1 8 9 5 年在医学史上是一个值得纪念的年份。这一年德国物理学家伦琴发现了X 线, 荷兰生理学家爱因妥芬(W.E in t h o v e n) 首次从体表记录到代表心脏完整的除、复极过程的心电波形, 并以P、Q、R、S、T 来标志不同的、可区分的棘波, 还给这类心脏电活动命名为心电图( E l e e t r o e a r d i o -g r a m ）。
这些发现和发明经历了一个世纪的发展沿革, 以一种强有力的方式促进现代医学的发展, 以无可争议的重要性帮助医师诊断不同类型的心脏病, 特别是心律失常和心肌梗塞。
使心脏病的诊断从凭感觉和听诊器(法国医生Re n L a e n n e e 于18 1 9 年发明)的时代进人了用机器和技术获得客观信息的时代, 从而使人们对生理和病理状态下的心脏的结构变化和功能变异的认识不断深化, 最近十年来更进人到细胞与分子的水平。
回顾历史, 经过几代科学家的孜孜努力充分体现了对真理的潜心探求、对技术发展的精益求精和对临床应用和产品形成的迫切愿望。
从最初对心脏的电活动的验证田发展到心电图学林林总总的各个方面, 诸如临床心电图、动态心电图、心电监护及心电分析、远程心电图、高频或叠加平均心电图、心脏电生理、向量心电图等。以及工程技术上的相应分支包括心电标测和仿真、遥测心电和计算机网络化的心电信号处理系统的发展, 可以看出基础医学的研究、临床医学的需求与工程技术的发展相互促进、相辅相成, 反映了生物医学工程这一新兴学科形、发展壮大的一个缩影。
体表心电图发现的历史背景早在18 世纪末和19 世纪初, 围绕蛙腿与金属片搂触会发生跳动这一现象, 意大利解剖学家G al v a in 与物理学家V ol at 就机理进行了跨世纪的大争论。
G al v a in 认为蛙腿收缩是起源于肌肉组织内的电流, 而V ol t a 则否认生物电的存在几认为是由于接触电位差造成的。
直到1 84 2年C.M at et u c i 才证实每次蛙心收缩伴随着电流， 次年电生理的奠基人德国生理学家E.D u B io s一R e y m o n d确认了蛙心电活动是正确的, 并引用A ct io n P ot e nt i-a l来描述心肌收缩。18 5 6年RV.K o e l l i k e r 和H.M l le r 首次在病人身上记录到心脏的动作电位。在其后的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 等继续研究将其扩展成心脏电生理学。一些精巧的仪器的发明推动了他们的研究, 使心脏的电活动能记录下来。
法国物理学家G.iL p p m a n n 在1 8 70 年发明的毛细管静电计( C a p i l l a r y e l e c t r o -m e t e r ) 被英国生理学家J.B.S a n d e r s o n 和F,P a g e 用来测量心电流。在1 8 7 8 年发表的报导中指出每次心脏收缩都伴有电的变化, 其特征是有两相: 短持续期相中心尖呈正性, 而在相对长的第二相中心尖呈负性。这是心室除极、复极的第一次描述。六年后他们又发表了用毛细静电计记录的多幅反映心脏电活动的图片。
与此同时, 伦敦S t、M e r y 医院的D.Wa l l -e r 开始了一系列的深人研究。
他首次实现了从体表测量人的心电图。利用毛细静电计的两电极分别与胸壁与背部接触可以观察到每一心搏都伴随电活动。
他于1 8 8 7 年发表了划时代的论文阁开创了体表无创伤测量心电图的先河, 尽管他对心电图的临床应用持悲观态度。他称心电记录为E lec t or gr a m, 后又称作C a r d io g r a m。在其后的研究中他还指出将两手或一手一脚插人盛有盐水的盘中同样可记录到波形。
爱因妥芬和他的弦线电流计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举行的第一届国际电生理会议上见到Wal l er并观看了他的记录技术, 作为医学博士和生理学教授的他与其他几名追随者一同进入了这一研究。
Wi l l i a m B a y l i s s 和E.S t a r l i n g 改进了照明(采用弧光灯)和高倍投影显微镜使得毛细静电计的测量显得灵敏。他们发表的报导中可区分出三个分开的偏转(即出现了后来称为P 波的偏转)而W al l er 只有2个, 如图
