體表心臟動作電位圖及其檢測設備的製作方法

2023-09-25 18:38:45

專利名稱：體表心臟動作電位圖及其檢測設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種心臟電生理學檢測技術及其設備的製造方法。
採用細胞內電極技術可以得到單個心肌細胞的動作電位圖，它在心臟電生理學基礎研究方面起了重要作用，遺憾的是它不能直接應用於臨床。心電圖是臨床廣泛應用的無創的心臟電生理學檢測技術，在此基礎上發展起來的心向量圖、心室晚電位圖、頻譜心電圖等等，都是心電圖技術的發展和補充。然而這些方法都不能確切地反映心肌細胞實際動作電位的變化，因此在臨床上用於檢測心肌細胞內外離子轉運過程方面還缺乏有效的方法和設備。
本發明的目的是創造一種無創的方法用於檢測心肌細胞離子轉運的情況。
心肌的動作電位包括去極化和復極化兩個過程，目前人為地分為五個時相0相為去極化期，1相為快速復極初期，2相為緩慢復極期，3相為快速復極末期，4相為靜息期。體表心臟動作電位圖是通過採集體表的心電信號得到的、反映心室壁多層心肌細胞動作電位綜合變化的圖形。其產生的原理基於如下幾個新發現1、鈉離子進入心肌細胞的單向性心肌細胞有兩個側面，面對心腔的為內側面，面對心包的為外側面，心室壁由多層細胞組成。正常心肌的除極是從內側面開始的，內側面的細胞外鈉離子首先進入細胞，使細胞內外鈉離子梯度減少，導致外側面的鈉離子沒有機會進入心腔側的細胞，因此在去極化的過程中鈉離子總是從心肌細胞的內側進入細胞，這種性質稱為鈉離子進入心肌細胞的單向性，它是產生動作電位0相正向曲線的基礎，利用它可以通過體表電極測量心肌細胞去極化時鈉離子由心腔內側向外側定向移動的速度和量。
2、去極化後鉀離子向細胞外快速釋放的不均一性心肌細胞內鉀離子濃度約為細胞外濃度的35倍，由於細胞內側面先去極化，去極化後細胞內鉀離子首先向細胞內側面釋放，待整個細胞除極完畢後才向細胞兩側同時釋放，使得鉀離子向細胞內側面的釋放量多於外側面，因此可以在體表測量到動作電位1相鉀離子向細胞內側面釋放的短暫的負向電信號。
3、鈣離子進入細胞和進入內質網的雙向性與鈉離子泵出細胞的雙向性
雖然細胞外鈣離子濃度為細胞內液的20000倍，但心肌細胞收縮所需的鈣是在動作電位的1相由肌漿網釋放的，鈉離子的進入與鈣離子的釋放激活了鈣泵和鈉泵，在動作電位的2相出現了鈣離子向肌漿網內主動轉運、鈉離子向細胞外主動轉運以及細胞外少量鈣離子通過慢通道進入細胞，與此同時心肌收縮，細胞內ATP被大量消耗。在此期中鈣、鈉離子向細胞兩側雙向出入，其動作電位曲線為一平臺。
4、鉀離子向細胞內的被動轉運心肌細胞膜對鉀離子是自由通透的，去極化使心肌細胞在短時間內幾乎同時向狹小的細胞間質釋放了大量鉀離子，使細胞間質鉀離子濃度驟然增高，而在動作電位的2相，細胞內大量的ATP被心肌收縮做功所消耗，況且細胞膜上沒有專門的鉀泵，儘管鈉泵每泵出3個鈉離子可換回兩個鉀離子，但是由於去極化時進入細胞的鈉離子有限，出細胞的鉀離子相對較多(細胞膜鈉離子內外濃度比約為1∶5，而鉀離子濃度比為1∶35)，因此鉀離子向細胞內轉運主要靠被動轉運完成，其轉運過程如下在動作電位的2相細胞內肌漿網釋放的鈣離子被迅速泵入肌漿網內，進入細胞的鈉離子也被迅速泵出細胞外，使細胞漿出現超負電位，在超負電位的作用下大部分鉀離子被轉移到細胞內。另外一部分鉀離子是通過胰島素受體與葡萄糖結合為一體，由於細胞內外葡萄糖的濃度差大於鉀離子的濃度差，於是在葡萄糖順濃度差進入細胞內的同時鉀離子也被逆濃度差轉移到細胞內。因此，鉀離子向細胞內的轉移藉助了鈉泵、鈣泵和葡萄糖的濃度梯度以及胰島素的參與，它主要發生在動作電位的2、3相。
