專利名稱：體表心臟動(dòng)作電位圖及其檢測(cè)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種心臟電生理學(xué)檢測(cè)技術(shù)及其設(shè)備的制造方法。
采用細(xì)胞內(nèi)電極技術(shù)可以得到單個(gè)心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位圖，它在心臟電生理學(xué)基礎(chǔ)研究方面起了重要作用，遺憾的是它不能直接應(yīng)用于臨床。心電圖是臨床廣泛應(yīng)用的無創(chuàng)的心臟電生理學(xué)檢測(cè)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的心向量圖、心室晚電位圖、頻譜心電圖等等，都是心電圖技術(shù)的發(fā)展和補(bǔ)充。然而這些方法都不能確切地反映心肌細(xì)胞實(shí)際動(dòng)作電位的變化，因此在臨床上用于檢測(cè)心肌細(xì)胞內(nèi)外離子轉(zhuǎn)運(yùn)過程方面還缺乏有效的方法和設(shè)備。
本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種無創(chuàng)的方法用于檢測(cè)心肌細(xì)胞離子轉(zhuǎn)運(yùn)的情況。
心肌的動(dòng)作電位包括去極化和復(fù)極化兩個(gè)過程，目前人為地分為五個(gè)時(shí)相0相為去極化期，1相為快速?gòu)?fù)極初期，2相為緩慢復(fù)極期，3相為快速?gòu)?fù)極末期，4相為靜息期。體表心臟動(dòng)作電位圖是通過采集體表的心電信號(hào)得到的、反映心室壁多層心肌細(xì)胞動(dòng)作電位綜合變化的圖形。其產(chǎn)生的原理基于如下幾個(gè)新發(fā)現(xiàn)1、鈉離子進(jìn)入心肌細(xì)胞的單向性心肌細(xì)胞有兩個(gè)側(cè)面，面對(duì)心腔的為內(nèi)側(cè)面，面對(duì)心包的為外側(cè)面，心室壁由多層細(xì)胞組成。正常心肌的除極是從內(nèi)側(cè)面開始的，內(nèi)側(cè)面的細(xì)胞外鈉離子首先進(jìn)入細(xì)胞，使細(xì)胞內(nèi)外鈉離子梯度減少，導(dǎo)致外側(cè)面的鈉離子沒有機(jī)會(huì)進(jìn)入心腔側(cè)的細(xì)胞，因此在去極化的過程中鈉離子總是從心肌細(xì)胞的內(nèi)側(cè)進(jìn)入細(xì)胞，這種性質(zhì)稱為鈉離子進(jìn)入心肌細(xì)胞的單向性，它是產(chǎn)生動(dòng)作電位0相正向曲線的基礎(chǔ)，利用它可以通過體表電極測(cè)量心肌細(xì)胞去極化時(shí)鈉離子由心腔內(nèi)側(cè)向外側(cè)定向移動(dòng)的速度和量。
2、去極化后鉀離子向細(xì)胞外快速釋放的不均一性心肌細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度約為細(xì)胞外濃度的35倍，由于細(xì)胞內(nèi)側(cè)面先去極化，去極化后細(xì)胞內(nèi)鉀離子首先向細(xì)胞內(nèi)側(cè)面釋放，待整個(gè)細(xì)胞除極完畢后才向細(xì)胞兩側(cè)同時(shí)釋放，使得鉀離子向細(xì)胞內(nèi)側(cè)面的釋放量多于外側(cè)面，因此可以在體表測(cè)量到動(dòng)作電位1相鉀離子向細(xì)胞內(nèi)側(cè)面釋放的短暫的負(fù)向電信號(hào)。
3、鈣離子進(jìn)入細(xì)胞和進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的雙向性與鈉離子泵出細(xì)胞的雙向性
雖然細(xì)胞外鈣離子濃度為細(xì)胞內(nèi)液的20000倍，但心肌細(xì)胞收縮所需的鈣是在動(dòng)作電位的1相由肌漿網(wǎng)釋放的，鈉離子的進(jìn)入與鈣離子的釋放激活了鈣泵和鈉泵，在動(dòng)作電位的2相出現(xiàn)了鈣離子向肌漿網(wǎng)內(nèi)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、鈉離子向細(xì)胞外主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)以及細(xì)胞外少量鈣離子通過慢通道進(jìn)入細(xì)胞，與此同時(shí)心肌收縮，細(xì)胞內(nèi)ATP被大量消耗。在此期中鈣、鈉離子向細(xì)胞兩側(cè)雙向出入，其動(dòng)作電位曲線為一平臺(tái)。
