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心脏电生理学的贡献与未来

发布者: 王方正| 发布时间: 2014-5-5 16:18| 查看数: 2972| 评论数: 0

阜外心血管病医院 王方正

  人类对电现象的观察古已有之。但直到18世纪欧洲科学家才开始对生物电作出进一步研究。从17世纪到19世纪,有关“生物电”和电生理学方面的研究进展,为此后对心电生理的研究,以及心电图仪和心电图检测法的发展奠定了基础。

心脏电生理学的贡献
生物电研究及电生理学的奠基

  1781年1月26日,意大利波伦亚大学的解剖和外科学教授伽伐尼(Luigi Galvani,1737-1798)在解剖青蛙的实验中,注意到用电刺激青蛙的神经,会导致其肌肉的收缩。伽伐尼研究证实电可以导致生物神经冲动的传导,从而奠定了电生理学的基础。

  19世纪上半叶,意大利的物理学和生理学家马泰乌奇(Carlo Matteucci ,1811-1868)进行了一系列有关蛙肌肉收缩方面的试验。第一次探测到在损伤和未损伤的肌肉之间存在一种电流,他称之为“肌肉电流”(muscle current),这是对生物电的最早描述之一。在随后的实验中,他又发现一切正在收缩的肌肉,其中也包括心脏,都产生这种肌肉电流。在德国,迪布瓦·雷蒙(Emil Du Bois-Reymond ,1818~1896)等生理学家进一步证实了上述发现,并提出了“动作电位”(action potential)的概念。

  测量生物电最初的设备是马泰乌奇根据伽伐尼的蛙标本(frog preparation)加以改进,制成的“检电蛙”(rheoscopic frog,注:经制备蛙肌肉神经标本,将其连接在被检验的正在收缩的肌肉上,会引起蛙肌肉神经标本的收缩,从而得知有电流传到标本的肌肉上,如检电器一样。图-1)。1855年,德国沃尔兹堡(Wurzburg)的两位学者科里克尔(Rudolf Albert von Kolliker ,1817-1905)和米勒(Heinrich Muller,1820-1864)使用这种“检电蛙”研究了心脏的动作电位,但是检电蛙标本只能记录到心脏电活动的出现和缺失,要对这种生物电活动的各种变化进行长时间的连续记录,则需要设计新的仪器。

图-1“检电蛙”

体表心电图

  1875年由法国物理学家,诺贝尔物理奖得主李普曼(Gabriel Jonas Lippmann,1845-1921)发明了一种极灵敏的毛细管静电计(capillary electrometer)。它一出现,另一位在巴黎的法国生理学家马雷(Etienne Jules Marey ,1830-1904)很快认识到,其灵敏度和反应速度非常适合于记录迅速变化着的生物电活动。他设计了和这种仪器匹配的光学记录系统,这样该仪器就可以用于记录各种变化的生物电。将毛细管静电计用于心电研究的是英国生理学家沃勒(Augustus Desire Waller,1856-1922)。最初的实验是在他自己的身上进行的,他将自己的右手和左脚放入一对装有盐溶液的水盆里,将溶液同时与静电计连通,他看到仪器上的水银柱伴随着心脏跳动而搏动的有趣现象,这样,第一幅人类的心电图被记录了下来。1887年,沃勒在《生理学杂志》(J.physiology)发表了这一实验及记录到的心电图。因此,该心电图一直保存至今,成为和伦琴夫人手掌骨X光片同样珍贵的科学史资料。

