觸可以觀察到每一心搏都伴隨電活動。
他於1 8 8 7 年發表了劃時代的論文閣開創了體表無創傷測量心電圖的先河, 儘管他對心電圖的臨床應用持悲觀態度。他稱心電記錄為E lec t or gr a m, 後又稱作C a r d io g r a m。在其後的研究中他還指出將兩手或一手一腳插人盛有鹽水的盤中同樣可記錄到波形。
二、
愛因妥芬和他的弦線電流計Wi l l e m E i n t h o v e n 是在1 8 8 9 年在B a s e l舉行的第一屆國際電生理會議上見到Wal l er並觀看了他的記錄技術, 作為醫學博士和生理學教授的他與其他幾名追隨者一同進入了這一研究。
Wi l l i a m B a y l i s s 和E.S t a r l i n g 改進了照明(採用弧光燈)和高倍投影顯微鏡使得毛細靜電計的測量顯得靈敏。他們發表的報導中可區分出三個分開的偏轉(即出現了後來稱為P 波的偏轉)而W al l er 只有2個, 如圖
整個九十年代E i n t h o v e n 集中精力研究心電活動。他認識到毛細靜電計的頻響有限勢必造成測量失真, 於是採用複雜的數學物理方法對之進行校正。
終於獲得了十分接近現代描記的心電波形(見圖3)。在18 9 5 年的論文中他將這5 個可分開的電偏轉按數學傳統分別命名為P、Q、R、S、T。
儘管他對毛細靜電計頻響改進獲得成功, 但他仍不滿意水銀的低劣頻響, 認為它限制了在心電生理中的應用。愛氏轉而注意改進儀器。他熟知法國物理學家A.D』A sr o n v al 和工程師C.A d er 發明的電流計( G a l v a n o m e t e r ), 1 9 0 1 年報導了改進的弦線電流計( S t r i n g G a l v a n o m e t e r ),接著在1 9 0 2年報導了第一批用弦線電流計記錄的心電圖。
1 9 0 3 年E i n t h o v e n 分別在德國和英國作報告介紹了弦線電流計並包含了六個病例的記錄。
弦線電流計是用一根3 拜粗細的鍍銀石英絲懸掛在一個用水冷卻的強磁場之中( 見圖4), 當有電流即便是心臟微電流通過細絲時,弦線會發生橫向位移, 通過反射可以在投射顯微鏡中看到放大了的位移, 這與A d e r 發明的繞線式電流計利用旋轉來測定電流的方式是明顯不同的(見圖)5。不僅頻響高而且靈敏度也提高了約十萬倍。當時愛氏將熔化的石英放在箭頭上用弓射出才得到了微米級的細絲求得優良的頻響, 又用通水冷卻的電磁鐵(2.2m m 直徑的電線繞了18 4 3 )取得了2泰斯拉的強磁場。
他還採用膠片記錄, 膠板移動速度為2 5m m /s, 這個標準沿用至今。
當時這個裝置重達60 0 磅, 操作十分困難, 設置於距他所屬的從e d e n 大學附屬醫院約1 英里的實驗室內。
為了在醫院對病人檢查心電圖, 他還利用了電話遙測·。令人驚奇的是他記錄的心電圖與現代心電裝置記錄的心電圖在頻響上毫不遜色。
利用這個裝置記錄了各種異常心電圖包括心律失常、室早、房顫、二聯律、房撲等12 個病人的資料以及實驗犬傳導阻滯的圖片, 還與We n c k e b a o h 一起發現了奎寧對糾治房顫的功效。愛氏十分重視他的發明的臨床應用, 他認為這項技術必然會對心臟病的病理生理學發揮作用, 也會引導治療上的快速進步。
190 8 年他又在他的不朽論文中〔』 幻充分表白了他的信念: 心電圖可用於診斷。
顯示了心率、呼吸對心電圖的影響。
文中還正式引人了標準肢體導聯和用等效三角形來說明三個標誰膠體導聯間的關係。至此, 心電圖在醫學上的應用性已開始為人們接受。
三、心電圖機的發展和心電圖理論的建立
雖然心電圖的臨床意義得到公認, 但在最初的十年中推廣應用非常緩慢。原因是:
(1)裝置龐大, 原型機重30 0公斤, 雖經改進直到19 2 0年才出現可移動的手推車式心電計, 到19 28 年才縮小到可放人皮箱中的攜帶式(十幾公斤重)心電圖機。
( 2) 因靈敏度太高操作麻煩需數人同時調節。
( 3) 為了取得良好的接觸,受檢者四肢要浸人盛鹽水的鋅制大筒, 外面還通過硫酸亞鉛溶液和引線接人電流計。這種狀況直到1 9 30 年才得到改進。
就在此時兩項重任正在俏俏進行, 一是心電圖機的製造和改進, 另一是心電理論的探討與發展。
E in th o v e n 的論文一發表( 1 9 0 3 )就有許多生理學家和臨床醫師訪問他的實驗室並企求得到弦線電流計。同時德國工程師M a xE d e lm a n n也與E i n t h o v e n討論了商業生產的意向。但在仔細研究了資料後E d el m a n n改進了弦線電流計, 採用了強磁鐵放棄了水冷, 新設計與愛氏確有很大不同。由於拒付先前的 2 5磅/ 台的專利費, 因此愛氏十分沮喪, 並停止與E d el m a n 州自來往，繼而轉向倫敦劍橋科學儀器公司。
