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1、Medical Electrophysiology 医学电生理学 张志雄,Departmemt of Physiology Shanghai University of Traditional chinese Medicine 上海中医药大学生理学教研室,第一部分 绪论,第一节 电生理学研究的内容与对象 一、生理学及电生理学 二、学习医学电生理学的主要任务 1探索正常人体生物电的现象及其发生机制。 2探索疾病时的异常生物电现象及其发生机制。 3运用电生理学作为临床疾病诊断的基础。 4将电生理方法用于疾病的治疗与评估。 三、电生理学研究的不同层次 1生物电现象的细胞和分子水平机制的研究。人体最基
2、本的结构和功能单位是细胞。 2生物电现象的组织、器官水平的机制研究。 3生物电现象的整体水平的观察与机制研究。,第二节 电生理学的发展简史 人类对于生物电现象的注意可以追溯到古埃及关于电鱼击人的记载。从历史上看，电生理学发源于科学史上著名的一场争论。1786年，意大利Bologna大学解剖学教授Galvani发现，用金属导体连接蛙腿肌肉与神经，则肌肉就会发生颤抖。他把这个现象的发生原因归之于“动物电（animal electricity）”，他的著名的文章发表之后，引起一场争论。同时代的物理学家Volta不同意Galvani的见解，两人各自埋头于实验室。Volta用铜板和锌板中间隔以盐水，由于
3、不同金属的电解质相接触因而产生了电动势，从而发明了伏特电池。Galvani为了验证自己的观点，进行了一个出色的试验，他发现在无金属参与的情况下，将一个神经-肌肉标本搭在一个肌肉标本的损伤处可引起该神经-肌肉标本的肌肉产生收缩。这个发现成了电生理学的开端。,一、神经电生理的研究与发展概况 电生理学的发展，几乎完全是与电学仪器的发明分不开的。 1848年德国人Reymond用电流计测量神经传导时的电变化， 1850年Helmholtz测定了神经传导速度。 1879年Hermann提出 变质学说（alteration theory）。 1902年Bernstein提出了生物电发生的膜学说(membr
4、ane theory) Adrian和Sherrington对神经元的机能研究以及信息由一个细胞向另一个细胞传递的机制的研究作出了重大贡献。他们俩一起获得1932年的诺贝尔医学-生理学奖。 Erlanger与Gasser，他们合著的神经活动的电表现一书，是应用阴极射线示波器研究外周神经活动的一个总结。他们两人因此而获得1944年的诺贝尔-生理学奖。,微电极技术的应用，又促使神经系统的电生理研究前进了一大步。开始是把微滴管刺入枪乌贼的巨轴突。以Hodgkin为代表的英国剑桥大学取得了很大的成就，修正了Bernstin的膜学说，成为动作电位的钠学说。 基于他们应用微电极技术，对于NS两大基本理论问
5、题N冲动的传导及中枢突触的传递的重要贡献，Eccles、Hodgkin和Huxley三位生理学家联合获得了1963年度的诺贝尔医学-生理学奖。之后Katz等人也获得了这一荣誉。 Hodgkin、Katz等人提出了离子通道与离子学说(ionic theory)。1970年前后神经元间通信的主要信号机制已经确立，然而其分子机制仍未解决。Hodgkin和Huxley用电压门控通道的概念来描述电导的变化尽管当时生物标本上没有直接的证据，但人们已经常用Na+通道、K+通道等术语。,1976年Neher和Sakmann首次报告了用膜片钳方法改革了的离子通道研究，记录到单通道离子流。这一技术在二十世纪八十年