5、心肌復極化的方向性心室壁心肌纖維的排列大致可分為內縱、中環和外斜三層。心肌纖維的收縮是由內向外順序完成的，而舒張則是由外向內順序進行的。心肌纖維的復極化速度與心肌細胞內ATP產生的總量和速度呈正相關。由於冠狀動脈供血特點，使得外層心肌較內層供血豐富，故外層心肌首先復極化，鉀離子首先被轉移到細胞內，由此造成心室壁內外層之間的細胞外液出現了鉀離子濃度差，使內層細胞外液鉀離子向外側擴散，這個過程發生在動作電位的3相，在動作電位曲線上出現一個正向曲線。
6、心室壁內外層細胞內鉀離子向細胞外滲透的時間差靜息電位的形成是鉀離子順其電化學梯度外向擴散所導致，它發生在動作電位的4相，由於心室壁外層細胞先復極化，其鉀離子釋放的量和速度高於內層細胞，形成了與動作電位3相時相反的鉀離子濃度差，此時在動作電位曲線上出現一個負向曲線。
本發明基於以上六個新發現提出一種新的設計方案，以獲得體表心臟動作電位圖，其步驟如下1、利用目前常規的方法採集人體體表的心電圖信號並加以放大1000倍；2、將採集的體表心電圖信號由模擬量轉變為數字量，轉換頻率不小於200次/秒；3、利用計算機技術找倒一組完整的心電周期心電信號的中值，並將每一數據與中值相減後得到一組新的數據；4、將得到的一組新數據進行積分，便產生一組體表心臟動作電位圖的數據；5、以時間為橫坐標，以體表心臟動作電位圖的數據為縱坐標作圖便可得到體表心臟動作電位圖。
用以上方法獲得的體表心臟動作電位圖本質上是心電圖的積分形式。完整的心電信號包括兩種成分，即共模信號和差模信號，它們均屬於生理信號。差分放大過程濾掉了生理性共模信號，因此常規心電圖本質上是心電圖的差分形式，它反映心肌運動過程中產生的電流變化，而心電圖的積分形式反映了電壓(電位)的變化。
本發明的優點是通過無創的方法獲得心肌細胞的動作電位圖，較細胞內電極技術更適合於臨床應用；與心電圖技術相比更能夠敏感地反映心肌細胞離子轉運和代謝的過程。
體表心臟動作電位圖不能取代常規心電圖技術，它是心電圖技術的補充和發展。附圖
A曲線是利用本發明獲得的一正常人體的體表心臟動作電位圖，它包括0、1、2、3、4共五個時相，其特徵是3相電位一般高於或等於0相和1相，它反映鉀離子轉運的速度和量；B曲線是一冠心病患者的體表心臟動作電位圖，其3相電位明顯低於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作電位3相鉀離子向細胞內的轉運。
體表心臟動作電位圖主要用於冠心病的早期診斷。
自人類社會進入20世紀以來，隨著大工業和交通運輸的發展，國家與國家、人與人之間的交往日益頻繁。在此基礎上，流感病毒也隨著飛機、輪船、火車和汽車在國家與國家、人與人之間進行著頻繁的傳播。但是誰也沒有想到正是隨著流感病毒周而復始的傳播，冠心病、高血壓病、糖尿病、高脂蛋白血症、肥胖症以及連同它們的合併症悄悄地並幾乎同時在發達國家中蔓延開來。尤其是近半個世紀以來，這些疾病的發病率呈逐年上升趨勢，每年造成全世界幾千萬人死亡或喪失勞動能力，被人們稱為「20世紀的疾病」。面對如此猖狂的疾病，人們顯得束手無策。其根本原因是沒有找到這些疾病的發病機理。
