Bioelectrical Signals: Electrocardiogram (ECG) 生 醫 電 訊 號 : 心 電 圖 彭 旭 霞 助 理 教 授 國 立 清 華 大 學 生 醫 工 程 與 環 境 科 學 系 1
ECG ( 理 論 上 要 排 三 週 ) 心 電 圖 (Electrocardiography, ECG/EKG) 如 何 量 測 心 臟 的 電 性? 為 什 麼 人 體 本 身 具 有 電 性? 心 電 圖 反 映 出 什 麼 疾 病? 2
CONTENTS 預 備 知 識 心 電 圖 設 計 心 電 圖 之 判 讀 ( 只 能 講 很 少 部 分 ) 3
醫學量測儀器的例子 : 心電圖 電影總看過吧? 4
正 常 的 心 電 圖 波 形 PQRST pattern 5
ECG 預 備 知 識 平 均 每 人 有 生 之 年 (~75 y/o): 心 臟 跳 動 20 億 次 心 臟 收 縮 (systole) 噴 射 血 液 量 : - Male: 5 L/min - Female: 4.5 L/min - 每 日 約 7,000 公 升 (~3,500 瓶 大 瓶 可 x 可 樂 ) 基 本 心 臟 功 能 總 不 能 不 知 道 吧? - 左 右 心 房 左 右 心 室 誰 先 收 縮? 循 環 系 統 和 心 房 心 室 的 關 係? R L 6
人 體 血 液 循 環 過 程 血 液 路 徑 : 白 : 充 氧 血 左 心 室 黑 : 缺 氧 血 體 循 環 ( 供 給 全 身 大 部 分 的 血 液 ) 右 心 房 右 心 室 肺 循 環 ( 代 謝 ) 左 心 房 左 心 室 體 循 環 動 脈 : 將 血 液 送 離 心 臟 ( 未 必 是 充 氧 血 ) 靜 脈 : 將 血 液 送 回 心 臟 ( 未 必 是 缺 氧 血 ) 7
心 臟 功 能 : 收 縮 舒 張 R L 電 傳 遞 路 徑 : 心 房 先 收 縮 再 來 心 室 收 縮 8
Action Potential ( 之 後 會 再 細 講 ) 不 同 的 細 胞, 動 作 電 位 形 狀 也 不 同 9
AP of cardiac ventricle 快 速 去 極 化 :Na + 內 流 (0, 1) 高 原 期 :Ca 2+ 內 流 (1, 2) <= 注 意 : 是 鈣 離 子 喔!! 緩 慢 再 極 化 過 程 :K + 外 流 (3) 10
比 較 : cardiac ventricle s AP 和 ECG Action potential ECG s PQRST pattern 11
心 電 圖 (Electrocardiogram) Cardiac ventricle s AP 波 形, 長 得 一 點 也 不 像 ECG 呀? 原 來 : 體 表 測 得 的 電 位, 是 多 處 的 綜 合 那 麼 動 作 電 位 如 何 疊 加? 12
心 臟 結 構 & 電 位 傳 遞 上 腔 大 靜 脈 SA node 竇 房 結 SA node AV node R 右 心 房 RA RV 右 心 室 LA 左 心 房 希 氏 束 左 心 室 LV 普 金 氏 纖 維 L 13
解 剖 名 詞 解 釋 電 的 傳 遞 : 一 群 特 異 化 的 心 肌 細 胞 竇 房 結 (Sinoartial node): SA node - Sinus-Atrium node - Sinus: 竇 孔 洞 靜 脈 -Atrium: 心 房 - 位 置 介 於 靜 脈 與 心 房 之 間 房 室 結 (Atrioventrical node): AV node - Atrium-Ventricle node - Ventricle : 心 室 - 位 置 介 於 心 房 與 心 室 之 間 14
心 肌 去 極 化 過 程 SA node AV node AV node delay bundle of His Purkinje fibers 心 室 各 處 http://en.wikipedia.org/wiki/image:ecg_principle_slow.gif 15
分 解 動 作 開 始 (a) SA node: 去 極 化 開 始 (b) Atria: 心 房 幾 乎 都 已 去 極 化 (c) AV node: 電 訊 號 傳 到 AV node (d) LV: 左 心 室 開 始 去 極 化 (e, f) 整 個 心 室 繼 續 去 極 化 過 程 (g) 整 個 心 室 幾 乎 完 全 去 極 化 (T wave) 心 室 再 極 化 16
分 解 動 作 開 始 P loop: atrial depolarization QRS loop: ventricular depolarization T wave: ventricular repolarization atrial repolarization? Masked by ventricular depolarization 17
PQRST pattern: 疊 加 後 的 結 果 A typical QRS amplitude: 1-3 mv. P-R interval: delay in the AV node. 18
結 論 : 心 臟 功 能 與 心 電 圖 左 心 室 動 作 電 位 主 導 大 部 份 ECG 心 房 只 佔 有 小 部 份 - 但 是 動 作 電 位 會 領 先 心 室 收 縮 (systolic phase): 去 極 化 過 程 舒 張 (diastolic phase): 再 極 化 過 程 19
