正常人体心电图形成原理的模拟实验研究

刘 慧，余 蓉，敬小丽，王旭东，木本荣，高丽霞

(成都中医药大学 医学技术学院,四川 成都,610000)

正常人体心电图形成原理的模拟实验研究

刘 慧，余 蓉，敬小丽，王旭东，木本荣，高丽霞

(成都中医药大学 医学技术学院,四川 成都,610000)

心肌细胞在静息和刺激状态下，电荷分布会发生变化，类比于电偶极矩的重新分布现象。在周期性收缩中，心肌细胞即产生心电向量环。文章以心电向量环为研究对象，模拟心电向量环在周期性变化中产生的心电图波形图。在“静电场模拟”实验基础上，以浓度5%氯化钠溶液填充“人型”导体盘模拟人体导电。在“人型”导体盘中的左腕、右腕、及左脚位置放心电电极片。通过控制电路中不同的闭合回路，实现对标准导联(导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，加压单极肢体导联(aVR,aVL,aVF)等六种情况的心电图模拟。根据测量研究点间的电势差，描述电势差与周期之间的关系，绘制出模拟心电图，描述正常人体心电图形成原理。

心电向量环；模拟实验；标准导联；肢体导联

心电图，是利用心电图机从体表记录心脏每一个活动周期所产生的生物电变化的图形技术。心电图对于早期预测心脏病变如：冠心病、心肌缺血等有十分重要的作用，已经成为心脏疾病普查的重要手段。目前，心电图监测主要依靠心电图机,心电图机设备已经相当成熟。但要从中描述出心电图波形成原理，相当困难。因此，我们试设计模拟实验，直观简洁的阐述心电图波形成的原理。

我们在传统的“静电场描绘”实验的基础上进行改进[1]，模拟心电图的形成原理。利用“人型”导电盘模拟人体的导电容积，直流电源模拟心肌细胞的电荷分布，采用金属环模拟心电向量环的电位变化，利用控制电路，模拟人体在六种导联情况下的心电图。以时间作为横轴，测量点间电势差作为纵轴，绘制出周期内模拟心电图的图像。

1 心电图模拟原理

心脏有规律的收缩，表现为电信号在心肌细胞的传输结果。心肌细胞等效于一个电偶极子[2]。当静息状态时，心肌细胞内外电荷分布均匀，电偶极矩为零。当心肌细胞受到刺激时，细胞内外电荷重新分布，电偶极矩不为零。这种电偶极矩称为心电偶。当心脏周期性收缩时，其心电偶也随时间变化[3]，这个空间心电向量环的变化特征[4,5]即是心电图形成的原理。心电波形理论上是三维的图谱，其中最常见的心电波形为QRS波群[6，7]。为了简化模型，我们以空间心电向量在平面的投影，即平面心电向量环为研究对象,模拟QRS波产生情况。模拟模型采用铜金属丝，构造模拟心电向量环。实验采用输入电源为直流电20v。在模拟心电向量环上，标记12个研究点，依次排序，如图1所示。将“0”点，作为是电势零点，探针从“0”到“12”，监测不同测量点间的电势差变化，即是每个心电向量所产生的电势差。在一个周期内，描述出心电向量变化所产生的电势差和时间的关系，即心电图。

图1 平面心电向量环示意图Fig.1 Sketch map of plane heart vector loop

2 心电图模拟实验

2.1 实验设备

心电图的模拟需要两部分设备：检测装置和模拟设备。检测设备：数字万用表等(型号：(VICTOR) VC97)。模拟设备：①电路设备：直流电源，导线，开关，电阻(R1,R2,R3=3KΩ)，构造心电图的基本模拟电路。② “人型”导电盘：模拟人体形态分布的导体盘。③NaCl溶液(浓度5%)：模拟人体导电的电解质溶液，等效生理盐水，模拟细胞液环境。④心电向量金属环：模拟心电向量的环路金属模型。顺时针标记12个均匀的待检测点。每个点监测时间间隔为5s，一周即为一个周期1min，模拟心电向量的平面投影轨迹。本实验中，为了简化操作步骤，让学生更容易掌握，采用了最简单的数字万用表。采样点的方式采用了传统的手工采样法。当然，从实验精度角度讲是有所欠缺，而本实验主要试图模拟心电向量产生心电图的原理，精度稍有缺乏暂不影响实验结果的大趋势走向。因此，我们会在下一步实验设计中进行改进，诸如：将数字万用表以示波器替代，将手动采样改为电动采样等。

