[转发]立体心电图的原理和应用进展

黄彦 李川勇

作者单位：300071天津，南开大学物理学院生物物理系生物医学信息实验室

【摘要】根据电偶极子假说，使用Frank导联系统，通过测量体表相互垂直的三个方向的平均电场，可以得到心电向量。立体心电图是将心电向量在三维空间连续实时地显示出来，弥补了心电图无法三维显示和心电向量图一般不能多周期显示的不足。立体心电图在心律失常和心肌本身病变的诊断，心室复极不一致性和心肌电传导的研究方面有着重要的应用。
【关键词】偶极子； 心电向量； 立体心电图； Frank导联系统
中图分类号：R318；TN911．7 文献标识码：A 文章编号：1673-4181(2006)03-0167-03
Principle and appHcafion advances of 3D-electrocardiogram HUA NG Yan，LI Chuan-yong．Department of
Biophysics，SchoolofPhysics，NankaiUnwemi~，Tianjin300071，China
【Abstract】According to the hypothesis of electric dipole，electmcardial vector Can be obtained with Frank
lead system by measuring average electric field in three orthogonal directions on body surface． With 3D·Electro—
cardiogram (3D—ECG)，real—time electro-cardio vector Can be continuously displayed in 3D dimension and it overcomes
the shortcoming of ECG which Can not be displayed in 3D．It also has advan tage over VCG which generally
Can not be displayed in multi—period． 3D—ECG plays a very importan t role in the areas of diagnosis of arrhythmia，
cardiomyopathy，studies on the inhomogeneity of ventricular repo larization an d the myocardial electrical conduction．
【Key words】dipole；electrocardial vector； 3D—electrcardiogram；frank lead system
心电向量图(vectorcardiogram，VCG)是基于心电向量的概念得到的。Einthoven首先提出等效心电偶极子的假说，后来实验证明这个假说是正确的，即心肌细胞除极、复极的过程可以看作胸腔内一个偶极子的变化。偶极子既有大小又有方向，因此可以把它看作心电向量[1J。心电向量在时间上是不断变化的，由于心电活动具有周期性，心电向量的变化也存在周期性，这就形成了空间心电向量环。空间心电向量环投影到一个平面上的二维曲线就构成了VCG。
立体心电图采用和发展了心电向量理论，它采集的原理和方法与心电向量图相同。二者区别在于前者将心电向量环直接在三维空间显示，是三维的心电图；后者经过了一次投影，属于二维心电图。
可以说，近百年来心电学的发展由一维空间逐渐走向了三维空间领域。心电图的一维线性、心电向量图的二维平面环和立体心电图的三维空间表达分别代表着3个不同的发展阶段。
1 立体心电图的采集
立体心电图的导联系统有很多种，其中Frank、McFee．Parungao和SVEC III是目前最流行的三个导联系统。Frank导联最容易应用，而且有很好的可重复性；SVEC III系统在心脏区域有最好的正交化效果，而且它对电极的位置最不敏感网。下面以Frank导联为例，介绍立体心电图的采集。
Frank导联为校正的三维正交导联，为了校正心脏胸腔内的不对称性(心脏在胸腔内的位置偏前偏左)，Frank导联体系采用一套电阻网络，插人x、Y、z导联的输人端，以改变其增益量，使心脏近似位于胸腔的正中那样，称为正交导联体系。除了x、Y、Z三个导联所需的6个电极以外(2个为一组，放在体表相应的位置(如表1所示)，可以同时测出人体上下、前后、左右的电位差变化)，在左侧与正前的电极之间增加了一个校正电极C，使之与x轴和Z轴都成45。

利用Frank导联可以同时得到x、Y、z三个轴上的电位变化，将这三个电位差的连续变化在三维空间表示出来，就可以得到立体心电图，将立体心电图分别投影到XY、YZ、XZ的二维平面上，就得到了心电向量图。实际上，各轴上的电位差值并不是正负极简单相减得到的，为了矫正心脏在胸腔中的不对称，(C+A) 与I一组成x轴，(M+F) 与H组成Y轴，(A+C+E+I) 与M—组成z轴。
2 立体心电图反应心电活动的物理原理心肌细胞的除极过程起源于窦房结，兴奋是在细胞之间依次传播的。单个细胞在除极过程中，胞外的Na 内流，使得膜内电位升高，膜外电位降低，导致了跨膜电位的升高。从整体上来说，已除极一侧的细胞膜外电位要低于未除极一侧的细胞膜外电位。电偶极子出现在除极细胞和未除极细胞的边界上，它的方向是从膜外的低电位指向高电位，因此指向未除极的一侧 。
Frank导联测量的是人体左右、上下和前后三个轴的电势差(△φX ，△φ y，△φ z)，它们可以反映心脏偶极子的变化规律。为了便于说明，可以把心脏在体内的情形，简单的比作一个偶极子P处于一个球体的球心处(正负电荷的距离z远远小于球的半径r)。根据电偶极子的电势公式

由P和，可以求出球体表面的电势分布 (r)。不难看出， φ(r)的最大值 φ+和最小值 φ一的所在位置分别是正负电荷延长线与球体表面的交点，球体表面两点间的最大电势差

其中：P是P的大小。若r的大小是固定的，则△φ ocP，△φ 与P可以互求。
通过△φx 、△φy 、△φz 分别求x 、Y、z三个方向上的平均电场，再根据(2)式可得

