血流及心电医学

血流及心电系统 主要内容： n 1 心脏与血液循环系统 n 2 血流力学 n 3 动脉中的血流 n 4 心脏的心电过程 n 5 体表心电理论基础 第 1节心脏与血液循环系统 机体需要一个运输系统 1、运送并分配 O2、营养物质、激素等至各器官、组 织 2、收集并运送组织代谢产物至肺、排泄器官 3、非运输功能：内分泌、免疫、调节体温等 循环系统循环系统 功能：功能： 循环系统组成循环系统组成 心血管系统心血管系统 心脏心脏 动脉动脉 毛细血管毛细血管 静脉静脉 淋巴管系统淋巴管系统 毛细淋巴管毛细淋巴管 淋巴管淋巴管 淋巴导管淋巴导管 组织液组织液 心会跳是因为窦房结有自律细胞 ,它会自发的发出神经冲动 ,通过特殊的传导途径 传递给心房和心室细胞 ,引起它们的收缩和舒张 ,引发射血 .它是不受主观意识控制 的 .除窦房结以外 ,还有一些细胞也有自律性 ,但没有它强 ,所以心跳一般是由窦房结 的节律决定 ,受它影响，常人 75次 /分 n 血液循环 是指血液在心脏泵血的 作用下在血管内定向的周而复始 的流动。 n 体循环 是机体进行组织换气、物 质交换的过程 n 肺循环 是机体进行肺换气的过程 n 体循环 是血液由左心室射入主动 脉进入及其分支流经毛细血管时 血液与组织之间的物质交换，然 后进入静脉血管及其属支最后经 上下腔静脉和冠状窦口汇合到右 心房 。 体循环 ： 左心室 主动脉 各级动脉 全身毛细血管 各级静脉 上下腔静脉 右心房 肺循环 ： （左心房 2300时将发生湍流。 流场显示 阻力测量 热线测速 湍流内部的交换过程（物质输运、动量交换等） 要比层流剧烈得多；除了分子运动引起的粘性应 力外，还有湍流脉动引起的 Reynolds应力。因此 ，在同样的流量下，湍流的阻力远大于层流。 在正常生理范围内，生理流动大部分为层流。只 有在心脏射血时，在主动脉瓣口的雷诺数峰值达 5000 12000（平均雷诺数 3600 5800）。然而， 只有在射血峰期可以观测到湍流斑，没有观测到 持续的测量。 但是在病理条件下，在呼吸道和主动脉里都可以 观测到湍流。 人工心瓣后的流动就是湍流 。 流体力学的基本方程 n 连续性方程 在 t 时间内沿 x方向净流出控制体（流出质量减去流入质量）的质量为 按质量守恒定律，在时间 t内沿三个方向净流出控制体的总质量应等于控制体 内减少的质量 利用质点导数概念，可改写为 连续性方程 n 动量方程 n 单位体积流体元 上的体积力及三 个方向的表面应 力梯度造成了单 位体积流体元的 加速度 n 纳维 -斯托克斯（ N-S）方程 矢量式为 物理意义是：惯性力与体积力、压力、粘性力平衡 首先，必须对流体作几个假设。第一个是流体是连续的。这强调它不包含形 成内部的空隙，例如，溶解的气体的气泡，而且它不包含雾状粒子的聚合。 另一个必要的假设是所有涉及到的场，全部是可微的，例如压强，速度，密 度，温度，等等。该方程从质量，动量，和能量的守恒的基本原理导出。 第 4节 心脏的心电过程 n 心肌细胞： n 构成心房和心室壁的普通心肌细胞 工作细胞 (执行收 缩功能 ) n 特殊分化的心肌细胞，组成心脏的特殊传导系统 自律 细胞 n 特殊传导系统包括： n 窦房结 n 房室交界 n 房室束 n 末梢浦肯野纤维网 右心： 泵血入肺循环； 左心： 泵血入体循环。 心肌的生理特性 心肌具有自动节律性、传导性、兴 奋性和收缩性。