流感病毒與「20世紀的疾病」究竟是什麼關係，目前還沒有這方面的報導。表面上看起來二者沒有什麼直接關係，而事實上流感病毒卻是罪魁禍首！流感病毒的廣泛流行導致冠心病、高血壓病、糖尿病、高脂蛋白血症、肥胖症的機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，感染人體後核心抗原並不進入血液循環，只侵入上呼吸道黏膜並在黏膜內繁殖，一般情況下機體不對它產生免疫反應，而它的表面抗原神經氨酸酶和凝血素原可以透過血管壁大量進入血液循環，促使機體產生相應抗體。由於這種抗體並不能阻止流感病毒侵入上呼吸道黏膜，因此人體缺乏對流感病毒的有效免疫力，並可反覆遭受流感病毒的侵襲。每一次流感病毒侵襲都會使循環血液中的與流感病毒相關的抗原抗體複合物濃度大幅度增加，這些複合物不能透過血管壁排出體外，只能沉積在血管內壁，久而久之便形成了動脈粥樣硬化，冠狀動脈則是最易形成粥樣硬化的部位之一。由於動脈粥樣硬化發生的速度和其嚴重程度與流感病毒侵襲的頻率和累積次數成正比，因而冠心病、高血壓病、糖尿病、高脂血症和肥胖症(20世紀的疾病)的發病率往往顯示出在空間分布上城市高於農村、流動人口較多的發達國家高於偏僻的封閉式國家；在時間分布上老年人高於青年人，20世紀高於19世紀；在職業分布上腦力勞動者高於體力勞動者。它們的家族聚集現象儘管大多數學者認為與遺傳有關，但事實上傳染性疾病也有家族聚集現象，並非是遺傳性疾病所獨具的特徵，況且遺傳性疾病一般不存在城鄉差別、職業差別以及明顯的時代性。
冠狀動脈粥樣硬化引起的血流動力血改變可以導致高血壓，其機制如下冠狀動脈粥樣硬化造成冠狀動脈狹窄和彈性減退，由於冠狀動脈有強大的代償功能，在疾病的早期並不出現心肌缺血。冠狀動脈的代償功能包括兩個方面，血管擴張功能和灌注壓增高的功能。冠狀動脈粥樣硬化使冠狀動脈血管擴張功能下降，當心肌需氧量增高時只能通過提高冠狀動脈的灌注壓來滿足冠狀動脈的血液供應。這種高血壓的特點是舒張壓緩慢的進行性的增高，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-醛固酮系統的原發性改變，而是有著特殊的機制，這種機制稱為心臟-脊髓-血管反射。
在心肌細胞之間分布著大量的內臟感覺神經末梢，其神經元胞體位於胸1至胸5節段脊髓后角，它們對心肌細胞間液中鉀離子濃度變化最為敏感。當心肌缺血時由於鉀離子向細胞內轉運障礙，造成舒張期細胞間液鉀離子濃度增高，心臟感覺神經末梢傳入衝動增加，進而引起脊髓交感神經傳出衝動增加，使舒張期外周小動脈收縮增強，出現舒張期高血壓，這個過程稱為心臟-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，其機制如下心肌缺血造成的心肌細胞間液鉀離子濃度增高以及產生的高血壓可以通過迷走神經的傳入纖維使腦幹迷走神經中樞興奮。迷走神經興奮可以使胰島素釋放增加，促進鉀離子向心肌細胞內轉運，同時也促進脂肪合成，由此產生了高脂血症、肥胖和高胰島素血症。這種高胰島素血症不會引起低血糖，這是因為在迷走神經興奮性增高的同時脊髓交感神經的興奮性也增高，它可以促進胰高血糖素的釋放，這兩種激素相互對抗使血糖出現不穩定，這種狀態稱為胰島素抵抗。胰島素抵抗使胰島素的分泌呈耗竭狀態，造成糖耐量減低；迷走神經與交感神經同時興奮使胃腸消化吸收功能和全身代謝功能大大增加，造成食慾旺盛。