6、代得到了飞速的发展，从最早的ACh单通道到K+、Na+、Ca2+、Cl-单通道，Glutamate单通道。这种技术高精度、低噪声（精度可达10s时间分辨率，1PA电流分辨率，1m空间分辨率）。由于Neher和Sakmann真正解决了阐明生物电产生的分子机制，他们的贡献对细胞生物学领域的发展以及阐明各种疾病的机制均具有革命性意义，为此两人在1991年分享了诺贝尔医学-生理学奖。,二、心脏电生理的研究与发展概况 1842年Mattenchi发现鸽的心脏可产生电流， 1876年物理学家Lippmann与内科医师Marey合作发明了毛细管电流计，用其记录包括心脏产生的电活动，开创了心电图记录的先河。
7、1887年Waller在人体记录到心脏周期产生的电活动。 1890年起，心电图的创始者Einthoven对心脏电活动发生了浓厚兴趣。1901年他发明了心电电流计，更真实地记录了心脏电活动的电流，开始了人体心电图的记录。此后Einthoven提出了导联选择规律，记录了运动后的心电图，1905年其正式将心电图用于临床，引起了巨大的反响。鉴于他的工作重要性及价值，1924年Einthoven获得了诺贝尔医学奖-生理学奖。,Lewis是心电图创始时代的又一位大师，自1906年他就开始研究期外收缩，心房扑动、心房颤动、房室传导阻滞等，他的开掘性研究为心电图的临床应用起到巨大作用。美国密西根大学执教的Wi
8、lson提出了胸前6导联系统，使体表心电图标准化为12导联。 1906年Cremer应用食道电极测到心房电活动，开创了食道心电图的研究与应用。但因食道电极导管太粗（1.5厘米），不便吞咽，记录基线漂移很大，因而没有引起重视。直到1912年Barold采用改进的双极导管，并对记录的信号加滤波处理使基线更为稳定，进而使食道心电图的应用得以推广。,20世纪30年代心电向量图的记录开始用于临床，最初的导联系统以Einthoven等边三角形学说为理论基础，分别与X轴（左右水平）、Y轴（上下垂直方向）、Z轴（前后水平方向）相平行。1946年Burger提出了修定的导联体系，此后Frank做了大量的向量心电
9、图的研究，提出了Frank矫正导联体系。目前这个导联体系仍在临床较多地使用。 动态心电图（Holter Test）是体表心电图范围内的一大飞跃。1949年Holter用远距离遥测的方法记录到青蛙的心电图，1956年发展成磁带连续记录24小时动态心电图，并以发明者Holter命名了这项技术。1960年以后逐步改善着心电图阅读方法，1970年之后将计算机引进资料评价及处理系统，使24小时的心电图能在8分钟内处理并扫印报告。1979年威斯康辛大学应用4K内存的微机进行监护，使监护时间可达3-6个月。除记录时间的延长外，还增加了固态记录系统，最初的单通道的监护记录系统已被2个或3个通道同时监护记录的系
10、统所代替，这些都提高了该技术的临床应用价值。,心腔内电图的检查是在心导管术发明之后才得以实现。1929年Forssmann在自己身体上证实了应用一根导管很容易进入到心脏而没有任何的致病作用，这一创举打开了心导管临床应用的大门，他因此也获得了日后的诺贝尔医学奖。 1945年Lenegre及Maurice在做心导管检查时首次记录到心房及心室的电活动，引起各家注意，从此开始了心内电图及心内电生理的检查。1950年Kossmann报道了心内电记录在心律失常诊断中的价值。同年，Levine及Goodale首次记录了冠状窦电图。1958年Alnis在动物离体灌注的心脏首次记录了希氏束电图（HBE）。195
11、9年Stuckey和Hoffman在人体心脏的直视术中记录到HBE，1960年Giraud等创用导管法记录HBE，他们应用的方法日后得到广泛证实。1968年Scherlag、Helfand及Damato三氏将血管切开改为经皮穿刺，使心导管法记录HBE的技术更加规范化，更易实施。此后心内电图的记录迅速推广应用。可以这样说，Scher1ag等人的1968年之举是心电生理学发展史上的一个重要的里程碑。,程序性电刺激虽然很早就已开始了实验研究，但60年代后才应用于临床。1971年Wellens改进了程序性心脏电刺激方法，并结合心内心电图的记录研究房室传导的功能，研究和治疗心动过速。 Welleus 提