前三种特性都是以肌 膜的生物电活动为基础，故又称为电 生理特性。心肌的收缩性是指心肌能 够在肌膜动作电位触发下产生收缩反 应的特性，是心肌的一种机械特性。 (一 )自动节律性 : 自动节律性是指心 肌在不受外来刺激的情况下，能自动 地产生兴奋和收缩的特性。 窦性心律 ，窦性心动徐缓， 窦 性心动过速。 (二 )传导性 : 心肌细胞有传导兴奋的 能力称为传导性，心脏的传导系统和 心肌纤维均有传导性，但因房室间心 肌细胞不相连，所以房室之间兴奋的 传导要靠心脏特殊传导系统传递。心 脏的特殊传导系统包括 窦 房结、结间 束、房室结、房室柬 (房结区、结区、 结束区 )和与普通心肌细胞相连的浦肯 野氏纤维。 传导过程 窦 房 结 结间束 房间束 （优势传导通路） 房室交界 心房肌 房室束 左 、 右束支 浦肯野纤维 心室肌 (三 )兴奋性 : 心肌细胞具有对刺激产生反 应的能力，即具有兴奋性。与神经或骨 骼肌一样，心肌细胞每产生一次扩布性 兴奋之后，兴奋性总要经历有效不应期 、相对不应期和超常期，然后才恢复到 正常这样一段周期性变化。 期前收缩： 心 脏受到窦性节律之外的刺激，产生的收缩在 窦性节律收缩之前 ,称为期前收缩。 代偿间 歇： 一次期前收缩之后所出现的一段较长的 舒张期称为代偿性间歇。因窦性节律的兴奋 是规律下传的，当窦性兴奋落在期前收缩的 有效不应期内 ,就不能引起心室的兴奋和收缩 ,而出现一次窦律 “脱失 ”，需等待下次窦律刺 激引起兴奋才产生收缩，此等待期间为代偿 性间歇。 心肌细胞的跨膜电 位 n 心肌细胞的跨膜电位产生的机制与神经和 骨骼肌细胞相似，都是由跨膜离子流形成 的 心室肌细胞安静时，细胞膜处于外正内负的极化 状态。静息电位约 -90毫伏。心室肌细胞静息电位 产生的原理基本上和神经纤维相同，主要是由于 安静时细胞内高浓度的 K+向膜外扩散而造成。 n 心肌细胞的跨膜电位的产生涉及多种离子 通道，其波形和机制比神经细胞和骨骼肌 要复杂的多 心肌兴奋后的有效不应期特别长，一直延长到心肌机械收缩的舒张开始以后。也就是说， 在整个心脏收缩期内，任何强度的刺激都不能使心肌产生扩布性兴奋。心肌的这一特性具 有重要意义，它使心肌在自律性兴奋来临时，不能产生象骨骼肌那样的强直收缩，从而始 终保持着收缩与舒张交替的节律性活动，这样心脏的充盈和射血才可能进行。 其动作电位与神经纤维相比较有很大差别，表现为复极化过程有明显特征。 通常将全过程分为 0、 1、 2、 3、 4期。 （ 1）去极化过程（ 0期）：去极化过程形成动作电位的上升支（ 0期），其形成 机制亦与神经纤维相同。此期电位变化幅度约 120mV，持续时间 1 2ms. （ 2）复极化过程：该过程形成动作电位下降支，分为四期。 1期（快速复极初期）：心室肌细胞去极达顶峰后立即开始复极，膜内电位迅速 下降到 0mV左右，形成 1期，占时约 10ms.K+外流是 1期快速复极的主要原因。 2期（缓慢复极期）：此期复极非常缓慢，膜内电位下降速度极慢，停滞在 0mV 左右，形成平台状，故 2期又称平台期，历时约 100 150ms.该期是心室肌细胞 动作电位区别于神经纤维和骨骼肌的主要特征，也是动作电位持续时间较长，有 效不应期特别长的原因。形成的机制是本期内有 Ca2+内流和 K+外流同时存在，缓 慢持久的 Ca2+内流抵消了 K+外流，致使膜电位保持在 0mV附近。 