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脈粥樣硬化產生的主要原因，冠狀動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，要想從根本上徵服「20世紀的疾病」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和長期的努力。對冠心病患者做到早期診斷，以便早期治療和防止病情進一步發展具有重要的臨床意義選擇性冠狀動脈造影雖有可能早期發現冠心病的存在，但不適合於大規模人群普查。因此，冠心病的早期診斷問題是一個舉世矚目難題。解決這一難題的關鍵並不單純是一個技術問題，更重要的是思維方法問題。
一個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，這些物理量或化學量的增加能否作為一種獨立的疾病來對待呢？答案似乎是不可以的。也許在這個問題上人們犯了一個主觀主義的錯誤，習慣性地把冠心病、高血壓病、糖尿病、高脂血症、肥胖症等並列起來對待，分別研究其病因和發病機理，並且又產生了許多分支學科，結果使簡單的問題人為地複雜化了，使它們的病因和發病機理頭緒繁多無法弄清，最後只得勉強歸咎於遺傳基因的異常。事實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脈粥樣硬化的早期的臨床表現！根據這些臨床表現就可以對冠心病作出初步的早期診斷。
體表心臟動作電位圖能夠比較敏感地反應心肌細胞鉀離子轉運的情況，因而有助於冠心病的早期診斷。冠心病是引起猝死的主要原因，頻發的室性早搏也是冠心病常見的心電圖表現，其發生機理是由於心肌缺血導致鉀離子向細胞內轉運障礙、造成細胞間質鉀離子瀦留，心肌細胞興奮閥降低引起室顫和室性心律失常。因此對冠心病患者進行體表心臟動作電位圖檢查具有十分重要的臨床意義。
本發明對現代醫學的貢獻不僅是為臨床提供了一種新的無創檢測手段，更重要的是闡明了心肌細胞興奮收縮偶聯的機制、闡明了動脈粥樣硬化的病因和發病機理、闡明了冠心病與高血壓、高血糖、高血脂和肥胖的相互關係，為人類最終徵服冠心病指明了方向。
權利要求
1.一種通過採集人體體表心電圖信號獲得心臟動作電位圖的方法，其特徵是將體表心電圖信號的數據進行積分，得到一組新的數據，並將其用圖形的方式表現出來；
2.權利要求1所提到的對體表心電圖信號數據進行積分的方法，其特徵是針對某一組數據首先計算出該組數據的中值，將該組的每個數據與中值相減，得到一組新的數據，將這組新的數據進行積分，便可得到人體體表電信號的積分數據。
3.權利要求1所提到的一種圖形，其特徵是反映心室壁內外兩側電壓變化的圖形，它與採用細胞內電極技術檢測到的心肌細胞動作電位圖相似，也分為0、1、2、3、4五個時相。
全文摘要
體表心臟動作電位圖是心臟電生理學的一種檢測方法,它用於冠心病的早期診斷。與心電圖相比,它更能夠敏感地反應心肌細胞鉀離子代謝的情況。本發明不僅是為臨床提供了一種新的無創檢測手段,更重要的是闡明了心肌細胞興奮收縮偶聯的機制、闡明了動脈粥樣硬化的病因和發病機理、闡明了冠心病與高血壓、高血糖、高血脂和肥胖的相互關係,為人類最終徵服冠心病指明了方向。
文檔編號A61B5/02GK1171920SQ9711674
公開日1998年2月4日 申請日期1997年8月13日 優先權日1997年8月13日
發明者張建忠 申請人:張建忠