結 論 : 各 波 形 代 表 什 麼 意 義 P wave : 心 房 去 極 化 ( 心 房 收 縮 ) QRS-complex : 心 室 去 極 化 ( 心 室 收 縮 ) T wave : 心 室 再 極 化 ( 心 室 舒 張 ) 心 房 再 極 化 ( 心 房 舒 張 ) 波 形 被 QRS 蓋 過 不 正 常 的 心 臟 收 縮 過 程 可 從 ECG 觀 察 20
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實 驗 課 程 可 能 有 做 過 心 肌 受 電 刺 激 後 產 生 收 縮 搏 動 心 肌 電 性 反 映 至 體 表 ( 左 腳 右 手 間 ) 振 幅 最 大 值 約 在 4-5 mv 左 右 好, 現 在 設 計 電 路 量 個 心 電 圖 出 來 22
怎 麼 做?: 生 物 電 動 勢 量 測 利 用 電 極 將 生 物 體 內 產 生 之 離 子 電 動 勢 耦 合 至 電 子 儀 器 怎 麼 量? - 注 意 皮 膚 電 阻 ~ M - 不 是 直 接 量 測 值! - 生 理 電 信 號 來 源 : 離 子 - 電 路 中 的 信 號 來 源 : 電 子 兩 者 如 何 轉 換? 23
電 極 的 使 用 Electrode-electrolyte interface 常 用 銀 - 氯 化 銀 進 一 步 改 進 導 電 性 再 加 上 導 電 膠 ( 電 解 質 溶 液 ) 24
離 子 與 電 子 流 的 轉 換 如 果 沒 有 適 當 轉 換 - 離 子 無 法 流 入 導 線 - 相 當 於 放 大 器 的 電 流 極 小 ( 電 阻 極 大 ) 如 何 提 供 轉 換? - 氧 化 還 原 反 應 25
Electrode-electrolyte Interface I 接 導 線 端 e e C C C e C + C + A C + A 接 人 體 端 Electrode Electrolyte C+: cation ( 陽 離 子 ) ( 電 極 ) ( 電 解 質 ) A-: anion ( 陰 離 子 ) 電 流 流 出 電 極, 氧 化 反 應 為 主 26
Ag/AgCl Electrode 示 意 圖 27
進 一 步 改 進 導 電 性 Electrode-electrolyte interface - 加 上 導 電 膠 ( 電 解 質 溶 液 ) - 增 加 導 電 性 - 降 低 皮 膚 等 效 阻 抗 增 加 導 電 性 - 等 於 把 要 量 測 的 電 壓 源 變 完 美 些 但 是 電 極 存 在 別 的 問 題 - Half-cell potential 28
Half-cell potential Metal-electrolyte interface: separation of charges Electric double layer one type of charge: dominant on the surface of metal the opposite charge: adjacent electrolyte 29
剛 開 始 Ag Ag AgCl 接 導 線 端 Ag Ag Ag Ag AgCl AgCl 接 人 體 端 Electrode ( 電 極 ) Electrolyte ( 電 解 質 ) 30
銀 原 子 開 始 氧 化 Ag e Ag + Cl Ag + 接 導 線 端 Ag Ag Ag Ag AgCl AgCl 接 人 體 端 Electrode ( 電 極 ) Electrolyte ( 電 解 質 ) 31
銀 原 子 繼 續 氧 化 接 導 線 端 Ag e Ag Ag Ag + AgCl Cl Ag + e Ag + Ag Cl Ag + Cl 接 人 體 端 Electrode ( 電 極 ) Electrolyte ( 電 解 質 ) 32
Half-Cell Potential 的 成 因 接 導 線 端 Ag e Ag Ag Ag + AgCl Cl Ag + e Ag + Ag Cl Ag + Cl 接 人 體 端 Electrode ( 電 極 ) Electrolyte ( 電 解 質 ) 介 面 附 近 無 法 維 持 電 中 性 33
Half-Cell Potential 與 金 屬 離 子 濃 度 溫 度 有 關 - 不 外 是 化 學 反 應 平 衡 - 可 視 為 固 定 直 流 電 壓 34
常 用 電 極 的 Half-Cell Potential Metal & reaction Potential (volts) Al Al 3+ + 3e 1.706 Cr Cr 3+ + 3e 0.744 Ni Ni 2+ + 2e 0.230 H 2 2H + + 2e 0.000 (by definition) Cu Cu 2+ + 2e 0.340 Ag Ag + + e 0.799 Au Au 3+ + 3e 1.420 以 H 2 為 基 準 35
實 際 例 子 : Ag/AgCl 電 極 Cl - 是 人 體 體 液 中 的 主 要 陰 離 子 36
Half-Cell Potential 直 流 電 壓 高 過 心 電 圖 百 倍 儀 表 放 大 器 倍 率 不 可 太 高 ( 飽 和 ) 既 然 是 固 定 直 流 電 壓 - 以 高 通 濾 波 器 電 路 濾 除 37