3期（快速复极末期）：此期膜内电位迅速下降到静息电位水平（ -90mV），形 成 3期，以完成复极化过程，历时约 100 150ms.K+快速外流是 3期快速复极的原 因。 4期（静息期）：此期膜电位虽已恢复到静息电位水平，但在动作电位形成过程 中，膜内 Na+、 Ca2+增多，膜外 K+增多，致使膜内外的这几种离子浓度有所改变 。本期内，细胞膜离子泵积极地进行着逆浓度梯度转运，把 Na+和 Ca2+排到细胞 外，同时将 K+摄回细胞内，以恢复细胞内外离子的正常浓度，保持心肌细胞的正 常兴奋能力。 n 定义 ：测量电极放置在心脏或人体 表面的一定部位，用心电图机记录 出来的心脏电位变化的连续曲线， 即为心电图 n 心电图反应心肌的兴奋性、自律性 和传导性，而与心脏的机械收缩活 动无直接关系。 n 心电图描记方法在体表任何两处安放电极板，用 导线接到心电图机的正负两极，即形成导联，可 借以记录人体两处的心电电位差。常规用 12个导 联。 n 标准导联又称双极导联 ,由 W.爱因托芬于 1905 1906年首创，在三个肢体上安置电极，并假设这 三点在同一平面上形成一个等边三角形，而心脏 产生的综合电力是一个位于此等边三角形中心的 电偶。 n 单极肢导是威尔逊于 1930 1940年代所创，即把 三个肢体互相连通构成中心电端，在肢体通向中 心电端间加一个 5000的电阻，中心电端电位接 近于零，因此被看作无干电极，探查电极分别置 各肢体形成单极肢导。但由于所描记波幅太小， 故戈德伯格又将其改良成加压单极肢体导联 ,即描 记某一肢体的单极导联心电图时，将该肢体与中 心电端的连接截断，这样其电压高出 50。威尔 逊所创单极心前导联是将中心电端与电流计的阴 极相连，探查电极置胸前各位置。 n 心电图记录为印有间距 1mm的纵横细线的小方 格 ;其横向距离代表时间，一般记录纸速为每秒 25mm，故每小格为 0.04秒 ,纵向距离代表电压 。常规投照标准电压 1mV=10mm(图 10)特殊需 要时纸速可调至每秒 50、 100或 200mm。电压 1mV=20或 5mm。 正常时，每次心动周期在心电图上都可以出现 P波、 QRS波群、 T波和 U波、 P-R段、 S-T段和 T-P段， P-R间 期和 Q-T间期及 J点 P波 ：反映左、右心房去极化过程中的电位 和时间变化。 P-R段 ：反映兴奋通过房室交界区，因其传 导非常缓慢，形成的电位变化也很微弱， 一般记录不出来而成等电位线。 QRS波群 ：反映左、右心室去极化过程中 的电位和时间变化。 S-T段 ：表示心室去极刚结束后尚处于缓慢 复极的一段短暂时间，即代表心室早期复 极的电位和时间变化。 T波 ：反映心室晚期复极过程中的电位和时 间改变。 U波 ：一般认为是心肌传导纤维的复极所 造成，也有人认为是心室的后电位。 心电图与心肌细胞动作电位的关系 心肌 细胞生物电变化是心电图产生的根源 。 n 心电图与单个心肌细胞的动作电位波形上 有很大的差别，因为单个细胞的电变化是 采用细胞内记录法所记录到细胞膜两侧的 电位变化，而心电图的纪录方法则为细胞 外记录法，只能测出已兴奋部位和未兴奋 部位膜外两点的电位差。 n 心电图反映的是整个心脏的生物电变化， 心电图上每一瞬间电位数值都是很多心肌 细胞膜外电位变化在体表的综合反映。 n 由于记录电极在心电电场中的位置和距心 脏的远近不同，所记录到的波形也不同。 