213｜心电图：如何监测心脏电活动？

我是孙轶飞，欢迎来到《医学文明300讲》。

心脏对于生命的重要性不言而喻，但是它深深地藏在胸腔之中，医生很难直接观察心脏的情况并发现病情。毕竟，哪怕是在今天，打开胸腔、暴露心脏也是一件风险极大的事情。

所以在几千年的时间里，医生们一直在努力寻找心脏留下的哪怕一丝线索，直到二十世纪早期，终于有人捕捉到了心脏活动时那极其微弱的电流，让医生可以在不伤害病人的情况下，窥测心脏的秘密。

今天，我们就来聊聊威廉·埃因托芬（Willem Einthoven，1860-1927）发明心电图的故事。

早期心脏电生理研究

先说二十世纪之前心脏电生理的研究成果。

早在十八世纪，生理学家就已经意识到生物体内存在微弱的电活动。到了十九世纪，两位德国生理学家进一步发现心脏中也存在电流活动。但是因为生物体内的电活动过于微弱，很难被记录下来。

直到十九世纪下半叶，英国生理学家沃勒才找到了一种不用打开胸腔就能研究心脏电流的方法，也就是电极连接在动物躯干的上半部分，然后使用毛细静电计测量电流。经过一番实验之后，他决定用自己做实验。

1887年，沃勒把自己的左手和右脚分别泡在两个装有盐溶液的盆里，两个盆分别与静电计的两个电极相连。他发现，电表的指示装置会随着心脏的跳动而同步变化，看来这个思路是可行的。

但是沃勒当时并没有意识到，记录心脏电生理活动有巨大的潜在价值，他只是单纯觉得这个发现非常好玩。

埃因托芬遇到的干扰

那么，这个好玩的发现怎么推动了医学进步呢？接下来，我们就讲一下荷兰莱顿大学的埃因托芬发明心电图的故事。之前讲过，莱顿大学不但医学教育水平高，电学也是传统强项，这所学校的老师发明心电图确实符合我们的预期。

埃因托芬于1860年出生在印度尼西亚的爪哇岛，当时那里是荷兰的殖民地。在26岁时，埃因托芬就已经成为了莱顿大学生理系的主任，并且尝试记录心脏的电活动，而他遇到的第一个困难是干扰。

心脏里的电流非常微弱，需要极其灵敏的仪器才能测量，但仪器的灵敏度越高，当然也就越容易受到外界的干扰。当时埃因托芬实验室的外面有一条石子路，每当马车经过的时候都会影响毛细静电计的读数。

更让他恼火的是，他的隔壁是一位物理学家的实验室，各种实验经常引起震动，而物理学家则表示，埃因托芬实验室养的狗总是乱叫，影响了自己的思路。两位科学家为此找到了学校，要求进行仲裁，但最终也不了了之。

为了解决干扰问题，埃因托芬不惜拆掉了实验室的地板，挖了一个大约四米深的坑，并把仪器放在坑里。但是他遗憾地发现，哪怕这样干了效果还是不理想。所以他只能花了六年时间，设计了一款新的电流计，这种电流计在原理上抗干扰能力更强。

把微弱电流记录下来

更重要的是，埃因托芬设计的这套设备还能把测量到的电信号进行可视化记录，这是怎么做到的呢？

埃因托芬先是准备了一套弓箭，在箭的尾部固定了一小块石英，在把石英加热融化以后，他把箭射出去，就这样拉出了一根极细的石英丝。这根丝仅有0.00025厘米。

然后，埃因托芬在这根细石英丝上镀了一层银，这样它就可以导电了。接下来，埃因托芬在石英丝的两端各放了一块磁铁，再把仪器探测到的心脏电信号传到这根石英丝上，微弱的电流通过磁场，石英丝就会发生偏转、扭动。

这样一来，原本看不见摸不着的心脏电流，现在变得可视化了。

但怎么记录下来呢？埃因托芬巧妙地利用了石英丝的影子，他让石英丝的影子投射到一块匀速移动的照相玻璃板上，通过感光器材，石英丝影子的波动变化就被记录了下来，这就是心电图的基本原理。

1902年11月18日，人类历史上第一张真正意义上的心电图诞生了。埃因托芬当年使用的弓箭至今仍保存在荷兰布尔哈夫博物馆，也就是荷兰国家科学与医学博物馆。如果你去荷兰莱顿旅游，不妨去参观一下。

庞大仪器与远程连接尝试

那么，这台心电图机最大的缺点是什么呢？你可能会猜测，是敏感度问题，或者误差问题。但都不是，它的缺点在于太大了，足足占了两个房间，重量高达272公斤，需要五个人同时操作才能正常使用。

除了大以外，这台仪器使用起来也很麻烦，因为电信号太微弱，所以想用这台机器做心电图，病人要把手或脚泡在装有盐水的桶或者盆里。

很显然，想要把这台仪器搬到病房不太现实，怎么解决这个问题呢？埃因托芬立刻想到，接电线就可以，然后他铺设了1.6公里电线，直通到了当地的一家医院。

但是这个做法引起了医生的反对，他们认为这种远程了解患者病情的做法简直是胡闹，结果埃因托芬的线路就这样被切断了。

缩小仪器并进入医院

现在只有一个办法了，把机器变小。埃因托芬和英国剑桥科学仪器公司展开合作，目标就是让心电图机的体积小到可以直接搬到医院里。这家公司的创始人是霍勒斯·达尔文（Horace Darwin，1851-1928），他是查尔斯·达尔文的小儿子。