即 使 如 此 能 夠 量 到 的 心 電 圖 不 算 差, 但 好 像 距 離 理 想 波 形 還 有 點 遠 38
終 於,ECG 電 路 初 步 完 成 再 來 多 一 些 差 動 放 大 器 天 啊 一 堆 電 路 圖 39
有 電 機 背 景 的 學 生 的 確 可 能 順 利 走 完 上 述 步 驟, 應 該 都 看 得 到 自 己 的 心 跳 但 是 距 離 醫 療 儀 器 還 頗 遠 的 先 看 看 實 驗 信 號 品 質 40
大 學 部 電 機 系 三 年 級 專 題 研 究 成 果 看 起 來 已 經 很 像 了 41
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心 電 圖 (ECG) ECG leads 量 測 心 臟 產 生 之 電 動 勢 43
ECG leads 貼 9 個 電 極 片 : 得 到 12 個 potential difference 肢 體 端 電 極 (limb leads) 胸 側 電 極 (precordial leads) 44
看 看 醫 院 做 出 來 的 正 常 ECG Limb leads (3) Precordial leads (6) augmented limb leads (3): 為 幫 助 判 讀 而 增 加 的 計 算 : avr=-1/2(i+ii), avl=1/2(i-iii), avf=1/2(ii+iii) 45
結 論 : 心 臟 如 何 規 律 收 縮 心 肌 : - 每 個 部 位 都 會 發 出 規 則 的 動 作 電 位 而 收 縮 ( 每 個 部 位 的 心 肌 其 實 都 可 視 為 節 律 點 ) - 實 際 情 況 : 將 動 作 電 位 依 序 傳 導 下 去, 使 各 部 位 依 序 收 縮 46
多 說 一 些 既 然 由 SA node 啟 動 心 臟 的 收 縮, 那 為 何 心 臟 的 每 個 部 位 都 可 視 為 節 律 點? 為 何 有 : SA node 失 效, 心 臟 仍 能 維 持 規 律 搏 動 輸 送 血 液 至 全 身? 會 不 會 心 臟 到 處 都 發 號 施 令? 47
Inherent rhythm 上 游 頻 率 高 下 游 頻 率 低 由 於 動 作 電 位 refractory period 的 作 用, 不 會 重 新 收 縮 Inherent rhythm - SA node : 70~75 bpm (beats per minute) - 心 房 : 70~75 bpm - AV node : 60 bpm - 心 室 : 30~45 bpm 48
不 正 常 ECG 推 理 一 下 緩 脈 (bradycardia) : < 60 bpm 由 心 率 推 測 異 位 節 律 點 來 自 AV node 反 轉 移 位 的 P wave 與 此 推 測 吻 合 49
再 例 : 心 室 早 期 收 縮 PVC (premature ventricular contraction) 或 VPC 心 室 中 的 異 位 節 律 點 (ectopic focus) 提 早 發 出 動 作 電 位 有 看 出 哪 裡 怪 怪 的 嗎? 50
再 看 一 遍 心 律 調 節 系 統 心 肌 : 發 生 規 則 的 動 作 電 位 而 收 縮 51
心 室 早 期 收 縮 心 房 還 沒 收 縮 好, 心 室 就 先 收 縮 - 無 效 搏 動 ( 送 不 出 血 液 ) 心 悸 最 常 見 的 心 律 不 整 之 一 原 因 : 焦 慮 咖 啡 因 缺 氧 等 嚴 重 者 會 發 生 - 心 室 性 頻 脈 (Ventricular Tachycardia, VT) - 心 室 震 顫 (Ventricular Fibrillation, VF) - 立 即 生 命 危 險! 52
心室震顫: 電影常看到的急救畫面 先這樣 再這樣 然後就 Flat ECG means 53
長 期 熬 夜 又 喝 咖 啡 可 能 Ventricular Tachycardia, VT Ventricular Fibrillation (VF) 54
Ventricular Fibrillation (VF) 特 徵 : -ECG 全 無 規 則 可 言 - 每 次 都 是 無 效 的 搏 動 ( 心 臟 也 沒 打 出 血 ) - 心 肌 收 縮 完 全 不 同 步 - 心 室 根 本 無 法 正 常 收 縮 - 緊 急 治 療 方 式? 55
電 擊 重 擊 或 心 臟 按 摩 強 大 外 力 引 發 瞬 間 去 極 化 Refractory period 結 束 後 恢 復 節 律 一 般 可 暫 時 恢 復 正 常 心 跳 攜 帶 型 去 顫 電 擊 器 56
AED (Automatic External Defibrillator) 是 為 了 讓 心 跳 停 止 還 是 跳 動? 清 大 哪 裡 有 AED? - 下 週 請 告 訴 我 強 烈 建 議 : 每 個 人 都 應 該 去 學 CPR+AED 急 救 訓 練 ( 清 大 衛 保 組 有 課 程 ) 57
當 然 還 有 很 多 其 他 的 心 臟 阻 滯 心 房 早 期 收 縮 心 室 肥 大 總 之 心 電 圖 : 心 臟 科 的 第 一 線 檢 查 58
心 電 圖 的 衍 生 Holter ECG (24 小 時 心 電 圖 ) 運 動 心 電 圖 59