心电图的临床应用 n （ 1）有决定性价值 n 心律紊乱（包括传导阻滞及复杂的心律失 常）为最精确的诊断方法，尤其对临床上不 能确定的心律失常更具有实际意义。 n 确诊心肌梗塞，除确诊有无心肌梗塞外， 更可用于了解病变的部位、范围及其演变的 过程。 n 进行心脏手术与心导管检查时，应用心电 图作为示警器，以及时了解心律失常与心肌 受累的情况，藉以指导手术的进行并可提示 必要的药物处理。 （ 2）有很大的帮助 n 于心肌病变（心肌炎、心肌病）、慢性 冠状动脉机能不全等情况，可以了解心肌 损害情况。 n 提示心房、心室有无肥大，从而协助各 种心脏病的临床诊断。 n 观察心脏病药物（如洋地黄，奎尼丁） 或对心肌有损害的药物（如酒石酸锑钾、 吐根碱）在用药过程中对心脏的不良反应 。 n 血液中电解质紊乱，如血钙过低，血钙 过高，血钾过低，血钾过高，尤以后二者 有较大的帮助。 n 心包炎及心包积液的诊断。 n 急性及慢性肺源性心脏病的诊断。 对心电图检查的评价 n 1.心电图正常绝不能排除心脏病，如较轻微 的瓣膜病或双心室肥大时心电图可以正常 ；亦不能由于心电图有些不正常之处而肯 定其患有心脏病，如预激综合征，右束支 传导阻滞的改变可以见于正常人。 n 2.心电图的正常范围较大，多数值的判定标 准，也不是绝对的，应避免将一些正常变 异误认为不正常，甚而做出心脏病之诊断 ，而造成不应有的医源性错误，如 T波的改 变就很不稳定。 n 3.心电图的某些改变并不具有特异性， 同样的心电图改变可见于多种心脏病， 如右室肥厚，即可见于肺源性心脏病， 先天性心脏病，也可见于风湿性心脏病 ； T波改变可见于心肌缺血、心肌炎， 也可见于药物作用及电解质紊乱 故对其 判断必须结合临床资料才能作出较恰当 的结论 n 4.心电图对于心脏的收缩功能的估计与 瓣膜损害情况的反映无帮助。因而不能 作为心脏功能的判断依据。 第 5节 体表心电理论基础 n 人体的体液中含有电解质，具有导电性能 ，因此人体也是一种容积导体，这样在人 体内及体表均有电流自心电偶的正极流入 负极，形成一个 心电场 。可通过心电偶中 心的垂直于电偶轴的零电位面把心电场分 为正、负电位区。心电场在人体表面分布 的电位就是 体表电位 。心电图机将此体表 电位的电信号放大及按心脏激动的时间顺 序记录下来，即为心电图。 心肌细胞除极与复极过程在临床心电图上通常用 电偶学说 来说明。由两个电 量相等，距离很近的正负电荷所组成的一个总体，称为 电偶 。正电荷称做电 偶的电源，负电荷称为电偶的电穴，其连线称为电偶轴，电偶轴的方向是由 电穴指向电源，两极间连线的中点称为电偶中心。 电位在容积导电体内的正负电场示意图 在容积导体中各处都有强弱不同的电流在流动着，因而导体中 各点存在着不同的电位差，通过电偶中心可作一垂直平面，因 面上各点与正负两极距离相等，故在此平面上各点的电位均等 于零，称为 电偶电场的零电位面 ，零电位面把电偶的电场分为 正、负两个半区。 n 心肌细胞在除极和复极的过程中形成的心电 位既有数量大小，又有方向性，称为 心电向 量 n 心电向量可用箭矢来表示，箭杆的长度表示 向量的大小，箭头表示向量的方向（电源） ，箭尾表示电穴。因为心肌的除极是从心内 膜面开始指向心外膜面，所以向量的方向是 电源在前（箭头），电穴在后（箭尾）。复 极时，因为先除极的部位先复极，所以电穴 在前电源在后。