4、鉀離子向細(xì)胞內(nèi)的被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)心肌細(xì)胞膜對(duì)鉀離子是自由通透的，去極化使心肌細(xì)胞在短時(shí)間內(nèi)幾乎同時(shí)向狹小的細(xì)胞間質(zhì)釋放了大量鉀離子，使細(xì)胞間質(zhì)鉀離子濃度驟然增高，而在動(dòng)作電位的2相，細(xì)胞內(nèi)大量的ATP被心肌收縮做功所消耗，況且細(xì)胞膜上沒有專門的鉀泵，盡管鈉泵每泵出3個(gè)鈉離子可換回兩個(gè)鉀離子，但是由于去極化時(shí)進(jìn)入細(xì)胞的鈉離子有限，出細(xì)胞的鉀離子相對(duì)較多(細(xì)胞膜鈉離子內(nèi)外濃度比約為1∶5，而鉀離子濃度比為1∶35)，因此鉀離子向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)主要靠被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)完成，其轉(zhuǎn)運(yùn)過程如下在動(dòng)作電位的2相細(xì)胞內(nèi)肌漿網(wǎng)釋放的鈣離子被迅速泵入肌漿網(wǎng)內(nèi)，進(jìn)入細(xì)胞的鈉離子也被迅速泵出細(xì)胞外，使細(xì)胞漿出現(xiàn)超負(fù)電位，在超負(fù)電位的作用下大部分鉀離子被轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)。另外一部分鉀離子是通過胰島素受體與葡萄糖結(jié)合為一體，由于細(xì)胞內(nèi)外葡萄糖的濃度差大于鉀離子的濃度差，于是在葡萄糖順濃度差進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的同時(shí)鉀離子也被逆濃度差轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)。因此，鉀離子向細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)移借助了鈉泵、鈣泵和葡萄糖的濃度梯度以及胰島素的參與，它主要發(fā)生在動(dòng)作電位的2、3相。
5、心肌復(fù)極化的方向性心室壁心肌纖維的排列大致可分為內(nèi)縱、中環(huán)和外斜三層。心肌纖維的收縮是由內(nèi)向外順序完成的，而舒張則是由外向內(nèi)順序進(jìn)行的。心肌纖維的復(fù)極化速度與心肌細(xì)胞內(nèi)ATP產(chǎn)生的總量和速度呈正相關(guān)。由于冠狀動(dòng)脈供血特點(diǎn)，使得外層心肌較內(nèi)層供血豐富，故外層心肌首先復(fù)極化，鉀離子首先被轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)，由此造成心室壁內(nèi)外層之間的細(xì)胞外液出現(xiàn)了鉀離子濃度差，使內(nèi)層細(xì)胞外液鉀離子向外側(cè)擴(kuò)散，這個(gè)過程發(fā)生在動(dòng)作電位的3相，在動(dòng)作電位曲線上出現(xiàn)一個(gè)正向曲線。
6、心室壁內(nèi)外層細(xì)胞內(nèi)鉀離子向細(xì)胞外滲透的時(shí)間差靜息電位的形成是鉀離子順其電化學(xué)梯度外向擴(kuò)散所導(dǎo)致，它發(fā)生在動(dòng)作電位的4相，由于心室壁外層細(xì)胞先復(fù)極化，其鉀離子釋放的量和速度高于內(nèi)層細(xì)胞，形成了與動(dòng)作電位3相時(shí)相反的鉀離子濃度差，此時(shí)在動(dòng)作電位曲線上出現(xiàn)一個(gè)負(fù)向曲線。
本發(fā)明基于以上六個(gè)新發(fā)現(xiàn)提出一種新的設(shè)計(jì)方案，以獲得體表心臟動(dòng)作電位圖，其步驟如下1、利用目前常規(guī)的方法采集人體體表的心電圖信號(hào)并加以放大1000倍；2、將采集的體表心電圖信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，轉(zhuǎn)換頻率不小于200次/秒；3、利用計(jì)算機(jī)技術(shù)找倒一組完整的心電周期心電信號(hào)的中值，并將每一數(shù)據(jù)與中值相減后得到一組新的數(shù)據(jù)；4、將得到的一組新數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，便產(chǎn)生一組體表心臟動(dòng)作電位圖的數(shù)據(jù)；5、以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以體表心臟動(dòng)作電位圖的數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)作圖便可得到體表心臟動(dòng)作電位圖。
