立體心電圖的原理和應(yīng)用進(jìn)展
心電向量圖(vectorcardiogram,，VCG)是基于心電向量的概念得到的。Einthoven首先提出等效心電偶極子的假說,，后來(lái)實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)假說是正確的,，即心肌細(xì)胞除極、復(fù)極的過程可以看作胸腔內(nèi)一個(gè)偶極子的變化,。偶極子既有大小又有方向,，因此可以把它看作心電向量[1J。心電向量在時(shí)間上是不斷變化的,，由于心電活動(dòng)具有周期性,，心電向量的變化也存在周期性，這就形成了空間心電向量環(huán),?？臻g心電向量環(huán)投影到一個(gè)平面上的二維曲線就構(gòu)成了VCG。
立體心電圖采用和發(fā)展了心電向量理論,，它采集的原理和方法與心電向量圖相同,。二者區(qū)別在于前者將心電向量環(huán)直接在三維空間顯示,，是三維的心電圖；后者經(jīng)過了一次投影,，屬于二維心電圖,。
可以說，近百年來(lái)心電學(xué)的發(fā)展由一維空間逐漸走向了三維空間領(lǐng)域,。心電圖的一維線性,、心電向量圖的二維平面環(huán)和立體心電圖的三維空間表達(dá)分別代表著3個(gè)不同的發(fā)展階段。
1 立體心電圖的采集
立體心電圖的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)有很多種,，其中Frank,、McFee．Parungao和SVEC III是目前最流行的三個(gè)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。Frank導(dǎo)聯(lián)最容易應(yīng)用,，而且有很好的可重復(fù)性,；SVEC III系統(tǒng)在心臟區(qū)域有最好的正交化效果，而且它對(duì)電極的位置最不敏感網(wǎng),。下面以Frank導(dǎo)聯(lián)為例,，介紹立體心電圖的采集。
Frank導(dǎo)聯(lián)為校正的三維正交導(dǎo)聯(lián),，為了校正心臟胸腔內(nèi)的不對(duì)稱性(心臟在胸腔內(nèi)的位置偏前偏左),，F(xiàn)rank導(dǎo)聯(lián)體系采用一套電阻網(wǎng)絡(luò)，插人x,、Y,、z導(dǎo)聯(lián)的輸人端，以改變其增益量,，使心臟近似位于胸腔的正中那樣,，稱為正交導(dǎo)聯(lián)體系。除了x,、Y,、Z三個(gè)導(dǎo)聯(lián)所需的6個(gè)電極以外(2個(gè)為一組，放在體表相應(yīng)的位置(如表1所示),，可以同時(shí)測(cè)出人體上下,、前后、左右的電位差變化),，在左側(cè)與正前的電極之間增加了一個(gè)校正電極C,，使之與x軸和Z軸都成45。

利用Frank導(dǎo)聯(lián)可以同時(shí)得到x,、Y,、z三個(gè)軸上的電位變化，將這三個(gè)電位差的連續(xù)變化在三維空間表示出來(lái),，就可以得到立體心電圖,，將立體心電圖分別投影到XY,、YZ、XZ的二維平面上,，就得到了心電向量圖,。實(shí)際上，各軸上的電位差值并不是正負(fù)極簡(jiǎn)單相減得到的,，為了矯正心臟在胸腔中的不對(duì)稱,，(C+A) 與I一組成x軸，(M+F) 與H組成Y軸,，(A+C+E+I) 與M—組成z軸,。
2 立體心電圖反應(yīng)心電活動(dòng)的物理原理心肌細(xì)胞的除極過程起源于竇房結(jié)，興奮是在細(xì)胞之間依次傳播的,。單個(gè)細(xì)胞在除極過程中,，胞外的Na 內(nèi)流，使得膜內(nèi)電位升高,，膜外電位降低,，導(dǎo)致了跨膜電位的升高。從整體上來(lái)說,，已除極一側(cè)的細(xì)胞膜外電位要低于未除極一側(cè)的細(xì)胞膜外電位,。電偶極子出現(xiàn)在除極細(xì)胞和未除極細(xì)胞的邊界上，它的方向是從膜外的低電位指向高電位,，因此指向未除極的一側(cè) ,。