整个九十年代E i n t h o v e n 集中精力研究心电活动。他认识到毛细静电计的频响有限势必造成测量失真, 于是采用复杂的数学物理方法对之进行校正。
终于获得了十分接近现代描记的心电波形(见图3)。在18 9 5 年的论文中他将这5 个可分开的电偏转按数学传统分别命名为P、Q、R、S、T。
尽管他对毛细静电计频响改进获得成功, 但他仍不满意水银的低劣频响, 认为它限制了在心电生理中的应用。爱氏转而注意改进仪器。他熟知法国物理学家A.D’A sr o n v al 和工程师C.A d er 发明的电流计( G a l v a n o m e t e r ), 1 9 0 1 年报导了改进的弦线电流计( S t r i n g G a l v a n o m e t e r ),接着在1 9 0 2年报导了第一批用弦线电流计记录的心电图。
1 9 0 3 年E i n t h o v e n 分别在德国和英国作报告介绍了弦线电流计并包含了六个病例的记录。
弦线电流计是用一根3 拜粗细的镀银石英丝悬挂在一个用水冷却的强磁场之中( 见图4), 当有电流即便是心脏微电流通过细丝时,弦线会发生横向位移, 通过反射可以在投射显微镜中看到放大了的位移, 这与A d e r 发明的绕线式电流计利用旋转来测定电流的方式是明显不同的(见图)5。不仅频响高而且灵敏度也提高了约十万倍。当时爱氏将熔化的石英放在箭头上用弓射出才得到了微米级的细丝求得优良的频响, 又用通水冷却的电磁铁(2.2m m 直径的电线绕了18 4 3 )取得了2泰斯拉的强磁场。
他还采用胶片记录, 胶板移动速度为2 5m m /s, 这个标准沿用至今。
当时这个装置重达60 0 磅, 操作十分困难, 设置于距他所属的从e d e n 大学附属医院约1 英里的实验室内。
为了在医院对病人检查心电图, 他还利用了电话遥测·。令人惊奇的是他记录的心电图与现代心电装置记录的心电图在频响上毫不逊色。
利用这个装置记录了各种异常心电图包括心律失常、室早、房颤、二联律、房扑等12 个病人的资料以及实验犬传导阻滞的图片, 还与We n c k e b a o h 一起发现了奎宁对纠治房颤的功效。爱氏十分重视他的发明的临床应用, 他认为这项技术必然会对心脏病的病理生理学发挥作用, 也会引导治疗上的快速进步。
190 8 年他又在他的不朽论文中〔’ 幻充分表白了他的信念: 心电图可用于诊断。
文中还正式引人了标准肢体导联和用等效三角形来说明三个标谁胶体导联间的关系。至此, 心电图在医学上的应用性已开始为人们接受。
虽然心电图的临床意义得到公认, 但在最初的十年中推广应用非常缓慢。原因是:
(1)装置庞大, 原型机重30 0公斤, 虽经改进直到19 2 0年才出现可移动的手推车式心电计, 到19 28 年才缩小到可放人皮箱中的携带式(十几公斤重)心电图机。
( 3) 为了取得良好的接触,受检者四肢要浸人盛盐水的锌制大筒, 外面还通过硫酸亚铅溶液和引线接人电流计。这种状况直到1 9 30 年才得到改进。
就在此时两项重任正在俏俏进行, 一是心电图机的制造和改进, 另一是心电理论的探讨与发展。
E in th o v e n 的论文一发表( 1 9 0 3 )就有许多生理学家和临床医师访问他的实验室并企求得到弦线电流计。同时德国工程师M a xE d e lm a n n也与E i n t h o v e n讨论了商业生产的意向。但在仔细研究了资料后E d el m a n n改进了弦线电流计, 采用了强磁铁放弃了水冷, 新设计与爱氏确有很大不同。由于拒付先前的 2 5磅/ 台的专利费, 因此爱氏十分沮丧, 并停止与E d el m a n 州自来往，继而转向伦敦剑桥科学仪器公司。
1 9 0 8 年后剑桥公司的W.D.D u d d el l开始重新设计弦线电流计、共制造了三台, 分别安装在德国爱丁堡的E dw a r d S e h 生理实验室( 19 0 8 )、伦敦大学医学院的T h o m a s L e w i s 实验室( 1 9 0 9 )和纽约的M t S in ia 医院。
1 9 14 年剑桥生产的重1 8 8磅,1 9 2 1年为3 8磅, 1 9 2 6 年为1 4 磅, 19 3 8 年为7 磅。
除了在磁铁与弦线上改进外, 19 3 0 年剑桥公司引人德银制造接触式板状电极,19 3 2 年R u d ol p h 引入吸球电极, 这就是现在仍在使用的肢导电机与胸导电极。