经过了剑桥科学仪器公司的改进，心电图机在1911年就已经可以很方便地放在医院里使用。在1912年，已经有很多医生在临床使用了心电图机来辅助诊断。

心电图辅助诊断心梗

那么，心电图当时在临床上有多大作用呢？我给你举个例子。

当时，一位芝加哥医生詹姆斯·赫里克（James Herrick）遇到了一位病情严重的银行家，这位银行家胸部疼痛、皮肤发凉，赫里克无法确定是哪个器官引起的问题。

根据这些复杂的症状，医生们猜测可能是气胸或急性胰腺炎，而赫里克怀疑可能是心肌梗死，于是给病人做了心电图，结果确实提示心肌梗死。

可惜当时缺少有效的治疗方法，病人最终还是去世了。在进行尸体解剖时，证实了赫里克医生的猜想，确实是心梗。

这足以说明心电图对临床的重要价值，之后这项技术很快就得到了普及，快到什么程度呢？就连发明心电图的埃因托芬都感到震惊。

美国临床应用带来的震惊

1924年，埃因托芬拜访了哈佛大学的心脏病专家塞缪尔·莱文（Samuel Levine），正在他俩闲聊的时候，一位女技术员拿着一张刚做好的心电图问莱文医生：“从心电图上可以看出病人是急性心肌梗死吗？需要报告病情吗？”

听到这个问题，埃因托芬非常震惊，这有三个原因。

• 第一，得出心梗诊断的人只是技术员，而不是医生。
• 第二，这是位女技术员，那个年代女性在专业技术领域还没有获得应有的地位。
• 第三，埃因托芬没有想到，美国医生已经让心电图在临床发挥了这么大的作用，在没看到病人的情况下就能诊断心梗了。

当时的欧洲医生显然对美国的医学发展不够了解。

诺奖奖金与便携式心电图仪

1924年，埃因托芬获得了诺贝尔医学奖。他认为自己的助手贡献很大，第一时间想把奖金分给助手，结果发现助手已经去世了，然后他到处打听，知道助手有两个妹妹在救济院生活。

埃因托芬立刻前往救济院，把一半奖金分给了这对姐妹，他的人品高尚可见一斑。

两年以后的1926年，剑桥科学仪器公司推出了第一台便携式心电图仪，重量只有36公斤，可以放在小推车上移动。心电图检查变得更方便了，也更容易普及了。

捕捉间歇发作的心脏异常

但心电图还是有不足之处，那就是太强调时效性。很多心脏的异常问题是间断发作的，只有抓住这个发作时机做心电图才能进行诊断，怎么解决这个问题呢？

接下来我们聊聊心电图的三种升级版本。

平板试验与运动负荷

第一，给患者的心脏增加一点负担，把异常状态诱发出来，这就是心电图平板试验，也叫运动负荷试验或者运动心电图实验。

它的原理很好理解，让患者运动起来，在平板跑步机上跑步，这样自然会增加心肌耗氧量，有可能诱发出异常的心脏电活动。

在这个过程里监测患者的心电图，就有机会发现这些异常。我们之前提到过这项检查。

持续显示与报警的心电监护

第二个版本也很直接，就是对患者进行持续不断的心电监测，这就是病房和手术室里用的心电监护。它可以进行长时间的心电监测，让医生和护士随时了解患者的心电情况。

它的优点在于实时显示、有报警功能，缺点则是影响患者活动，所以使用场景是比较局限的。

便携记录的动态心电图

第三个版本也是持续监测，但是适用的场景跟心电监测不同，这就是动态心电图。

现在临床使用的动态心电图通常是持续24小时，就是给患者戴上一个小型的心电图机，连续记录24小时心电变化，然后由医生对这段时间的数据进行总结分析。

比如有些早搏的情况，单靠一次心电图掌握的信息很有限，而连续心电记录就能对病情做出准确的判断。

它的优点是便携、对活动影响小，缺点是没有报警功能，不能实时显示，只能在检查结束之后统一处理数据。

很明显，它和心电监测都是连续测量，只不过是应用场景不同。

动态心电图是美国科学家诺曼·霍尔特（Norman Holter，1914-1983）发明的，所以直到今天，医生们还是习惯把24小时动态心电图这个常用检查称为“Holter”。

总结

荷兰生理学家埃因托芬在二十世纪早期发明了心电图机，让医生得到了了解心脏电活动的技术，他也因此获得了1924年的诺贝尔医学奖。心电图在今天依然十分常用，而且衍生出了平板试验、心电监测和动态心电监测等适用于更多不同场景的改进版本。

补充趣事：两位诺奖得主的矛盾

今天不留思考题，给你分享一个小趣事。刚才讲到埃因托芬跟同事发生了激烈冲突，你可能会觉得，这位同事真是耽误事儿，影响了诺奖级别的研究。

但事情并没有这么简单，这位同事叫海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes，1853-1926），他是低温物理学的创始人，发现有些金属在超低温状态下电阻会降到几乎为零，这就是超导性。

昂内斯凭借这项研究获得了1913年的诺贝尔物理学奖，比埃因托芬还早了11年。莱顿大学不得不处理两位诺奖得主的矛盾，这或许是一种幸福的烦恼吧。

好啦，今天的内容就到这里，明天见！