物理实验课中开设心电图实验相关问题的探讨

【摘要】  　　 医用物理实验课中开设心电图实验，有利于学生理解心肌细胞生物电的产生和心电图的形成。

【关键词】  电偶极子 动作电位 心电向量 心电图

　　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

    随着我国高等医学改革的不断深化和医学技术的自身的，实验教学的思想和观念发生了很大的变化。高校的实验教学作为高等教育的重要组成部分，承担着理论和实践相结合的使命。因此在物理实验课中开设心电图实验，对医学生来说非常必要。下面就有关心电图的原理和测量方面的几个问题进行讨论。

　　2  原理

　　2.1  物理电学

　　2.1.1  电偶极子 

　　两个等量异号的点电荷-q和+q相距很近时组成的电荷系统称为电偶极子。从负电荷到正电荷做一矢线，称为电偶极子的轴线。P=qL称为电偶极矩。见图1。

    设任意一点a到-q和+q的距离分别是r1和r2，a点的电势分别是：
    U+=14πε0·qr1(1)
    U-=-14πε0·qr2(2)
    则a点的电势是：
    Ua=U+ +U-=14πε0·qr1-14πε0·qr2=q4πε0·r2-r1r1·r2(3)
    式中ε0是真空的介电常数，ε0=8.85×10-12C2·N-1·m-2。
    当a点远离电偶极子时，即r?L，那么r2≈r1≈r,r2-r1≈Lcosθ，则
    Ua=q4πε0·Lcosθr2=14πε0·Pcosθr2

　　2.1.2  电偶极层  相距很近，相互平行且具有等值异号面电荷密度分布的带电体系构成的带电系统称为电偶极层，见图2。整个表面积为S的电偶极层在P点的电势为：U=∫dU=14πε0 PsΩ

    式中PS=σδ是单位面积电偶层的电偶极矩，δ是电偶层之间的距离，σ是电荷密度。Ω是电偶层整个表面积S对P点所张的立体角。

　　2.2  生物电
   
　　心肌细胞生物电产生的基础是：细胞膜内外带电离子分布不均匀；细胞膜在不同情况下对离子选择通透性的变化，造成选择性离子跨膜移动。离子跨膜移动受以下因素控制：细胞膜对离子的通透性；细胞膜内外的电位差；细胞膜内外离子的浓度差；钠、钾泵机能。

    心肌细胞膜内外离子分布不均匀，是由于细胞膜中存在一种钠?钾泵结构，它是细胞膜中的一种特殊蛋白质（Na+?K+依赖式ATP酶），其作用是分解ATP使之释放能量，并利用此能量将细胞内的Na+逆浓度转移到细胞外，同时把细胞外的K+逆浓度转至细胞内，从而形成和维持细胞内高K+，细胞外高Na+的不均匀的离子分布状态。

　　2.2.1  静息电位 

　　大多数动物的神经和肌肉细胞在不受外界干扰时，细胞膜的内外之间存在电位差，这一电位称为静息电位。对于心肌细胞，假设以膜外为零电位，则膜内电位相当于-90mV，它是一种稳定的直流电位。实际上细胞膜是一个半透膜，在膜的内外存在着许多离子，其中主要是K+、Na+、Ca2+、Cl-和大量的蛋白质离子。K+、Na+、Ca2+、Cl-这些离子可以在不同程度上通过细胞膜，而其他离子则不能透过。因此，只有那些能透过细胞膜的离子才能形成跨膜电位，即静息电位。表1是心肌细胞膜内外K+、Na+离子浓度值。表1  心肌细胞膜内外K+、Na+离子浓度(略)

　　2.2.2  动作电位 

　　心肌细胞处于静息状态时，细胞膜的外部带正电，内部带负电，这种状态又称为极化。当极化状态的细胞受到外界的刺激达到一定强度，受到刺激处的细胞对Na+离子的通透性会突然变大，大量Na+离子在电场和浓度梯度的双重作用下涌入细胞内，使膜内的电位迅速提高，膜电位由原来的-90mV迅速增加到+30mV，而后瞬间上升至120mV。同时膜内外的局部电荷也改变了符号，膜内带正电，膜外带负电。这一过程叫除极。见图3。
   
　　结果大量的K+离子由细胞膜内向细胞膜外扩散。使膜电位又由正值迅速下降到负值，达到静息电位。这一过程叫复极。单个心肌细胞的除极和复极过程和电偶的变化见图4。

    3  心电图

　　3.1  心电向量

    心肌细胞在静息状态下，相当于一个闭合的电偶层，膜内带负电荷，膜外带正电荷，此时心肌细胞对外显示的电势为零。心肌细胞在除极时对外显示的电势大于零，在复极时对外显示的电势小于零。

    在一块心肌中，假如一端的心肌细胞受到刺激发生除极，则此处的细胞膜就形成跨膜动作电位，同时形成局部环形电流。这一局部环形电流又刺激临近静息膜使之除极而兴奋，从而使跨膜局部电流沿着细胞膜向外扩展，使兴奋以除极波的形式向前传播，形成心电瞬时向量。通常用空间心电向量环描述心电瞬时向量随时间和空间的变化。

　　3.2  心电图的形成

    空间心电向量环分为心房除极向量环（P环）、心室除极向量环（QRS环）和心室复极向量环（T环），见图5。空间心电向量环经过第一次投影在额面、横面、侧面三个平面上的所形成的平面曲线叫做平面心电向量环。平面心电向量环再经过第二次投影到各个导联轴，形成的波形图就是通常所说的心电图。标准导联和单肢加压导联心电图是额面向量环在六轴系统各导联轴上的投影,见图6。胸导联心电图是横面向量环在心前各导联轴上的投影，见图7。
   
　　3.3  测量分析

    实际测量时要注意确保机器有良好接地。被测试者仰卧，不要紧张、说话和活动。胸导各部位的导电膏或生理盐水不要连在一起，以免短路。有精力的学生可查阅有关心电图的资料，对常规心电图进行分析。

　　4  结束语

    心肌细胞在静息状态下，相当于一个闭合的电偶层，膜内带负电荷，膜外带正电荷，对外显示的电势为零。在除极和复极过程中，对外显示的电势不为零。心电图就是从体外测量得到的这些电信号的波形。本研究从物理电学的角度，对电偶极子的电势、电偶层的电势进行分析和讨论，加深了学生对心电图形成的理解，加强了物理理论和医学实际的联系，使学生对心电图理论和实验有一个充分全面的认识。

【】
  　　1 潘志达.医学物基础. 大连理工大学出版社，1999，114～145.

　　2 陈清启， 杨庭树，卢喜烈，等.心电图学.山东技术出版社，2002，20～21.

　　3 韦建国， 郭衍坤，贺新华.心电图基础教程.科学出版社，2004，6～7.

　　4 许迪，陈明龙. 临床心电图速查手册.江苏科学技术出版社，2005，1.