E in ht o v et , 曾试图采用放大器, 但很快放弃了。主要是时间常数过小引起了失真。
暮年的E i n t h o v e n 曾力图改进弦线电流计, 将弦线减至0.1 一0.4拜m, 为了减少空气阻力又将丝置于真空中, 从而获得了很高的频响。
爱因妥芬由于他在心电图上的杰出贡献以及在心电理论上的建树而于19 2 4年获诺贝尔奖。然而尖端技术犹如出山猛虎势不可档。
爱氏死后, 放大技术有了长足的友展, 终于否定了弦线式电流计回到了采用电子放大的电流计方式, 终于形成了现代心电图机的格局、这也许是否定之否定吧。弦线电流计在历史上所起作用是不可磨灭的, 尤其是它的记录质量是热笔记录无可匹敌的。
我国协和医院曾在2 0 年代安装过弦线电流计,并将电极线通向各病房。
第一台采用电子管放大的心屯图机1 9 3 4年由德国西门子( S i e m e n s) 公司制造出来, 按当时价格与一幢豪华别墅相当。随着电子学的发展, 阴极射线管作为显示器也进人了心电领域并大大改善了频响, 于是导致了心向量图和离频心电图的发展。虽然用记录笔替代昂贵费时的照相早在19 3 2 年由瑞士D u c h os al 设计出来〕, 但直到二次大战后由于伺服电子技术的运用才改善了记录笔的失真, 使得这种笔式记录因具有长期、廉价、同步(实时)的优点而大量推广。
在心电理论与临床应用方面, 追随E int h o v e n 的研究也同步发展着。
其中英国青年学者S .T L e w is 在19 0 8 年访问了E in ht o -v e n 实验室, 并对用弦线电流计来进行心律失常树立了坚定的信心。
1 9 1 0 年L e w i s 用心电图确认了窦房结是心脏的起搏原点，继而在1 910 一1 9 1 6年le w is 及其助手进行了一系列的研究心脏电兴奋过程的实验, 通过这些勾画出了心脏整体的兴奋顺序, 为心律失常分析奠定了基础。人类心房早搏由w e n c k -eb a e h 最早描述,M a e k e n z i e 使用多道记录器早在1 8 9 4 年就确定了房早的存在。最早描述室早的是K r a u s 和N ic ol ia, 他们认为早搏代表单个心室的收缩称之为半收缩( e m is y-s t o l e )，然而L e w i s 根据心电图记录并考虑心脏的解剖和生理, 认为半收缩概念是错误的。
1 9 0 9年L e w i s 开始房颤的研究。他发现房颤时心电图中心室波正常而仅是正常的房波P 被一系列快速不规则的振荡波代替。
他用f 波记这些纤颤振波, 为解释房颤, 他用了多年时间研究直到19 2 1 年发表了环形运动的学说。此外L e w is 还记录到了阵发性心动过速发作前后的心电图并区分了房性和室性心动过速, 对房室结的自律性, 迷走神经对传导的影响, 完全和不完全性阻滞都有深人的研究, 在19 1 3 年和1 9 2 0 年出版的专著临床心电图及心脏搏动的图形和机理 中系统而又明确地描述了心脏兴奋传递的过程, 建立了兴奋波径向传播的双电层理论, 为心电学奠定理论基础。
在L e w i s于心律失常进行系统总结的同时, 曾在L e w is 手下工作过的F.N.W l s o n 将注意力转向心电图波形形态的研究。
1 9 2 0 一1 9 3 0 年W i l s o n 对心电体表电位分布 进行了长时间的实验研究。在1 9 3 0 年发表的论文中对E i n t h o v e n 三角形假设的数学基础进行了探讨, 指出标准肢体导联的某些人为性质。
1 9 3 2 年W i l s o n 从对肢体导联三角型的分析出发提出了一个组合导联的中性端，即三个标准导联的心电势平均求和可作为永恒的零电位参考点。以此作为无关电极、对任一肢导电极可构成单极导联。
Wi l s o n 于1 9 3 4又创导了胸前导联标准的建立。利用方性心电端作参考在胸前各部位以单极探查方式建立的导联有力地为心肌缺血、心梗提供了清晰的分析。
除此之外还对心包炎、心肌炎和先心病诊断提供了方便。也为心电向量测量补充了信息、即增添了水平面上的观察标准。
同时由于胸导电极离心脏更近, 更能刻画局部心肌的电兴奋。
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