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【心电理论】第一章 心脏电生理基础
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2023.08.19 云南

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一、心肌细胞的类型
根据心肌细胞的解剖、组织学特点、生理特性及功能上的区别,心肌细胞可分为六类。
(1)主导起搏细胞:
仅分布在窦房结中,起搏细胞(P细胞)在窦房结中心部位呈成簇、成群分布形成主导起搏点,自律性最高,通常在60~100次/min
(2)潜在起搏细胞:少数P细胞分布在窦房结动脉周围及窦房结邻近的心房组织、房室交接区内形成潜在起搏点,其自律性次之,通常在40~60次/min。潜在起搏细胞主要生理功能是将冲动从主导起搏细胞传出,同时兼具潜在的起搏功能。
(3)移行细胞:介于潜在起搏细胞与心房肌细胞之间。移行细胞在正常情况下无自律性,其生理功能是将冲动从窦房结传至心房。
(4)心房肌细胞:具有收缩功能而无自律性。
(5)心室肌细胞:具有收缩功能而无自律性。
(6)浦肯野细胞:各级传导组织中均有分布,但以希氏束及以下传导组织尤其是浦肯野纤维网中最为集中,其自律性最低,通常在20~40次/min
二、心肌细胞的静息电位与动作电位
1.静息电位
(1)基本概念:静息电位是指在静息状态下心肌细胞膜内外的电位差。此时的心肌细胞处于极化状态。
(2)具体数值:静息电位负值的高低与心肌细胞的大小呈正比关系,即细胞直径大,静息电位的负值就高。通常窦房结细胞的静息电位为-40~-70mV,浦肯野细胞-90~-100mV,心房肌细胞-80mV,心室肌细胞-90mV。
(3)产生机制:系细胞膜对Na+、K+、Cl-等离子的通透性差异(对K+的通透性高,对Na+的通透性较低,对Cl-的通透性最低)和这些离子的跨膜浓度差(膜外Na+多而K+少,而膜内K+多Na+少)所致。K+顺着浓度梯度经K+通道向膜外扩散及少量Na+内流,由此在细胞膜的两侧产生了内负外正的电位差。
2.动作电位
(1)概述:心房肌和心室肌细胞的动作电位基本相似,仅前者时程略短(150~200ms),2相平台期不明显。而窦房结P细胞的动作电位则明显不同,其0相除极化系Ca2+缓慢内流所致,故除极化速率慢、幅度低;复极化时基本上从0相直接进入3相,4相为舒张期,具有自动除极化的特征而呈现自律性(图1-1)。现以心室肌细胞的动作电位为例进行详细的阐述。

图1-1 心室肌细胞的静息电位、窦房结和浦肯野纤维的4相自动除极化

(2)基本概念:

动作电位是指心肌细胞兴奋时其膜内电位突然由负转正的过程,如心室肌细胞由-90mV突然上升到+20~+30mV。它包括除极化、复极化及静息期3个过程。心室肌细胞的动作电位共分为5个时相:0相、1相、2相、3相和4相,历时200~300ms。

(3)除极化:又称为动作电位0相,系快Na+通道开放,大量Na+迅速内流所致,膜电位由-90mV反转到+20~+30mV。0相相当于心电图的R波上升支。

(4)复极化:当心肌细胞除极化达到顶峰时,快Na+通道失活和关闭,心肌细胞开始进行1相、2相和3相复极。①1相:即快速复极化初期,膜电位由+30mV迅速降至0mV,系K+外流所致;1相相当于心电图的R波降支和J点。②2相:即缓慢复极期或平台期,膜电位处于0mV左右的相对稳定状态,历时100~150ms,系缓慢而持久的Ca2+内流、少量的Na+内流和K+外流所致,两者处于平衡状态;2相相当于心电图的ST段。③3相:即快速复极化末期,膜电位由0mV左右较快地降至-90mV,历时100~150ms,系K+外流所致;3相相当于心电图的T波

从0相除极化开始到3相复极化完毕,即为心肌细胞的整个动作电位,相当于心电图的Q-T间期。

(5)静息期:即4相,心肌细胞的膜电位已恢复到静息电位水平,但细胞内外的Na+、K+、Ca2+有赖于细胞膜上Na+-K+泵的主动转运将3个Na+外运、2个K+内运及通过Na+-Ca2+交换体和Ca2+泵将Ca2+外运,恢复细胞内外各种离子的正常浓度梯度,以维持心肌细胞正常的兴奋性。4相相当于心电图的TP段或TR段(图1-2)。