  1889年,荷兰莱顿大学的生理学教授爱因托芬开始了有关人类心电图方面的综合性研究。首先,他从改良沃勒的毛细管电流计入手,并对记录曲线的四个峰点做了进一步分解和标定,采用P .Q .R .S ,T标出心电图上的波峰和波谷(图-2),这一标准一直延用至今。1903年,他确定了心电图测量的三种导联:第一导联为左右臂,第二导联为右臂左腿,第三导联为左臂左腿,这就是著名的心电图检测的标准导联。1912年,爱因托芬又说明了三个导联之间的关系,提出著名的“爱因托芬三角”的概念,进一步为心电图原理和心电测量的方法学奠定了基础,使心电图成为20世纪对心脏病人进行临床诊断和监测的重要技术手段。1924年,诺贝尔基金会为表彰他在改进心电图仪的设计和建立现代心电图学方面的贡献,授予他诺贝尔生理及医学奖。1930年,美国的心脏科专家威尔逊(Frand Norman Wilson ,1890-1952)等首先进行了心电活动的三维立体研究。该研究是现代空间向量心电描记术的先驱,其直接成果是胸导联的采用。自1909年至1921年的12年间,在心电图的临床应用方面,刘易斯做了许多工作,对大量的心脏搏动性疾病的心电图表现做出了广泛的阐述,如期外收缩、房室性纤颤和扑动、房室性结性节律以及传导性异常等。之后,美国医师威尔逊对心脏的非节律性异常的心电图特征进行了阐明,如束支传导阻滞、心肌梗塞、心绞痛、洋地黄样作用等,特别是对三维向量心电的研究。临床心电图学的开创,为心脏解剖学诊断、病理生理学诊断以及心律失常诊断提供了重要依据。此项技术直到现在都是诊断心脏疾病的重要工具。与x线检查技术一样,心电图历经百年,久盛而不衰,为人类健康和生命做出了巨大贡献。

图-2 爱因托芬心电图

心内电生理技术

  心内电生理技术是将电极导管通过周围静脉或动脉放置在心腔内某一位置,记录心脏的局部电位,并绘制心内电图;也发放刺激脉冲进行心内电生理检查。近年来,随着射频消融技术的应用,使心内电生理技术更为普及,但这一技术的创始过程十分漫长而曲折。

希氏束电图:心内电生理技术的基石

  尽管体表心电图可以记录着心房和心室肌的电位图,即P波和QRS波。但是心脏特殊传导系统的电活动却难以在体表心电图中体现出现。1958年, Alanis将针状记录电极沿离体灌注的实验犬的房室沟插入,在心房的P波与心室的QRS波之间记录到另一个能重复出现的独立的电位。Alanis推断这就是特殊传导系统的希氏束电位图。Alanis杰出的动物试验结果为希氏束电图技术的创立提供了坚实的理论根据.此后,Stuckey J.H在1959年心脏外科手术中直接在希氏束部位记录到希氏束电图,并提出经过希氏束电图的描记可确定其解剖部位,进而可以避免开胸术中损伤希氏束造成 III度房室传导阻滞。1960年Girand.G和Puech.P等通过右心导管为一例法乐氏四联征的病人记录了希氏束电图。1968年,美国公共卫生医院心肺实验室的Benjamin J Scherlag医生,通过6F或7F的3极或双极电极导管,经右股静脉插入后,在X线的指引下送到右心房,并跨过三尖瓣到右心室,然后缓慢后撤,直到在同步记录的体表心电图PR间期内出现一个清晰的低幅高频的双向波为止。Scherlag医生最终建立了希氏束电图记录技术.此后,希氏束电图已广泛应用于房室传导阻滞的定位,临床电药理学的研究,心律失常发生机制的诊断等诸多方面,希氏束电图是心内电生理检查中最重要的核心内容,是心内电生理检查技术的基石。

程序心脏刺激:心脏电生理的金钥匙

  1967年,荷兰阿姆斯特丹的DirkDurrer教授首先提出程序性心脏电刺激可以做为心脏病学的诊断工具。几乎在同年,Coume lP在巴黎也提出程序性心脏刺激技术可用于心律失常的诊断。这项技术通过发放S1-S2期前脉冲,刺激心脏或心室的某一部位以诱发和终止各种室上性或室性心动过速。S1-S2的联律间期可以预先设置。1971年, HeinJ.J.Wellens在心脏不同部位给予S2刺激后,然后同步记录右房电图、希氏束电图和心外膜电图,以观察心脏电活动激动顺序。Wellens首次将心脏程序刺激技术与希氏束电图等心内电图记录技术结合在一起,形成了完整的心脏电生理检查技术和规范化的方法。此后,心脏电生理检查技术成为研究心脏特殊系统功能、诊断复杂心律失常和探讨心律失常发病机制不能替代和比拟的方法。

  自70年代临床心内电生理检查方法问世后,心律失常的诊断与治疗的进展日新月异.近年,随着射频消融术的出现和发展,使越来越多的心律失常得以根治为临床心电图注入了巨大的活力。