2.2 模拟操作

首先，将“人型”导电盘中加入NaCl溶液(浓度5%)，模型的中上部放置心电模拟环，后将其固定。分别在“R”“L”“F”点放置心电电极片，“T”点作为“中心电端”。本实验中，我们采用的是“T”接地。当然，我们也可以采用“T”串联高阻值电阻，来实现中心电端的效果。连接如图2中所示的电路图，构建心电图基础模拟回路。

图2 心电图模拟实验示意图Figure 2 Schematic diagram of ECG simulation experiment

其次，模拟心电向量环，采用直流电源20V，其负极置金属环“O”点，正极探针依次接触金属环标记点“I”。每个点间隔时间相等，为5s，整个周期为1min。模拟心脏向量周期性变化。

最后，在模拟心电向量环变化的同时，采用数字万用表测量两点的电势差，描述出电势差随时间的变化情况。通过控制电路，模拟两大类的心电图：标准导联，加压单极肢体导联。具体控制电路如下：

(1)标准导联：开关K1，K2，K3均不闭合。以数字万用表连接以下几个点：

(a)数字万用表正极置“L”，负极置“R”，在模拟心电向量环变化的同时，读出万用表的电势差，V(RL)，记录为VI，模拟标准第一导联情况。

(b)数字万用表正极置“F”，负极置“R”，在模拟心电向量环变化的同时，读出万用表的电势差，V(FR)，记录为VII，模拟标准第二导联情况。

(c)数字万用表正极置“F”，负极置“L”，在模拟心电向量环变化的同时，读出万用表的电势差V(FL)，记录为VIII模拟标准第三导联情况。

(2)加压单极肢体导联： 开关K1，K2，K3选择性闭合，以数字万用表连接以下几点：

(d)开关K1断开，K2，K3闭合。形成闭合回路。数字万用表正极置于“L”，负极置于“T”(中心电位端)。在模拟心电向量环变化同时，读出万用表电势差V(LT)，模拟肢体导联的第一种情况aVR。

(e)开关K2断开，K1,K3闭合。形成闭合回路。数字万用表正极置于“R”，负极置于“T”(中心电位端)。在模拟心电向量环变化同时，读出万用表电势差V(RT)，模拟肢体导联的第二种情况aVL。

(f)开关K3断开，K1，K2闭合。形成闭合回路。数字万用表正极置于“F”，负极置于“T”(中心电位端)。在模拟心电向量环变化同时，读出万用表电势差V(RT)，模拟肢体导联的第三种情况aVF。

我们拟设计的心电图模拟实验中，以R1，R2，R3 的开关闭合方式不同，测量“R”，“L”，“F”点的不同两端电势差。理论上是符合心电图标准导联，及加压单极肢体导联的物理学原理的。能够在简单直观的操作步骤中，较好的还原心电图产生的物理学原理，也是本实验设计的初衷。

3 数据分析

通过心电向量变化，我们得到了模拟周期1min内，时间间隔5s时，两测量点之间的电势差。如表1所示。根据表1中的数据，我们绘制了六种情况的模拟心电图，如图3所示。分别模拟了标准导联情况中第一导联(a)Ⅰ，第二导联(b)Ⅱ，第三导联(c)Ⅲ，以及加压单极肢体导联情况中第一类(d)aVR，第二类(e)aVL，第三类(f)aVF的情况。图3中描述了心电向量变化时，两测量点之间的电势差随时间的变化情况，呈现出了六种类型的模拟心电图。与真实心电图对比，我们的图形在细节上仍有较大误差，但其波形图的走势基本稳和。由此，说明该方法模拟心电图的形成原理是可行的，更加直观的阐述心电图形象原理。