图1-2 心室肌细胞跨膜动作电位时相与离子变化示意
(1)心电图(2)动作电位时相(3)和(4)为各时相细胞内、外离子运动
四、心肌细胞的生理特性
心肌细胞具有自律性、兴奋性、不应性、传导性、收缩性和舒张性6种生理特性。其中,前4种属于电生理特性,是以心肌细胞膜的生物电活动为基础,由细胞内、外各种离子不均匀分布及其跨膜运动所决定,与心电产生及心律失常发生有密切关系;而后2种虽然属于机械特性,但也受心肌细胞电生理特性的影响,与心脏泵血功能有关。
1.自律性
(1)基本概念:自律性是指心脏起搏细胞在无外来刺激情况下,具有自动发生节律性兴奋的特性。它包括自动性和节律性两个含义。
(2)影响自律性高低的因素:主要取决于4相舒张期自动除极化速率、最大舒张期电位及阈电位水平,用每分钟发放冲动的次数来衡量。加快4相自动除极化速率、缩小最大舒张期电位与阈电位水平之间的距离,均能提高自律性,如加快起搏细胞的Ca2+、Na+内流或延缓K+外流的因素;反之,均能降低自律性。其中,4相除极化速率为最重要的影响因素,在快反应自律细胞(结间束、希氏束、束支、浦肯野纤维)中是起搏电流的强度,在慢反应自律细胞(窦房结、房室结)中则是Ca2+内流的速度。
2.兴奋性
(1)基本概念:兴奋性是指心肌细胞受到刺激时产生动作电位的能力。用刺激阈值来衡量兴奋性的高低,若刺激阈值高,则表示兴奋性低;反之,则表示兴奋性高。
(2)兴奋性高低的排序:浦肯野细胞>心房和心室肌细胞>房室结细胞
(3)影响因素:主要取决于细胞膜的静息电位或最大舒张电位的水平、阈电位水平及引起0相除极化离子通道的性状。缩小细胞膜静息电位或最大舒张电位与阈电位水平之间的距离及增加静息状态的Na+通道数量(快反应细胞)、L型Ca2+通道数量(慢反应细胞),均能提高心肌细胞的兴奋性,如心肌缺血、缺氧、炎症、低钾血症及洋地黄类药物中毒等;反之,则降低心肌细胞的兴奋性。
3.不应性
不应性是指心肌细胞对刺激发生兴奋后,在一段时期内对下一个刺激完全地或部分地不发生反应,即丧失了兴奋性。心肌细胞对刺激发生兴奋后,其兴奋性将出现以下周期性改变:有效不应期、相对不应期、易颤期(仅指心房肌、心室肌)、超常期及应激期(图1-3)。


图1-3 心肌细胞兴奋性的周期性变化、不应期及各期对刺激时所出现的不同动作电位
a为局部反应期强刺激时所出现的局部除极化;b为相对不应期阈上刺激时所出现的低于正常的动作电位;c为超常期阈下刺激时所出现的略低于正常的动作电位;d为应激期正常刺激时所出现的正常的动作电位。
(1)有效不应期(ERP):是指从动作电位的0相开始到复极3相膜电位降至-60mV这一段时期,它包括绝对不应期(ARP)和局部反应期。ARP是指从动作电位的0相开始到复极3相膜电位降至-55mV这一段时期,无论用多强的刺激均不发生反应。而局部反应期是指从动作电位的3相-55mV至-60mV这一段时期,若给予强刺激,可产生局部除极化,但不产生动作电位(扩布性兴奋)。有效不应期相当于QRS波群、ST段及T波顶峰之前的时间。
(2)相对不应期(RRP):是指有效不应期之后,膜电位从-60mV继续复极化到-80mV这一段时期,心肌细胞的兴奋性有所恢复,但仍低于正常,需要阈上刺激才能发生反应。此期易引发传导阻滞和折返而出现心律失常。相对不应期相当于T波降支起点至T波终点的时间
(3)易颤期:是指在绝对不应期与相对不应期之间,各心肌细胞兴奋性的恢复不一致或不同步,此时若受到强刺激,极易发生纤维性颤动,称为易颤期心房易颤期通常相当于在R波降支和S波时间内,但在病理情况下可延伸至T波内,落在心房易颤期内的房性早搏易诱发房性心动过速、心房扑动或颤动(图1-4、图1-5)。心室易颤期相当于在T波顶峰前及后30~40ms处,历时60~80ms(图1-6)。据我们观察,落在T波降支前半部分的室性早搏极易诱发室性心动过速或心室颤动(图1-7)。故室性早搏或其他搏动落在前一搏动的T波上是极其危险的,又称为Ron-T现象。