用以上方法獲得的體表心臟動(dòng)作電位圖本質(zhì)上是心電圖的積分形式。完整的心電信號(hào)包括兩種成分，即共模信號(hào)和差模信號(hào)，它們均屬于生理信號(hào)。差分放大過程濾掉了生理性共模信號(hào)，因此常規(guī)心電圖本質(zhì)上是心電圖的差分形式，它反映心肌運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的電流變化，而心電圖的積分形式反映了電壓(電位)的變化。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過無創(chuàng)的方法獲得心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位圖，較細(xì)胞內(nèi)電極技術(shù)更適合于臨床應(yīng)用；與心電圖技術(shù)相比更能夠敏感地反映心肌細(xì)胞離子轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝的過程。
體表心臟動(dòng)作電位圖不能取代常規(guī)心電圖技術(shù)，它是心電圖技術(shù)的補(bǔ)充和發(fā)展。附圖
A曲線是利用本發(fā)明獲得的一正常人體的體表心臟動(dòng)作電位圖，它包括0、1、2、3、4共五個(gè)時(shí)相，其特征是3相電位一般高于或等于0相和1相，它反映鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)的速度和量；B曲線是一冠心病患者的體表心臟動(dòng)作電位圖，其3相電位明顯低于0相和1相；二者比較差異十分顯著，表明心肌缺血主要影響動(dòng)作電位3相鉀離子向細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)。
體表心臟動(dòng)作電位圖主要用于冠心病的早期診斷。
自人類社會(huì)進(jìn)入20世紀(jì)以來，隨著大工業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，國(guó)家與國(guó)家、人與人之間的交往日益頻繁。在此基礎(chǔ)上，流感病毒也隨著飛機(jī)、輪船、火車和汽車在國(guó)家與國(guó)家、人與人之間進(jìn)行著頻繁的傳播。但是誰(shuí)也沒有想到正是隨著流感病毒周而復(fù)始的傳播，冠心病、高血壓病、糖尿病、高脂蛋白血癥、肥胖癥以及連同它們的合并癥悄悄地并幾乎同時(shí)在發(fā)達(dá)國(guó)家中蔓延開來。尤其是近半個(gè)世紀(jì)以來，這些疾病的發(fā)病率呈逐年上升趨勢(shì)，每年造成全世界幾千萬(wàn)人死亡或喪失勞動(dòng)能力，被人們稱為“20世紀(jì)的疾病”。面對(duì)如此猖狂的疾病，人們顯得束手無策。其根本原因是沒有找到這些疾病的發(fā)病機(jī)理。
流感病毒與“20世紀(jì)的疾病”究竟是什么關(guān)系，目前還沒有這方面的報(bào)導(dǎo)。表面上看起來二者沒有什么直接關(guān)系，而事實(shí)上流感病毒卻是罪魁禍?zhǔn)?！流感病毒的廣泛流行導(dǎo)致冠心病、高血壓病、糖尿病、高脂蛋白血癥、肥胖癥的機(jī)理可以概括如下流感病毒的抗原成分包括核心抗原和表面抗原兩部分，感染人體后核心抗原并不進(jìn)入血液循環(huán)，只侵入上呼吸道粘膜并在粘膜內(nèi)繁殖，一般情況下機(jī)體不對(duì)它產(chǎn)生免疫反應(yīng)，而它的表面抗原神經(jīng)氨酸酶和凝血素原可以透過血管壁大量進(jìn)入血液循環(huán)，促使機(jī)體產(chǎn)生相應(yīng)抗體。由于這種抗體并不能阻止流感病毒侵入上呼吸道粘膜，因此人體缺乏對(duì)流感病毒的有效免疫力，并可反復(fù)遭受流感病毒的侵襲。每一次流感病毒侵襲都會(huì)使循環(huán)血液中的與流感病毒相關(guān)的抗原抗體復(fù)合物濃度大幅度增加，這些復(fù)合物不能透過血管壁排出體外，只能沉積在血管內(nèi)壁，久而久之便形成了動(dòng)脈粥樣硬化，冠狀動(dòng)脈則是最易形成粥樣硬化的部位之一。