表1 测量电势差与时间数据

续表

标准导联肢体导联2516．13210．757-2．830-12．18210．3365．5303019．80417．6582．203-17．79811．88010．5413516．58019．4628．456-14．6345．22715．368409．57516．30810．994-11．6750．37813．640456．27811．2548．381-7．614-3．2949．882503．2244．8495．702-2．354-5．6705．28155-3．7691．8793．2490．421-4．428-3．53260-3．527-1．2201．9332．128-2．5270．346

图3 模拟心电图 (标准导联：(a)第一导联Ⅰ；(b)第二导联Ⅱ；(c)第三导联Ⅲ。加压肢体导联：(d)第一类导联aVR；(e)第二类导联aVL；(f)第三类导联aVF)

Fig.3 Simulated ECG(Standard leads(a)First leadⅠ;(b)Second leadⅡ;(c)Third lead Ⅲ.Augmented limb leadsⅢ:(d)First class lead aVR;(e)Second class lead aVL;(f)Third class lead aVF)

同时，我们也分析了产生误差的主要原因：(1)模拟周期为1min，而QRS波的心电向量的实际变化周期约为0.06-1s的时间[8,9]，因此满足了周期性变化的趋势，而模拟时间偏长，造成了误差。(2)模拟标准导联，肢体导联的控制电路皆为理想电路模型，与实际人体生物电信号传递存在差距。(3)人体导电性十分复杂，为了简化模型，以5%浓度的NaCl溶液填充其中，模拟人体导电分布，然而，实际的人体导电，并非完全均匀的导体，因此实验模拟与真实人体还是有较大偏差。

4 总结

我们在静电场描述实验的基础上，拓展心电图形成原理的模拟实验，利用心肌细胞的心电偶形成原理，以心电向量环为研究对象，模拟心电图的形成原理。实验内容直观、简洁，通过控制电路模拟了6种导联情况；同时，我们测量了研究点间的电势差随时间变化的趋势，绘制了模拟6中情况下的模拟心电图波形。绘制的模拟的心电图与实际心电图[10-12]相比，心电图波形相似，趋势基本稳和。因此，我们认为利用该方法阐明心电图形成原理，及模拟心电图波形走向是有效可行的，今后，还可以利用此方法研究病态心电图的形成原理，为临床心电图诊断打下基础。

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Simulated experimental study on the principle of ECG formation in normal human

LIU Hui，YU Rong,JING Xiaoli,WANG Xudong,MU Benrong,GAO Lixia

(School of Medical Science and Technology,Chengdu University of Traditional Chinese Medical,Chengdu 610000,China)

In resting state and stimulated state,the charge distribution of cardiac myocytes will change,which is analogous to the redistribution of the electric dipole moment.In periodic contraction,the cardiac muscle cells produce the heart vector loop.In this paper,we take the heart vector loop as the object of study and simulate the ECG waveform generated by heart vector loop in the periodic change.On the basis of “electrostatic field simulation”experiment,a human-like conductor disk filled with 5% sodium chloride solution is used to simulate the conduction of human body.ECG electrodes are placed at the left and right wrist and left foot of the human-like conductor disk.By controlling different closed circuits in the electro circuit,ECG simulation of six conditions is realized,including standard lead(ⅠⅡⅢ) and augmented unipolar limb lead(aVR,aVL,aVF).According to the potential difference measured between study points,we will describe the relationship between potential difference and cycle,draw the simulated ECG,and describe the principle of ECG formation in normal human body.

heart vector loop;simulation experiment;standard lead;limb lead

1672-7010(2017)04-0112-05

2017-06-21

成都中医药大学实验技术项目(心电图形成原理的物理模拟SYYB20170032)

刘慧(1984-)，女，四川成都人，讲师，硕士，从事医用物理学研究；E-mail:liuhui_rabbit@126.com

O4-33

A