图1-4 房性早搏诱发不纯性心房扑动
男性,69岁,冠心病。Ⅱ导联(图1-4)显示R2搏动为提早出现P′-QRS-T波群,P′波重叠在前一搏动T波终末部,下传QRS波群宽大畸形,并引发心房扑动,其F波形态略异,房室呈2∶1~5∶1传导,平均心室率95次/min;ST段呈下斜型压低0.1mV, T波负正双相。心电图诊断:①窦性搏动;②房性早搏伴心室内差异性传导;③不纯性心房扑动伴正常心室率(平均95次/min),房室呈2∶1~5∶1传导;④轻度ST-T改变

图1-5 房性早搏诱发不纯性心房颤动
男性,77岁,冠心病。MV1导联(图1-5)显示窦性P-P间期0.91s,频率66次/min。R3搏动终末部有P′波重叠,并引发了不纯性心房颤动,平均心室率80次/min。心电图诊断:①窦性心律;②房性早搏诱发不纯性心房颤动伴正常心室率(平均80次/min)。

图1-6 Ron-T室性早搏诱发短阵性室性心动过速
男性,25岁,病毒性心肌炎。MV5导联(图1-6)显示窦性P-P间期0.44s,频率136次/min;室性早搏落在前一搏动T波顶峰附近而诱发短阵性室性心动过速,频率182次/min。心电图诊断:①窦性心动过速(136次/min);②频发短阵性室性心动过速(182次/min),呈Ron-T现象。

图1-7 Ron-T室性早搏诱发短阵性极速型室性心动过速(286次/min)

(4)超常期:

是指相对不应期之后,膜电位从-80mV继续复极化到-90mV这一段时期,此时阈下刺激即能引起反应,称为超常期。超常期相当于在T波降支末段至U波结束的这段时间

(5)应激期:复极化完毕后,心肌细胞的兴奋性完全恢复,从这一时期起直至下一次兴奋开始。不应期通常是指有效不应期和相对不应期的总和,心室不应期相当于心电图中的Q-T间期。

以下众多因素决定心肌组织不应期的长短:

(1)膜电位水平:膜电位水平对不应期的长短起着决定性作用。当膜电位负值<-60~-80mV时,心肌组织处于不应期状态。

(2)心率(心动周期):心率增快使心房肌、心室肌、房室旁道的不应期缩短,而房室结的不应期则在心率增快到一定程度时反而延长。总体上说,心率愈快,不应期愈短,即Q-T间期缩短;反之,心率愈慢,不应期愈长,即Q-T间期延长。故长短周期后易发生心室内差异性传导,即Ashman现象(图1-8)。

图1-8 长短周期后出现心室内差异性传导(R3、R9搏动),即Ashman现象

女性,72岁,冠心病。V1导联(图1-8)显示基本节律为心房颤动,平均心室率120次/min, R3、R9搏动为提早出现呈右束支阻滞图形,发生在长短周期后,呈现Ashman现象。心电图诊断:心房颤动伴快速心室率(平均120次/min)及心室内差异性传导。

(3)解剖部位:房室结的不应期>心室肌的不应期>心房肌的不应期,右束支的不应期>左前分支的不应期>左束支的不应期>左后分支的不应期>左中隔支的不应期,90%房室旁道的不应期>房室结的不应期(易出现顺向型房室折返性心动过速),90%房室结快径路的不应期>慢径路的不应期(易出现慢快型房室结折返性心动过速)。