1 9 0 8 年後劍橋公司的W.D.D u d d el l開始重新設計弦線電流計、共製造了三台, 分別安裝在德國愛丁堡的E dw a r d S e h 生理實驗室( 19 0 8 )、倫敦大學醫學院的T h o m a s L e w i s 實驗室( 1 9 0 9 )和紐約的M t S in ia 醫院。
1 9 14 年劍橋生產的重1 8 8磅,1 9 2 1年為3 8磅, 1 9 2 6 年為1 4 磅, 19 3 8 年為7 磅。
除了在磁鐵與弦線上改進外, 19 3 0 年劍橋公司引人德銀製造接觸式板狀電極,19 3 2 年R u d ol p h 引入吸球電極, 這就是現在仍在使用的肢導電機與胸導電極。
2 0 年代真空管的出現使弱電流放大成為可能。
E in ht o v et , 曾試圖採用放大器, 但很快放棄了。主要是時間常數過小引起了失真。
暮年的E i n t h o v e n 曾力圖改進弦線電流計, 將弦線減至0.1 一0.4拜m, 為了減少空氣阻力又將絲置於真空中, 從而獲得了很高的頻響。
愛因妥芬由於他在心電圖上的傑出貢獻以及在心電理論上的建樹而於19 2 4年獲諾貝爾獎。然而尖端技術猶如出山猛虎勢不可檔。
愛氏死後, 放大技術有了長足的友展, 終於否定了弦線式電流計回到了採用電子放大的電流計方式, 終於形成了現代心電圖機的格局、這也許是否定之否定吧。弦線電流計在歷史上所起作用是不可磨滅的, 尤其是它的記錄質量是熱筆記錄無可匹敵的。
我國協和醫院曾在2 0 年代安裝過弦線電流計,並將電極線通向各病房。
第一台採用電子管放大的心屯圖機1 9 3 4年由德國西門子( S i e m e n s) 公司製造出來, 按當時價格與一幢豪華別墅相當。隨著電子學的發展, 陰極射線管作為顯示器也進人了心電領域並大大改善了頻響, 於是導致了心向量圖和離頻心電圖的發展。雖然用記錄筆替代昂貴費時的照相早在19 3 2 年由瑞士D u c h os al 設計出來〕, 但直到二次大戰後由於伺服電子技術的運用才改善了記錄筆的失真, 使得這種筆式記錄因具有長期、廉價、同步(實時)的優點而大量推廣。
在心電理論與臨床應用方面, 追隨E int h o v e n 的研究也同步發展著。
其中英國青年學者S .T L e w is 在19 0 8 年訪問了E in ht o -v e n 實驗室, 並對用弦線電流計來進行心律失常樹立了堅定的信心。
1 9 1 0 年L e w i s 用心電圖確認了竇房結是心臟的起搏原點，繼而在1 910 一1 9 1 6年le w is 及其助手進行了一系列的研究心臟電興奮過程的實驗, 通過這些勾畫出了心臟整體的興奮順序, 為心律失常分析奠定了基礎。人類心房早搏由w e n c k -eb a e h 最早描述,M a e k e n z i e 使用多道記錄器早在1 8 9 4 年就確定了房早的存在。最早描述室早的是K r a u s 和N ic ol ia, 他們認為早搏代表單個心室的收縮稱之為半收縮( e m is y-s t o l e )，然而L e w i s 根據心電圖記錄並考慮心臟的解剖和生理, 認為半收縮概念是錯誤的。
1 9 0 9年L e w i s 開始房顫的研究。他發現房顫時心電圖中心室波正常而僅是正常的房波P 被一系列快速不規則的振蕩波代替。
他用f 波記這些纖顫振波, 為解釋房顫, 他用了多年時間研究直到19 2 1 年發表了環形運動的學說。此外L e w is 還記錄到了陣發性心動過速發作前後的心電圖並區分了房性和室性心動過速, 對房室結的自律性, 迷走神經對傳導的影響, 完全和不完全性阻滯都有深人的研究, 在19 1 3 年和1 9 2 0 年出版的專著臨床心電圖及心臟搏動的圖形和機理 中系統而又明確地描述了心臟興奮傳遞的過程, 建立了興奮波徑向傳播的雙電層理論, 為心電學奠定理論基礎。
在L e w i s於心律失常進行系統總結的同時, 曾在L e w is 手下工作過的F.N.W l s o n 將注意力轉向心電圖波形形態的研究。
1 9 2 0 一1 9 3 0 年W i l s o n 對心電體表電位分布 進行了長時間的實驗研究。在1 9 3 0 年發表的論文中對E i n t h o v e n 三角形假設的數學基礎進行了探討, 指出標準肢體導聯的某些人為性質。
1 9 3 2 年W i l s o n 從對肢體導聯三角型的分析出發提出了一個組合導聯的中性端，即三個標準導聯的心電勢平均求和可作為永恆的零電位參考點。以此作為無關電極、對任一肢導電極可構成單極導聯。
Wi l s o n 於1 9 3 4又創導了胸前導聯標準的建立。利用方性心電端作參考在胸前各部位以單極探查方式建立的導聯有力地為心肌缺血、心梗提供了清晰的分析。
除此之外還對心包炎、心肌炎和先心病診斷提供了方便。也為心電向量測量補充了信息、即增添了水平面上的觀察標準。
同時由於胸導電極離心臟更近, 更能刻畫局部心肌的電興奮。