Frank導(dǎo)聯(lián)測(cè)量的是人體左右,、上下和前后三個(gè)軸的電勢(shì)差(△φX ,，△φ y，△φ z),，它們可以反映心臟偶極子的變化規(guī)律,。為了便于說明，可以把心臟在體內(nèi)的情形,，簡(jiǎn)單的比作一個(gè)偶極子P處于一個(gè)球體的球心處(正負(fù)電荷的距離z遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于球的半徑r),。根據(jù)電偶極子的電勢(shì)公式

由P和，可以求出球體表面的電勢(shì)分布 (r),。不難看出,， φ(r)的最大值 φ+和最小值 φ一的所在位置分別是正負(fù)電荷延長(zhǎng)線與球體表面的交點(diǎn)，球體表面兩點(diǎn)間的最大電勢(shì)差

其中：P是P的大小,。若r的大小是固定的,，則△φ ocP，△φ 與P可以互求,。
通過△φx ,、△φy ,、△φz 分別求x 、Y,、z三個(gè)方向上的平均電場(chǎng),，再根據(jù)(2)式可得

式中：αβγ分別是電極方向與電偶極子方向的夾角。以上三式可以看出,，Ex,Ey,Ez 分別可以求出Px.Py,Pz的大小和方向,，進(jìn)而得到P的大小和方向。 3 立體心電圖的應(yīng)用
由于立體心電圖可以在三維空間連續(xù)地描記心電活動(dòng)中每一個(gè)周期,，反映其隨時(shí)間的變化規(guī)律等,，彌補(bǔ)了心電圖(electrocardiogram，ECG)無(wú)法三維顯示和VCG一般不能多周期顯示的不足,。立體心電圖一般有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用,。
(1)立體心電圖可以在三維空間內(nèi)連續(xù)實(shí)時(shí)地描記心電活動(dòng)的每個(gè)周期，通過研究其周期的變化,，可以對(duì)心率失常進(jìn)行診斷,。由于是在三維空間直接觀察，它對(duì)周期的測(cè)量要比二次投影后的ECG更精確閉,。
(2)利用立體心電圖的矢量在空間的大小(振幅),、方向、移動(dòng)速度,、面積,、形狀及夾角等方面的改變，診斷心肌本身的病變,，如心肌炎,、風(fēng)心病、冠心病和心室肌勞損等,。將ECG簡(jiǎn)單,、一般性的電位差改變推向立體心電圖的細(xì)致、準(zhǔn)確,、直觀,、全面、側(cè)重于心肌本身病變的特異性觀察 ,，例如可以通過研究三維的T波圖像,，得到心肌梗死和心肌缺血的特征舊。
(3)對(duì)心室復(fù)極不一致性的研究?jī)?yōu)于ECG,。目前表征心室復(fù)極不一致性的參數(shù)是QT間期離散度(QTD),，QTD是近來(lái)體表ECG研究熱點(diǎn)之一。但是對(duì)QTD的研究目前有兩種截然相反的觀點(diǎn)：一種是認(rèn)為QTD反映了心室復(fù)極不一致性同,；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為所謂的QTD,，只是心電向量在各個(gè)軸上投影時(shí)角度不同所致 8],。采用立體心電圖從三維空間全方面地觀察QT間期，為平息關(guān)于QTD的爭(zhēng)論提供了良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),。
(4)利用立體心電圖進(jìn)行高血壓病患者左室舒張功能的研究,。近十幾年來(lái)，對(duì)原發(fā)性高血壓左心室舒張功~(LVDF)障礙的診斷主要用脈沖多普勒超聲心動(dòng)圖測(cè)得的A／E(-尖瓣口血流頻譜A,，E峰)比值進(jìn)行評(píng)價(jià),。2002年，有研究發(fā)現(xiàn),，A／E比值與立體心電圖sT—T向量在判定LVDF障礙方面有顯著關(guān)聯(lián),，且后者作為判據(jù)更為敏感[91。
(5)胸雙極立體心電圖對(duì)心肌缺血的定位診斷較ECG更詳細(xì),。ECG檢測(cè)區(qū)域有限,，不能有效地監(jiān)測(cè)右室、心尖部,、心臟前壁上下部,、后壁及部分側(cè)壁缺血，只能對(duì)下壁缺血做“有”或“無(wú)”的診斷,，不能對(duì)下壁缺血進(jìn)一步分區(qū)定位,；而立體心電圖診斷部位全面，常包含ECG的定位診斷區(qū)域,。且立體心電圖可以根據(jù)缺血導(dǎo)聯(lián)數(shù)量和方位很容易地勾畫出缺血面,，從而形成非常明確的“面性”或“空間性”思維診斷模式㈣。