(4)年龄和性别:女性、年长者不应期长,儿童不应期较成人短。

(5)自主神经影响:迷走神经张力增高使房室结和浦肯野纤维不应期延长,心房肌不应期缩短,而心室肌不受影响。若交感神经张力增高,则使所有心肌组织的不应期缩短。

(6)药物影响:胺碘酮、普罗帕酮等延长所有心肌组织的不应期,而美西律、苯妥英钠则缩短浦肯野纤维、心室肌的不应期。

4.传导性

(1)基本概念:传导性是指心肌细胞具有传导兴奋的能力。用传播速度来衡量传导性的高低。(2)影响传导性的因素。①心肌细胞结构特点:与心肌细胞直径、细胞内的电阻大小及细胞间缝隙连接数量和功能状态有关,细胞直径大、电阻小、缝隙连接数量多及处于开放状态,都能加快兴奋的传导。②心肌细胞电生理特性:与0相除极化的速率和幅度及邻近未兴奋部位细胞膜的反应性有关,增加细胞膜的反应性、增大静息电位或最大舒张期电位水平(指负值增大)、降低阈电位水平(指负值增大,阈电位下移)及减少膜电阻和膜电容,均可提高兴奋传导的速度。③心肌组织所处兴奋状态:当某一心肌组织处于兴奋期时,冲动在该组织中的传导正常;当该组织处于有效不应期时,冲动在该组织中的传导中断;而处于相对不应期时,冲动在该组织中的传导延缓,如不同时相出现的房性早搏可呈现P′波未下传、干扰性P′-R间期延长及心室内差异性传导(图1-9)。

图1-9 房性早搏未下传、干扰性P′-R间期延长及心室内差异性传导

女性,31岁,心悸待查。V1导联(图1-9)显示每隔1个窦性搏动提早出现1个P′波,其形态基本一致,偶联间期呈0.50、0.55s短长两种;下传的P′-R间期0.13、0.18s,部分P′波未下传心室,部分下传QRS波群呈右束支阻滞图形(R2、R4),平均心室率65次/min。心电图诊断:①窦性搏动;②频发房性早搏伴房室干扰现象(P′波未下传、干扰性P′-R间期延长及心室内差异性传导),呈二联律;③偶联间期呈短长两种,提示心房折返径路内双径路折返所致。

(3)心肌组织及其传导速度:见表1-2。

表1-2 心肌组织及其传导速度

(4)传导性的类型:传导性根据动作电位时相可分为2类。①0相传导:指邻近的心肌组织凭着0相除极所产生的电位差和电流依次除极的过程;②2相传导:当部分心肌组织2相平台期消失,出现2相复极时的电位差和电流,引起邻近细胞依次除极的过程,可出现2相早搏、2相折返等心律失常,如Brugada综合征、特发性心室颤动患者发生的致命性心律失常均与2相传导、2相折返有关。

5.收缩性和舒张性

窦房结产生的节律性冲动循着心内特殊传导组织扩布到心房肌和心室肌,通过兴奋-收缩耦联机制,触发心房和心室有节律地收缩和舒张,并与瓣膜的启闭相配合,引发心房和心室压力与容积的变化,从而推动血液在心血管系统内流动。心肌兴奋-收缩耦联主要与细胞内外Ca2+有关,但当血K+明显增高时,心房肌、心室肌将出现停止收缩而处于舒张状态。若心肌细胞仅有电活动,心电图上有P波或(和)QRS波群出现,但无机械收缩,不出现心脏搏动,则呈现电-机械分离现象。

五、各起搏点节律的相互关系

心脏主导起搏点(窦房结)对下级潜在起搏点(心房、房室交接区、心室)的控制主要是通过“抢先占领”和“超速抑制”来实现的。

(1)抢先占领:窦房结起搏点自律性最高,抢先发放冲动下传心房、心室,并同时重整下级潜在的起搏点。

(2)超速抑制:高频率的窦房结冲动对下级潜在起搏点将起直接的超速抑制作用。若频率互差愈大,则对低频率起搏点抑制的程度愈严重。反之,当下级潜在起搏点自律性明显增高形成快速性心律失常时,对窦房结的节律也有直接的超速抑制作用。当心动过速终止后,窦房结需要较长时间才能恢复发放冲动,如慢快综合征、快慢综合征等。

六、自律性强度的分级及其命名

(1)主导起搏点:0级为停搏,1级为窦性心动过缓,2级为正常频率的窦性心律,3级为窦性心动过速。

(2)潜在起搏点:0级为停搏,1级为过缓的逸搏心律,2级为正常频率的逸搏心律,3级为加速的逸搏心律,4级为早搏性心动过速,5级为心房或心室扑动,6级为心房或心室颤动。潜在起搏点连续发放冲动时,可有起步现象(又称为温醒现象);终止时,可出现冷却现象。

(来自:临床心电图经典:从分析思路到诊断规范)

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