由于動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生的速度和其嚴(yán)重程度與流感病毒侵襲的頻率和累積次數(shù)成正比，因而冠心病、高血壓病、糖尿病、高脂血癥和肥胖癥(20世紀(jì)的疾病)的發(fā)病率往往顯示出在空間分布上城市高于農(nóng)村、流動(dòng)人口較多的發(fā)達(dá)國(guó)家高于偏僻的封閉式國(guó)家；在時(shí)間分布上老年人高于青年人，20世紀(jì)高于19世紀(jì)；在職業(yè)分布上腦力勞動(dòng)者高于體力勞動(dòng)者。它們的家族聚集現(xiàn)象盡管大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為與遺傳有關(guān)，但事實(shí)上傳染性疾病也有家族聚集現(xiàn)象，并非是遺傳性疾病所獨(dú)具的特征，況且遺傳性疾病一般不存在城鄉(xiāng)差別、職業(yè)差別以及明顯的時(shí)代性。
冠狀動(dòng)脈粥樣硬化引起的血流動(dòng)力血改變可以導(dǎo)致高血壓，其機(jī)制如下冠狀動(dòng)脈粥樣硬化造成冠狀動(dòng)脈狹窄和彈性減退，由于冠狀動(dòng)脈有強(qiáng)大的代償功能，在疾病的早期并不出現(xiàn)心肌缺血。冠狀動(dòng)脈的代償功能包括兩個(gè)方面，血管擴(kuò)張功能和灌注壓增高的功能。冠狀動(dòng)脈粥樣硬化使冠狀動(dòng)脈血管擴(kuò)張功能下降，當(dāng)心肌需氧量增高時(shí)只能通過提高冠狀動(dòng)脈的灌注壓來滿足冠狀動(dòng)脈的血液供應(yīng)。這種高血壓的特點(diǎn)是舒張壓緩慢的進(jìn)行性的增高，不伴有血漿腎上腺素和去甲腎上腺素的增高，也不伴有腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)的原發(fā)性改變，而是有著特殊的機(jī)制，這種機(jī)制稱為心臟-脊髓-血管反射。
在心肌細(xì)胞之間分布著大量的內(nèi)臟感覺神經(jīng)末梢，其神經(jīng)元胞體位于胸1至胸5節(jié)段脊髓后角，它們對(duì)心肌細(xì)胞間液中鉀離子濃度變化最為敏感。當(dāng)心肌缺血時(shí)由于鉀離子向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)障礙，造成舒張期細(xì)胞間液鉀離子濃度增高，心臟感覺神經(jīng)末梢傳入沖動(dòng)增加，進(jìn)而引起脊髓交感神經(jīng)傳出沖動(dòng)增加，使舒張期外周小動(dòng)脈收縮增強(qiáng)，出現(xiàn)舒張期高血壓，這個(gè)過程稱為心臟-脊髓-血管反射；這種高血壓稱為心臟源性高血壓。
冠狀動(dòng)脈粥樣硬化引起的代謝的改變可以引起高血糖、高血脂和肥胖，其機(jī)制如下心肌缺血造成的心肌細(xì)胞間液鉀離子濃度增高以及產(chǎn)生的高血壓可以通過迷走神經(jīng)的傳入纖維使腦干迷走神經(jīng)中樞興奮。迷走神經(jīng)興奮可以使胰島素釋放增加，促進(jìn)鉀離子向心肌細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)也促進(jìn)脂肪合成，由此產(chǎn)生了高脂血癥、肥胖和高胰島素血癥。這種高胰島素血癥不會(huì)引起低血糖，這是因?yàn)樵诿宰呱窠?jīng)興奮性增高的同時(shí)脊髓交感神經(jīng)的興奮性也增高，它可以促進(jìn)胰高血糖素的釋放，這兩種激素相互對(duì)抗使血糖出現(xiàn)不穩(wěn)定，這種狀態(tài)稱為胰島素抵抗。胰島素抵抗使胰島素的分泌呈耗竭狀態(tài)，造成糖耐量減低；迷走神經(jīng)與交感神經(jīng)同時(shí)興奮使胃腸消化吸收功能和全身代謝功能大大增加，造成食欲旺盛。糖耐量的減低與過多飲食的攝入引起高血糖。這種高血糖稱為心臟源性高血糖。
綜上所述，流感病毒的廣泛傳播是動(dòng)脈粥樣硬化產(chǎn)生的主要原因，冠狀動(dòng)脈粥樣硬化是造成高血壓、高血糖、高血脂和肥胖的重要原因。因此，要想從根本上征服“20世紀(jì)的疾病”就必須制止流感病毒的傳播，這需要全世界人們的共同行動(dòng)和長(zhǎng)期的努力。對(duì)冠心病患者做到早期診斷，以便早期治療和防止病情進(jìn)一步發(fā)展具有重要的臨床意義選擇性冠狀動(dòng)脈造影雖有可能早期發(fā)現(xiàn)冠心病的存在，但不適合于大規(guī)模人群普查。因此，冠心病的早期診斷問題是一個(gè)舉世矚目難題。解決這一難題的關(guān)鍵并不單純是一個(gè)技術(shù)問題，更重要的是思維方法問題。
