Electrocardiogram

**心電圖**（_Electrocardiography_、_ECG_ 或者 _EKG_）是一種經體壁以時間為單位記錄心臟的電生理活動，並通過接觸皮膚的電極捕捉且記錄下來的診療技術。這是一種無創性的記錄方式。Electrocardiography 的詞源來自於三個希臘單詞：「electro」，因為和電生理活動有關，「cardio」，希臘語「心臟」，還有「graph」，一個希臘語的詞根，意思為：「描記」。

心電圖的工作原理：在每次心跳心肌細胞去極化的時候會在皮膚表面引起很小的電學改變，這個小變化被心電圖記錄裝置捕捉並放大即可描繪心電圖。在心肌細胞處於靜息狀態時，心肌細胞膜兩側存在由正負離子濃度差形成的電勢差，去極化即是心肌細胞電勢差迅速向 0 變化，並引起心肌細胞收縮的過程。在健康心臟的一個心動周期中，由竇房結細胞產生的去極化波有序的依次在心臟中傳播，先傳播到整個心房，經過「內在傳導通路」傳播至心室。如果在心臟的任意兩面放置 2 個電極，那麼在這個過程中就可以記錄到兩個電極間微小的電壓變化，並可以在心電圖紙或者監視器上顯示出來。心電圖可以反應整個心臟跳動的節律，以及心肌薄弱的部分。

通常在肢體上可以放置 2 個以上的電極，他們兩兩組成一對進行測量（如左臂電極（LA），右臂電極（RA），左腿電極（LL）可以這樣組合：LA+RA，LA+LL，RA+LL）。每個電極對的輸出信號稱為一組**導程**。導程簡單的說就是從不同的角度去看心臟電流的變化。心電圖的種類可以以導程來區分，如 3 導程心電圖，5 導程心電圖與 12 導程心電圖，等等。12 導程心電圖是臨床最常見的一種，可以同時記錄體表 12 組導程的電位變化，並在心電圖紙上描繪出 12 組導程信號，常用於一次性的心電圖診斷。3 導程及 5 導程心電圖多用於需要通過監視器連續檢測心電活動的情況，如手術過程中或在救護車轉運病人時的監護中。根據儀器的不同，這種連續監測的結果有時可能不會被完整地記錄下來。

心電圖是測量和診斷異常心臟節律的最好方法，用以診斷心電傳導組織受損時心臟的節律異常，以及由於電解質平衡失調引起的心臟節律的改變。在心肌梗塞（MI）的診斷中，它可以特異性的分辨出心肌梗塞的區域（但並不是心臟所有區域的心電活動改變都可以被記錄到）。 心電圖並不能全面地評估心臟的泵血能力，這通常由心臟超音波或者核醫學手段來完成。某些情況下，正常 ECG 圖像的病人卻可能會出現心臟停搏（一種叫做心電機械分離的情況下）。

## 歷史

在 1872 年，Alexander Muirhead 報告其從連接到一個發燒病人手腕上的導線上獲得了他心臟搏動的電信號並記錄了下來。當時他正在 St Bartholomew's 醫院攻讀他的科學博士學位（電學專業）。記錄並顯示信號的儀器是一台由英國生理學家 John Burdon Sanderson 製作的的里普曼微電流計。第一個系統性的從電生理學角度研究心臟活動的是在倫敦 Paddington 聖瑪麗醫院工作的英國科學家 Augustus Waller。他的儀器是一台固定在投影儀上的里普曼微電流計，心臟產生的電信號經投影儀投射到一個固定於玩具火車上的照相機底片上，從而被實時記錄下來。但是直到 1911 年，他仍然沒有看到這項技術應用於臨床的前景。

1903 年，荷蘭醫生、生理學家威廉・埃因托芬發明了弦線式檢流計，從而帶來了心電圖歷史上的第一次突破。他使用的心電圖記錄裝置比 Waller 使用的微電流計以及法國工程師 Clément Ader 在 1897 年發明的檢流計都更加的靈敏。與今天可以粘在皮膚上的電極不同，埃因托芬的裝置必須在記錄心電圖時把受檢者雙臂和一隻腿泡在盛有鹽水的桶里，以增強導電性。

埃因托芬把心電圖中的一系列波分別命名為 P 波，Q 波，R 波，S 波和 T 波，並且描述了一些心血管系統疾病的心電圖特點。為了表彰他的此項發現，他於 1924 年獲得諾貝爾醫學與生理學獎。