(6)T波交替(TWA)是目前心電學(xué)研究的熱點(diǎn)之一,，它被認(rèn)為是至今預(yù)測(cè)心源性猝死的最有希望的一項(xiàng)無(wú)倉(cāng)Ⅱ傷性技術(shù)[1l,l ,。目前對(duì)TWA的分析方法主要是譜分析、復(fù)數(shù)解調(diào)和相關(guān)分析,，雖然這三種方法都用Frank正交導(dǎo)聯(lián)采集數(shù)據(jù),，但是在合成綜合向量的時(shí)候只考慮了大小因素，而沒有考慮其方向[1l 4],。利用立體心電圖的綜合心電向量的大小和方向在三維空間的變化，將對(duì)研究TWA產(chǎn)生更大的影響,。
(7)利用心電向量環(huán)從VCG信號(hào)中提取呼吸信號(hào),。一段連續(xù)的VCG中包含了若干心電向量環(huán)，呼吸對(duì)每個(gè)環(huán)的形態(tài)都產(chǎn)生影響,，瑞典的科研人員找到了一種方法通過分析不同環(huán)之間的角度差異,，可以從VCG中得到呼吸信號(hào) 。也可以有相反的應(yīng)用,，將呼吸信號(hào)的影響從VCG中濾除,，使信號(hào)中只有心電活動(dòng)引起的形態(tài)變化 ,。
(8)立體心電圖在研究心室早復(fù)極(early repolarization，ER)中的應(yīng)用,。一般人ST段提升(也被稱為ER),，預(yù)示著有心臟病。但在耐力好的健康人(如運(yùn)動(dòng)員)中ER也常見,。盡管ER的ECG特征已經(jīng)被廣泛地研究,，但沒有被系統(tǒng)地量化。2004年,，希臘科學(xué)家定義了VCG測(cè)到的空間T波振幅,、空間QRS振幅和空間QRS—T角等許多描述符，并將它們劃分成心室除極和復(fù)極指數(shù)兩類,，在有ER的健康人和正常人之間進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)：前一組人群的描述符值均比后一組高,；在這兩組人群中，空間T波振幅(屬于心室復(fù)極指數(shù))與心室除極指數(shù)均無(wú)關(guān),；心室除極和復(fù)極指數(shù)在前一組人群中沒有聯(lián)系fl7],。目前國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的立體心電圖機(jī)是由國(guó)家衛(wèi)生部中衛(wèi)瑞德新技術(shù)開發(fā)中心研制的SCA-II型多功能綜合心動(dòng)活動(dòng)自動(dòng)分析診斷儀，它不但可以通過3導(dǎo)正交心電圖顯示三維的心電向量,，而且還能多通道同步描記12導(dǎo)ECG,，連續(xù)心電向量圖和頻域心電向量圖。該儀器經(jīng)第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院等單位使用后發(fā)現(xiàn),，其缺點(diǎn)是可記錄的心動(dòng)周期太少,，由于圖形設(shè)置的原因，圖形太小 8】,。
總之,，ECG的優(yōu)勢(shì)在于研究單／多個(gè)心動(dòng)周期的時(shí)序性，VCG和立體心電圖的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)波形變化的認(rèn)知上,。三者應(yīng)相輔相成,。
4 結(jié)語(yǔ)
立體心電圖比ECG直接、準(zhǔn)確,，而且信息量大,。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，將大量的參數(shù)表格化,、系統(tǒng)化,、統(tǒng)計(jì)化、診斷化及網(wǎng)絡(luò)化,，醫(yī)生將更容易接受和應(yīng)用,。相信在不久的將來(lái)，立體心電圖將會(huì)被更好地用于臨床、科研和教學(xué),，帶動(dòng)多學(xué)科向縱深方向發(fā)展,。