12、出的规范化的程序性心脏刺激法大大提高了传导系统疾病与功能的研究水平，使心律失常的研究从心电图时代进入到心脏电生理时代，程序刺激法成为了心脏电生理检查的核心部分。Scherlag及Wellens成为现代心脏电生理检查术的奠基者。 近20年来，心脏电生理的研究又从诊断转向了治疗。电外科学（electrosurgery）的发展使显性或隐匿性预激综合证都能得到根治，同时室速及室上速都开始了外科治疗。心律失常的内科介入性治疗的进展更令人瞩目，1982年Gal1agher及Scheinman分别在美国的公爵大学及加州大学报道了直流电消融术治疗心动过速，1986年Huang首先用射频电能进行房室结消融治疗室
13、上速，这一新方法疗效好，合并症少，临床实用价值高。,同时，新型起搏器（抗心动过速起搏器、各种生理性起搏器）及AICD（植入性心脏自动除颤器）更为广泛地应用，并取得显著的临床疗效。化学消融、冷冻消融治疗心律失常也开始了实验研究及临床尝试。这些新的十分有效的治疗方法给心脏电生理的检查带来了新的生机，大大刺激并推动了心脏电生理的发展。 心内电图记录及心脏电生理技术在20世纪70-80年代取得了大量的重要进展。1971年Mandel发明了应用右房超速抑制测定SNRT（窦房结恢复时间），1973年Strauss提出了应用程序右房刺激测定SACT（窦房传导时间）的方法，同年Josephson在研究室速记录
14、心内心电图时，记录和发现了心室晚电位，在1973年Cranefield提出触发激动，触发性心律失常的概念。1978年，Narula提出应用连续右房刺激的方法测定SACT，同年Cramer应用杰出的方法证实了他记录到P前电位就是窦房结电图，Harimann又将这一记录技术应用到临床，开始了窦房结电图的记录时代。,三、平滑肌电生理的研究与发展概况 与神经、肌肉及心肌电生理研究的历史比较，平滑肌电生理的研究起步比较晚，其研究的深度和广度也逊色于前者。平滑肌电生理研究是从胃电图的发现开始的，由此对胃平滑肌的电学研究报告也多于对其他部位平滑肌。 1921年10月W.Alvarez用弦线电流计在一位患癌症
15、的妇女体外第一次记录到胃电图，因为当时患者羸瘦，以致于用肉眼就能观察到3cpm的胃收缩波与其相对应的胃电图慢正弦波。但是，受到当时的电流记录装置等技术上的限制，该研究没有继续下去。1926年Tumpeer用心电图机，以标准肢体导联的左臂和右腿部位从一位幽门梗阻的老年妇女体表再一次记录到了胃电图。随后他又用同样的方法在患幽门麻痹的儿童体表也描记到了胃电图。根据记载，当时描记的胃电图与现在临床所记录的图形差异很大，因为心电图机刚使用不久，仅在基线上的慢波变化负载有心电信号，这种基线上的慢变化为3cpm，他认为这3cpm就是胃运动的频率变化。,对于胃电图进行的系列性探索研究约在20世纪50年代中期。
16、由于稳定地记录较缓慢、低幅值的胃电图信号，在当时是相当困难的。美国生理心理学家R.C.Davis首先对放大器和记录装置进行了改进，并在1957年率先用皮肤表面电极直接从腹部表面记录到了胃电图，并且在记录胃电图的同时用小气囊记录胃的运动，以探讨胃运动与胃电图之间的关系。对于身体其他部位发生的电信号，如呼吸、心脏、皮肤、骨骼肌等电反应的影响予以排除。明确地提出：胃肠以及其他内脏器官的活动都可以在体表记录到相应的电信号。在确立胃电图的记录方法基础上，进一步探索了食物、休息、视觉等因素对胃电图的影响。并于上世纪五十年代末将研究结果进行了系列报道，由此大大激发了学者们对胃肠电图研究的兴趣。在同时期进行胃电图研究工作的Tiemann和Reichertz两位学者在其发表的论文中也明确提出：正常人在安静状态下记录到的胃电图频率约3cpm，与早期学者的研究结果是一致的。前苏联的学者在胃电图临床研究方面起步较早，在1958年初Sobakin