而心肌复极从心外膜开始， 指向心内膜，因此复极向量与除极一致。 n 一片心肌是由多个心肌细胞所组成，除极与复极 时会产生很多个电偶向量，把它们叠加在一起成 为一个电偶向量，这就是 综合心电向量 n 在心电活动周期中，各部心肌除极与复极有一定 的顺序，每一瞬间均有不同部位的心肌的心电活 动，例如：心室除极时 0.01s， 0.02s 0.08s的心 电向量 在某一瞬间又有众多的心肌细胞产生方 向不尽相同的电偶向量，把这些电偶向量按平行 四边形法依次加以综合，这个最后综合而成的向 量称为 瞬间综合心电向量 。 n 心脏是立体器官，它产生的瞬间向量在空间朝向 四面八方，把一瞬间综合心电向量的尖端构成一 点，则在整个心电周期中随着时间的推移，把移 动的各点连接起来的环形轨迹就构成 空间心电向 量环 即 空间向量心电图 。 n 心脏电活动是诊断心脏疾病的重要指征， 也是研究生物电活动的典型对象，二十年 来对心电活动的建模与仿真研究一直是生 物医学领域中建模与仿真工作的经典课题 。 n 心电模型 n 电磁场模型与电生理模型 n 正问题模型与逆问题模型 n 源场模型与节律模型 心电场理论 电磁场模型 心电场的基本方程为 式中 ,r是躯干容积导体内的任意场点 ;r是源点 ;M是该场点的电导率 ;H代 表心脏区域 ;sl是躯干内电导率不连续的封闭界面 ,例如肺表面、心腔血液 表面、胸腔肌肉层表面、皮下脂肪层表面等 ,它们是分片均匀、各向同性 的 ,且其内外电导率分别为 -l和 +l 以麦克斯韦方程为出发点，把心电场简化为准静态场，建 立偏微分方程及适当的边界条件，用有限元方法或边界元 方法求解方程在三维空间的解。 理论上讲，自然界的一切电活动都服从电磁学的普遍规律 ，因此以电磁场理论为依据的心电建模与仿真较早受到研 究者的重视，建立起了一整套方法 假设心电场是分片均匀的、纯电阻性的、各向同性的 ,在准静态条件下可得到 J=E+Js 式中 为电导率 ,E为电场强度 ,Js为 (强迫 )电流密度 Laplacian方程 是电位 麦克斯维方程为 是电荷密度 ,是介电常数 人体体表面的 Laplace方程为 体表电位的 Laplacian表达式与体表等效电荷密度的负值成正 比 ,eq是仅与 x,y有关的电荷分布 . 电生理模型 n 电生理模型指的是根据细胞动作电位方程建立的 模型。由于细胞动作电位方程是由离子通道电流 组成的，与细胞内外离子浓度、通道状况、神经 递质及药物影响密切相关，因此模型能与细胞电 生理与临床病理生理之间建立确切的联系，进行 模型验证，这对于建模与仿真研究是至关重要的 。目前报道的电生理模型都是单细胞动作电位模 型，建模依据直接取材自电压钳与膜片钳实验。 各种心脏细胞的动作电位模型均有报道，并被用 于研究某些心律失常的发生机制，而组织与器官 级别的电生理模型则尚无报道 n 组织与器官层次的电生理模型是指众多相同或不 同细胞按照真实解剖关系有机相连，每个细胞都 有各自的动作电位方程，并发生细胞间的相互联 系，全部细胞动作电位方程同时求解，揭示组织 或器官的电行为。二维与三维全心脏电生理模型 是研究心电活动的重要工具。 细胞自动机 n 作为一种自然的并行计算模式，细胞自动 机 (Cellular Automata)是时间和空间上离散 的动力学系统。它由一群 n维排列的细胞 (cell)组成，每个细胞是一个计算单元，有 多个状态 (state)，并