雖然我們今天仍然在使用那個時代的理論來分析心電圖，但是近年來心電描記術領域已經出現了微小的進展。比如，心電記錄儀器已經從實驗室中的笨重的設備演變成了今天非常便攜的裝置，並且電腦心電圖分析也參與其中。

2018 年 9 月 12 日，蘋果公司發佈 Apple Watch Series 4 其具備電極式心率傳感器，可為使用者製作其心電圖，以利醫療人員參考。

## 心電圖紙

ECG 的輸出是一張坐標圖（或者幾張坐標圖，每張代表一個導程的圖像），橫坐標（X 軸）表示時間，縱坐標（Y 軸）表示電壓。專業的心電圖儀器將記錄的結果列印在一張特殊的坐標紙上，坐標線將紙分為許多 1mm2 的紅色或綠色的小格子，在水平和垂直方向每隔 5mm 用粗線分隔（即每大格 25mm2）。不同心電圖儀器輸出可能不同，但是一般而言，標準是：Y 軸上每 cm 代表 1mV，X 軸上 25mm 代表 1 秒時間（心電圖紙走紙速度為 25mm/s）。在詳細分析心電圖細節的時候，也可以採用更快的走紙速度。在 25mm/s 的走紙速度下，每個小格表示 40ms 的時間，2 條粗線之間 5 小格的寬度表示 200ms 的時間，5 大格的寬度表示 1 秒的時間。記錄心電圖前需要先記錄並列印一個標準信號，一個 1mV 的標準信號必須使記錄筆的筆尖在垂直方向上移動 1cm，即 2 個大格的高度。

### 心電圖布局

標準的心電圖是一個十二導程 (leads) 的系統，亦即 12 leads ECG，是利用十二個位於正面與水平面上的導程，紀錄心臟十二個不同方向的電氣生理活動，能從十二種不同的角度觀察去極化波，再依心電圖的變化判斷心肌受損的位置。在記錄紙上，這 12 個信號通常被排列為 4 列 3 行。第一列記錄肢體導程（I 導程，II 導程和 III 導程）。第二列記錄加壓單極肢體導程（aVR,aVL 和 aVF），最後兩列記錄胸導程（V1～V6）。但是，某些時候並不是採用這樣的排列，所以檢查每個導程的標籤是非常重要的。每一列的 3 個導程信號通常被同時記錄並列印出來，經過幾個心動周期後，轉到下一列，開始記錄下面的 3 個導程。在記錄不同列的時候，心律可能會發生改變。每個導程記錄的長度可能很短，通常僅 1～3 個心動周期（取決於心率快慢），所以根據這些圖像分析心律變化可能很困難。於是，在心電圖記錄中還經常列印 1～2 個「節律帶」。節律帶通常選擇 2 導程（這個導程可以最清晰的顯示心室電信號以及 P 波），並且在心電圖記錄的全程顯示心臟節律的變化（通常 5～6 秒）。節律帶還被應用於持續性的心電監測時的螢幕輸出。

## 導程

在人體不同部位放置電極，並通過導程線與心電圖機電流計的正負極相連，這種記錄心電圖的電路連接方法稱為心電圖導程。電極位置和連接方法的不同，可組成不同的導程。在長期臨床心電圖實踐中，已經形成了由 Einthoven 創設而目前廣泛採納的國際通用導程體系（Lead System），稱為標準 12 導程體系。

在心電圖描記術里，導程（lead）這個術語使用上很混亂，因為它可以表示 2 種不同的東西。按照通常的說法，導程可以指連接電極與心電圖儀器的電纜。但是根據辭義，「左臂導程」也可以指應該放置於左臂或其附近的電極（包括連接它的電纜）。在標準 12 導程 ECG 中，通常有 10 個這樣的電極。

作為另一種選擇（或者說根據一些心電描記術文獻上下文推測出的合適的意思），導程也可以表示描繪兩個電極間電位差的變化 --- 這才是實際上心電圖儀輸出的數據形式。每個導程都有自己的名字，如「 I 導程」是右臂電極和左臂電極之間的電位差，而「Ⅱ 導程」則是右臂電極和腿電極之間的電位差（很快這將會變得更複雜，因為其中一個電極的訊號可能由其他幾個電極的訊號混合而成，見下文）。(見後述.) 12 個這樣的電極組合稱為 12 導程心電圖。