心脏电生理学的未来
新的技术

  CARTO系统由体外低磁场发生器,携带有被动传感器的射频导管及计算机系统组成。CARTO系统通过对心腔的多点标测,显示心腔内的三维解剖图像、电激动播散顺序及消融导管的位置,同时可以像多导记录仪一样显示局部心电信号的形态、振幅和周期。通过分析色彩的变化、移动顺序的改变,确定激动的起始点、传导方向、速度和途径,由此明确心动过速的关键部位,点状、环状或线性消融径线,并验证消融后局部是否发生双向传导阻滞。系统具有的独特导航和定位功能,可指引消融电极在非X线照射下准确到达靶点部位。

  Ensite-Navx非接触性三维标测系统由球囊状非接触性多极电极导管和计算机系统组成。Ensite 3000非接触电极标测系统对某一心腔(心房或心室)在一个心动周期中整个心内膜的激动过程进行详细的标测,用不同的色彩以三维等电位或等时电位图的形式动态显示心内膜除极和复极的全过程。运用大头电极和球囊电极采集某一心腔的心内电激动信号,系统重建心腔的三维模型和心内等电势图,从心律失常的任何一次激动的起始点开始,逐渐移动取样点,随着激动时间和电压的变化,在三维的等电势图上显示一个心动周期中的色彩变化,其中白色代表除极电压最大处。

  对于多数心律失常来说,射频消融都是安全和有效的,但射频消融仍然存在局限性和缺点。射频能量可以破坏内皮和组织的结构和完整性,容易导致血栓的形成和栓塞的发生。射频中热量过高,会引起阻抗升高,并可以造成气压损伤和心肌穿孔。而成功的射频消融,还依赖导管定位的准确和稳定,位置的误差或导管的移位,不仅会造成消融无效,还会导致不可逆损伤。冷冻消融( cryoablation )是一种很有前途的替代能量。冷冻导管为双层中空导管,根据 Joule-Thompson 效应,高压冷冻液经内管注入导管末端后变成气体,再经低压的外壳排除,引起导管末端温度降低。温度下降的程度可由调节冷冻液的流量而精确控制,并能实时记录导管头端的温度。-30℃ 或稍高的温度,可以造成局部电生理活动的可逆抑制,用来进行冷冻标测(cryomapping )。而 -70℃ 或更低的温度可以造成组织的不可逆损伤,用来进行冷冻消融( cryoablation )。此外,当头端温度达到 0℃ 以下时,大头与组织将会冻结在一起,避免了标测或消融过程中大头的移位,有助于防止电极脱离靶点,造成不必要的损伤。临床研究显示冷冻消融不易产生血栓,这一特点有助于进行包括冠状窦在内的腔静脉靶点消融治疗,对于房颤治疗有特别的意义。不引起血管狭窄。由于冷冻消融只影响心肌细胞,不影响周围的纤维结缔组织,可避免血管狭窄,特别是在治疗房颤时不会产生肺静脉狭窄。减轻痛苦。冷冻本身就可以止痛,病人没有疼痛感,而用射频消融治疗房颤时,病人往往不能耐受较高温度,而需术中使用镇静剂甚至麻醉剂。

攻克顽疾

  房颤是最常见持续性心律失常,严重影响患者的生存率和生活质量,且无可靠、有效的药物治疗。而恶性室性心律失常严重威胁着患者的生存,且大规模临床实验已经证实药物治疗无效。尽管ICD能及时终止恶性室性心律失常,但其价格昂贵且要定期更换未能在临床普及应用。同时,ICD只能在患者发生恶性室性心律失常时发挥作用,并不能从根除心律失常。今后电生理学研究将进一步揭示这些心律失常的电生理机制,力图从根本上消除心律失常的发生。

分子生物学技术应用

  如今,我们已经进入分子生物学的时代,明确了多种心律失常与离子通道异常有关。心血管基因组学将为心律失常危险提供可靠分层依据。而通过设计特异的靶蛋白,有望从更深层次治疗心律失常。

总结

  回顾历史,心脏电生理学经历了从探索心律失常机制到研发治疗技术的飞速发展阶段。展望未来,这两个方面将会相辅相成、并驾齐驱地发展。

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