一個(gè)需要人們重新考慮的問題是血壓的增高、血糖的增高、血脂的增高或體重的增高等，這些物理量或化學(xué)量的增加能否作為一種獨(dú)立的疾病來對(duì)待呢？答案似乎是不可以的。也許在這個(gè)問題上人們犯了一個(gè)主觀主義的錯(cuò)誤，習(xí)慣性地把冠心病、高血壓病、糖尿病、高脂血癥、肥胖癥等并列起來對(duì)待，分別研究其病因和發(fā)病機(jī)理，并且又產(chǎn)生了許多分支學(xué)科，結(jié)果使簡(jiǎn)單的問題人為地復(fù)雜化了，使它們的病因和發(fā)病機(jī)理頭緒繁多無法弄清，最后只得勉強(qiáng)歸咎于遺傳基因的異常。事實(shí)上這些不明原因的高血壓、高血糖、高血脂和肥胖都是冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的早期的臨床表現(xiàn)！根據(jù)這些臨床表現(xiàn)就可以對(duì)冠心病作出初步的早期診斷。
體表心臟動(dòng)作電位圖能夠比較敏感地反應(yīng)心肌細(xì)胞鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)的情況，因而有助于冠心病的早期診斷。冠心病是引起猝死的主要原因，頻發(fā)的室性早搏也是冠心病常見的心電圖表現(xiàn)，其發(fā)生機(jī)理是由于心肌缺血導(dǎo)致鉀離子向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)障礙、造成細(xì)胞間質(zhì)鉀離子潴留，心肌細(xì)胞興奮閥降低引起室顫和室性心律失常。因此對(duì)冠心病患者進(jìn)行體表心臟動(dòng)作電位圖檢查具有十分重要的臨床意義。
本發(fā)明對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的貢獻(xiàn)不僅是為臨床提供了一種新的無創(chuàng)檢測(cè)手段，更重要的是闡明了心肌細(xì)胞興奮收縮偶聯(lián)的機(jī)制、闡明了動(dòng)脈粥樣硬化的病因和發(fā)病機(jī)理、闡明了冠心病與高血壓、高血糖、高血脂和肥胖的相互關(guān)系，為人類最終征服冠心病指明了方向。
權(quán)利要求
1.一種通過采集人體體表心電圖信號(hào)獲得心臟動(dòng)作電位圖的方法，其特征是將體表心電圖信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，得到一組新的數(shù)據(jù)，并將其用圖形的方式表現(xiàn)出來；
2.權(quán)利要求1所提到的對(duì)體表心電圖信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分的方法，其特征是針對(duì)某一組數(shù)據(jù)首先計(jì)算出該組數(shù)據(jù)的中值，將該組的每個(gè)數(shù)據(jù)與中值相減，得到一組新的數(shù)據(jù)，將這組新的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，便可得到人體體表電信號(hào)的積分?jǐn)?shù)據(jù)。
3.權(quán)利要求1所提到的一種圖形，其特征是反映心室壁內(nèi)外兩側(cè)電壓變化的圖形，它與采用細(xì)胞內(nèi)電極技術(shù)檢測(cè)到的心肌細(xì)胞動(dòng)作電位圖相似，也分為0、1、2、3、4五個(gè)時(shí)相。
全文摘要
體表心臟動(dòng)作電位圖是心臟電生理學(xué)的一種檢測(cè)方法,它用于冠心病的早期診斷。與心電圖相比,它更能夠敏感地反應(yīng)心肌細(xì)胞鉀離子代謝的情況。本發(fā)明不僅是為臨床提供了一種新的無創(chuàng)檢測(cè)手段,更重要的是闡明了心肌細(xì)胞興奮收縮偶聯(lián)的機(jī)制、闡明了動(dòng)脈粥樣硬化的病因和發(fā)病機(jī)理、闡明了冠心病與高血壓、高血糖、高血脂和肥胖的相互關(guān)系,為人類最終征服冠心病指明了方向。
文檔編號(hào)A61B5/02GK1171920SQ9711674
公開日1998年2月4日 申請(qǐng)日期1997年8月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月13日
發(fā)明者張建忠 申請(qǐng)人:張建忠