更容易混亂的是，「肢體導程（limb leads）」這個術語表示的是導程 ⅠⅡⅢ 的訊號圖像，而不是連接在肢體上的電極。

### 電極放置位置

標準 12 導程心電圖需要放置 10 個電極，每個電極通常由導電凝膠，自黏合板（導電凝膠放置於板的中央）以及夾在自黏合板的電纜組成。有時候導電凝膠也起到黏合作用。它們按如下方式標記並放置在受檢者身體上：

#### 附加電極

標準的 12 導程 ECG 可以通過不同的方式擴展以提高在診斷心肌梗塞時的敏感性。擴展的導程可以觀察到標準 12 導程 ECG 不易觀察的到的心臟的部位。擴展的導程包括 V3R~V6R 導程（電極放置位置與標準 12 導程中的 V3~V6 關於前正中線對稱，在右側胸壁上），有時被用於小兒心電圖或診斷右心病變；以及 V7~V9 導程（V7 位於左腋後線 V4 水平處、V8 位於左肩胛線 V4 水平處、V9 位於左脊柱旁線 V4 水平處），臨床上診斷後壁心肌梗塞常選用 V7~V9 導程。

### 肢體導程

在 5 導程和 12 導程 ECG 系統中，導程 I, II 和 III 叫做肢體導程。這些導程的電極都放置於四肢上：每個手臂一個，左腿一個。電極放置的三個點形成了一個三角形，叫做_艾因托文（氏）三角_。

* 導程 Ⅰ 是左臂（正極，LA）和右臂（RA）之間的電位差：

　
: $I=LA-RA.$

* 導程 Ⅱ 是左腿（正極，LL）與右臂（RA）之間的電位差：

　
: $II=LL-RA.$

* 導程三是左腿（正極，LL）與左臂（LA）之間的電位差：

　
: $III=LL-LA.$

簡化的 ECG 裝置通常為中學教學工作等設計，僅有這三個導程。

### 單極導程和雙極導程

導程分為 2 種，單極導程和雙極導程。雙極導程有一個正極和一個負極，在 12 導程 ECG 中，肢體導程（ⅠⅡⅢ 導程）均為雙極導程。單極導程也有兩個電極，但是單極導程的負極是一個混合電極（威爾森中央電端），包含了許多來自其他電極的信號。在 12 導程 ECG 中，除肢體導程外的所有導程均為單極導程（aVR、aVL、aVF、V1、V2、V3、V4、V5 和 V6）。

_威爾森中央電端_ VW 是通過一個電阻網絡將 RA，LA，LL 電極連接而產生的，代表了身體的平均電壓，並且，這個電壓接近於極大值（即 0）:

　
: $V_{W}={\frac {1}{3}}(RA+LA+LL).$

### 加壓肢體導程

aVR, aVL 和 aVF 導程是_加壓肢體導程_。他們和 ⅠⅡⅢ 導程共用同樣的電極，但是通過不同的角度（或者叫向量）來觀察心臟，因為這些導程的負極被威爾森中央電端修正過。這樣可以使他們的負極被清零，並且使他們的正極成為「探查電極」。產生這樣一個結果的原因是，在艾因托文心電圖法則中規定：I + (−II) + III = 0。這個等式也可以寫作：I + III = II。這樣寫的原因是，艾因托文在艾因托文三角中把 Ⅱ 導程的兩個電極接反了，可能是因為他更想看到一個高聳漂亮的 QRS 波群。威爾森中央電端的發現為擴展肢體導程以及胸導程（V1, V2, V3, V4, V5 and V6）的發展鋪平了道路。