式中：αβγ分别是电极方向与电偶极子方向的夹角。以上三式可以看出，Ex,Ey,Ez 分别可以求出Px.Py,Pz的大小和方向，进而得到P的大小和方向。

3 立体心电图的应用
由于立体心电图可以在三维空间连续地描记心电活动中每一个周期，反映其随时间的变化规律等，弥补了心电图(electrocardiogram，ECG)无法三维显示和VCG一般不能多周期显示的不足。立体心电图一般有以下几个方面的应用。
(1)立体心电图可以在三维空间内连续实时地描记心电活动的每个周期，通过研究其周期的变化，可以对心率失常进行诊断。由于是在三维空间直接观察，它对周期的测量要比二次投影后的ECG更精确闭。
(2)利用立体心电图的矢量在空间的大小(振幅)、方向、移动速度、面积、形状及夹角等方面的改变，诊断心肌本身的病变，如心肌炎、风心病、冠心病和心室肌劳损等。将ECG简单、一般性的电位差改变推向立体心电图的细致、准确、直观、全面、侧重于心肌本身病变的特异性观察 ，例如可以通过研究三维的T波图像，得到心肌梗死和心肌缺血的特征旧。
(3)对心室复极不一致性的研究优于ECG。目前表征心室复极不一致性的参数是QT间期离散度(QTD)，QTD是近来体表ECG研究热点之一。但是对QTD的研究目前有两种截然相反的观点：一种是认为QTD反映了心室复极不一致性同；另一种观点认为所谓的QTD，只是心电向量在各个轴上投影时角度不同所致 8]。采用立体心电图从三维空间全方面地观察QT间期，为平息关于QTD的争论提供了良好的实验基础。
(4)利用立体心电图进行高血压病患者左室舒张功能的研究。近十几年来，对原发性高血压左心室舒张功~(LVDF)障碍的诊断主要用脉冲多普勒超声心动图测得的A／E(-尖瓣口血流频谱A，E峰)比值进行评价。2002年，有研究发现，A／E比值与立体心电图sT—T向量在判定LVDF障碍方面有显著关联，且后者作为判据更为敏感[91。
(5)胸双极立体心电图对心肌缺血的定位诊断较ECG更详细。ECG检测区域有限，不能有效地监测右室、心尖部、心脏前壁上下部、后壁及部分侧壁缺血，只能对下壁缺血做“有”或“无”的诊断，不能对下壁缺血进一步分区定位；而立体心电图诊断部位全面，常包含ECG的定位诊断区域。且立体心电图可以根据缺血导联数量和方位很容易地勾画出缺血面，从而形成非常明确的“面性”或“空间性”思维诊断模式㈣。
(6)T波交替(TWA)是目前心电学研究的热点之一，它被认为是至今预测心源性猝死的最有希望的一项无仓Ⅱ伤性技术[1l,l 。目前对TWA的分析方法主要是谱分析、复数解调和相关分析，虽然这三种方法都用Frank正交导联采集数据，但是在合成综合向量的时候只考虑了大小因素，而没有考虑其方向[1l 4]。利用立体心电图的综合心电向量的大小和方向在三维空间的变化，将对研究TWA产生更大的影响。
(7)利用心电向量环从VCG信号中提取呼吸信号。一段连续的VCG中包含了若干心电向量环，呼吸对每个环的形态都产生影响，瑞典的科研人员找到了一种方法通过分析不同环之间的角度差异，可以从VCG中得到呼吸信号 。也可以有相反的应用，将呼吸信号的影响从VCG中滤除，使信号中只有心电活动引起的形态变化 。
(8)立体心电图在研究心室早复极(early repolarization，ER)中的应用。一般人ST段提升(也被称为ER)，预示着有心脏病。但在耐力好的健康人(如运动员)中ER也常见。尽管ER的ECG特征已经被广泛地研究，但没有被系统地量化。2004年，希腊科学家定义了VCG测到的空间T波振幅、空间QRS振幅和空间QRS—T角等许多描述符，并将它们划分成心室除极和复极指数两类，在有ER的健康人和正常人之间进行比对发现：前一组人群的描述符值均比后一组高；在这两组人群中，空间T波振幅(属于心室复极指数)与心室除极指数均无关；心室除极和复极指数在前一组人群中没有联系fl7]。目前国内比较先进的立体心电图机是由国家卫生部中卫瑞德新技术开发中心研制的SCA-II型多功能综合心动活动自动分析诊断仪，它不但可以通过3导正交心电图显示三维的心电向量，而且还能多通道同步描记12导ECG，连续心电向量图和频域心电向量图。该仪器经第三军医大学新桥医院等单位使用后发现，其缺点是可记录的心动周期太少，由于图形设置的原因，图形太小 8】。
总之，ECG的优势在于研究单／多个心动周期的时序性，VCG和立体心电图的优势在于对波形变化的认知上。三者应相辅相成。
4 结语
立体心电图比ECG直接、准确，而且信息量大。随着计算机技术的应用，将大量的参数表格化、系统化、统计化、诊断化及网络化，医生将更容易接受和应用。相信在不久的将来，立体心电图将会被更好地用于临床、科研和教学，带动多学科向纵深方向发展。
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