* **右上肢加壓單極肢體導程（aVR）：**正極（白色）位於右臂，負極是左臂電極（黑色）與左腿電極（紅色）的合成，可以增強（即加壓）右臂正極的信號強度：

　
: $aVR=RA-{\frac {1}{2}}(LA+LL).$

* **左上肢加壓單極肢體導程（aVL）：**正極（黑色）位於左臂，負極是右臂電極（白色）與左腿電極（紅色）的合成，可以增強左臂正極的信號強度：

　
: $aVL=LA-{\frac {1}{2}}(RA+LL).$

* **左下肢加壓單極肢體導程（aVF）：**正極（紅色）位於左腿，負極是右臂電極（白色）與左臂電極（黑色）的合成，可以增強左腿正極的信號強度：

　
: $aVF=LL-{\frac {1}{2}}(RA+LA).$

加壓肢體導程 aVR, aVL 和 aVF 通過這種方法被加強，因為當負極是威爾森中央電端時，單極導程的信號會非常的微弱（因為威爾森中央電端電壓很高）。單極加壓肢體導程 aVR, aVL 和 aVF 與 I, II 和 III 導程一起組成了六軸參照系統，用於計算額面心電軸的角度。aVR, aVL 和 aVF 導程也可以用 I, II 和 III 導程表示：

　
: ${\begin{aligned}aVR&=-{\frac {I+II}{2}}\\aVL&=I-{\frac {II}{2}}\\aVF&=II-{\frac {I}{2}}\end{aligned}}$

### 胸導程

胸導程（V1, V2, V3, V4, V5 和 V6）的電極直接放置與胸壁上。因為這些電極非常接近心臟，所以他們不需要加壓增強。這些導程以威爾森中央電端作為負極，所以被認為是單極導程（需要注意的是，威爾森中央電端是三個肢體導程電壓的平均值，它的電壓接近於整個身體的平均電壓）。胸導程從水平面觀察心臟的電活動。水平面上的心電軸被稱為 Z 軸。

## 波形和間期

在一個正常心動周期中，一個典型的 ECG 波形是由一個 P 波，一個 QRS 波群，一個 T 波，以及在 50%～75% 的 ECG 中可能見到的 U 波。心電圖的基線被稱為_等電勢線_。一般情況下，等電勢線在心電圖中是指 T 波後和 P 波前的那一段波形。

最早的時候發心電圖上一共有 4 個明顯的偏轉，但是後來的放大器引入了數學修正以後，一共有 5 個偏轉被發現。艾因托文用 P、Q、R、S、T 五個字母來命名這五種波，以取代早期發現的 A、B、C、D 四種波。

## 心電向量和視角

心電圖的解讀主要依據的原理是不同的導程（指 I,II,III, aVR, aVL, aVF 和胸導程）可以從不同的方向「觀察」心臟。
這有 2 個好處。一是，如果在某導程觀察到異常的心電圖圖像（比如 ST 段抬高等），我們就可以依據導程的方向來大致判斷出現異常的心肌的位置。二是，心電除極波的綜合方向也可以從不同導程的圖像上推斷出來，用以發現其他一些問題。心電除極波的綜合方向又叫做**心電軸**。心電軸由不同的除極向量綜合而成，這些向量表示了除極波的運動狀況。根據觀察導程的不同，這些向量可以被分解：一個分量與導程方向相同（或相反），這個方向的分量可以被顯示在該導程的 QRS 波群的活動中。而另一個分量與觀察導程方向呈 90° 夾角。那麼這個分量就不會顯示。在一個導程的 QRS 波群中任何方向的偏轉都代表了除極波在該導程的觀察方向上有一個分量存在。

### 心電軸

**心電軸**表示了心臟除極波的總體方向（或者叫心電綜合向量）在額面上的投影。在心電傳導系統正常的時候，心電軸方向和心臟中心肌細胞數量多的部位有關。正常狀況下，左心室的心肌細胞數量最多，右心室也有一些貢獻，所以心電軸的方向大致從右肩指向左腿。這個方向一般指向心電六軸參考系統的左下四分之一部分。與 Ⅰ 導程成 - 30° 到 + 90° 的心電軸也被認為是正常的。如果左心室活動增加或者心肌組織增多，心電軸會向左偏轉超過 - 30°，稱之為「電軸左偏」，相對應的，某些情況下右心室高負荷或者肥大，電軸向右偏轉超過 + 90°，稱為「電軸右偏」。即使心肌組織數量不出現變化，心臟傳導系統的紊亂也可以干擾心電軸的偏轉。

若右束支傳導阻滯已被診斷，那麼出現電軸的右偏或者左偏可能說明出現了雙支阻滯。

### 臨床導程組

ECG 中一共有 12 組導程，每一組導程都可以從不同角度記錄心臟的電活動，並且可以判斷急性心肌缺血或損傷的位置。2 組對應於相鄰解剖區域的導程被被稱為_相鄰導程組_（見圖表）。其意義在於可以判斷心電圖上的異常是代表真的疾病或者僅僅是偽象。

此外，任何相鄰的 2 個心前區導程均被認為是相鄰導程組。例如，儘管 V4 導程是一個前壁導程而 V5 導程是一個側壁導程，他們仍然是相鄰導程組。

aVR 導程並不用來觀察左心室。準確的說，它從右肩方向通過右心房表面觀察心內膜。

## 濾波器的選擇

現代的心電圖儀器為信號處理提供了多種濾波器以供選擇。最常見的兩種設置是監護模式以及診斷模式。在監護模式下，低頻濾波器（又叫做高通濾波器因為在閾值以上的頻率可以通過）被設定在 0.5Hz 或者 1Hz，高頻濾波器（又叫做低通濾波器）被設定在 40Hz。這樣設定可以減少例行心電節律檢測時的人為誤差。高通濾波器的主要作用是減少基線的偏移，而鋁箔紙用來減少電網頻率的干擾（不同國家的電網頻率不一致，在 50Hz 到 60Hz 之間）。在診斷模式中，高通濾波器設定在 0.05Hz，這可以使 ST 段被精確的記錄下來。低通濾波器被設定在 40Hz, 100Hz 或者 150Hz。通常情況下，監護模式下的 ECG 被過濾的更多，因為相對於診斷模式，其頻帶很窄。

## ECG 中常見的病理表現

## 心肌梗塞的判斷

當有心肌梗塞時，最明顯的症狀就是大 Q 波。正常情況下，導程 I,II,V5 和 V6 會有小 Q 波出現。而導程 AVR 因為它的位置，本來就會有一個大 Q 波，所以導程 AVR 不適合用來判斷心肌梗塞。當併合心肌缺血時，會有 T 波倒立的情況，且呈對稱型倒立。當併合心肌受傷時，會有 ST 節段上升的情況。

### 心肌梗塞的位置

當前壁心肌梗塞時，導程 V1,V2,V3 及 V4 會有大 Q 波。當側壁心肌梗塞時，導程 I 及 AVL 會有大 Q 波。
當後壁心肌梗塞時，導程 V1 及 V2 會有 "大 R 波"、ST 節段 "下降"，導程 V6 可能會有大 Q 波。當下壁 (橫膈膜壁) 心肌梗塞時，導程 II,III 及 AVF 會有大 Q 波。

### 當併合 L.B.B.B.(左束枝傳導阻滯) 發生時

當有 L.B.B.B. 時，因為左心室的去極化較右心室慢，故無法在心電圖上看見源自右心室的大 Q 波，亦即有大 Q 波出現時也不可靠，必須經由的檢查才能確認心肌梗塞。

## 心電圖的多相性

心電圖的多相性是指在心電圖中，一個波形和其相鄰的波形出現差異的現象。多相性可以通過計算多個電極所取得的心電圖波形的形態上的差異而得出結論。近年來研究指出，心電圖的多相性可能是危險的心律不整的前兆表現。

## 未來應用

在未來，可植入式的裝置可能會應用與多相性心電圖的記錄和診斷。這些裝置還有可能通過興奮某些神經（如，迷走神經）的方式來防止心律不整的發生。此外，這些裝置還可能釋放藥物，如 β 受體阻斷劑，甚至可以直接對心臟進行除顫。

## 心電圖儀器

心電圖儀器近年來在體積和大小上有所袖珍化。手提式的心電圖儀器售價約 800 美元一台。

## 參見

## 參考

## 外部連結

* Electrocardiogram, EKG, or ECG （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） – Explanation of what an ECG is, who needs one, what to expect during one, etc. Written by the National Heart Lung and Blood Institute（a division of the NIH）
* University of Maryland School of Medicine Emergency Medicine Interest Group （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） – Introduction to EKGs as written by a medical student and a cardiologist
* ECG in 100 steps: Slideshow
* ECG Lead Placement （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） – A teaching guide "designed for student nurses who know nothing at all about Cardiology"
* ECGpedia: Course for interpretation of ECG （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 12-lead ECG library （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Simulation tool to demonstrate and study the relation between the electric activity of the heart and the ECG （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Minnesota ECG Code （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* openECGproject - help develop an open ECG solution
* EKG Review: Arrhythmias – A guide to reading ECGs not written for a university biology (anatomy and physiology) course.