心电图发展历史

心脏病的科学进入了新的篇章，他不是靠一个人的工作，而是许多天才的科学家，超越了任何政治藩篱，潜心钻研而成。他们在世界各地，为科学的进步，为达到造福于深受病患折磨的人类目标，贡献了全部的精力

——威廉·埃因托芬

从心电图的诞生至今有一百多年，经过这一个多世纪的发展，心电图的应用也更普及化，为数以亿万的患者及时诊断病情，降低疾病和死亡风险。心电图的出现为人类临床医学发展做出重要贡献，被誉为“心电图之父”[5]的荷兰杰出生理学家威廉·埃因托芬（ Willem Einthoven，1860-1927）因对心电图学的开创性工作和无与伦比的贡献，荣获1924年获诺贝尔生理学或医学奖。

翻开历史篇章，回到心电图发现的前夜，1791年的某一天，意大利博洛尼亚大学杰出的解剖学家伽伐尼（Luigi Galvani，1737-1798）将一只解剖的青蛙放在一台电机旁边的实验室桌子上，他的助手使用刀子触碰青蛙腿的神经时，他注意到青蛙腿部肌肉在剧烈收缩[1][2][3]。这一现象立刻引起了他的注意，他放弃手中的其他工作，开始研究这一现象，并且很快发现只有电机产生火花时才会使肌肉收缩。随后的18世纪末和19世纪初围绕着蛙腿与金属片接触产生跳动产生了跨世纪的争论。直到1842年，意大利物理学家卡洛·马特奇（ Carlo Matteucci，1811-1868）才证实蛙心的收缩跳动伴随着电流。第二年，电生理的奠基人德国生理学家埃米尔·杜博伊斯·雷蒙（ Emil DuBois-Reymond）描述了一种伴随肌肉收缩的“动作电位”，并且确认了关于卡洛·马特奇的蛙心电活动现象。

1856年，来自瑞士的生理学家阿尔伯特·冯·科利克（ Albert von Kölliker）在他位于德国维尔茨堡的小实验室里做了许多值得注意的实验，其中最引人注意的是和同事海因里希·穆勒（Heinrich Müller）一起做的。他们将青蛙的心脏暴露在实验桌上，并观察到每一次收缩会产生电流。这一事实告知给科学界人士，但受限当时落后的设备仪器，并没有实际的用途。他们的工作有着很大的意义，将其他人的研究聚焦在心脏跳动时所产生的电活动上。

到了1878年，有了进一步的进展。英国的两位生理学家约翰·伯顿·桑德森（ John Burdon Sanderson）和弗雷德里克·佩奇（ Frederick Page）使用毛细管静电计测量心电流，并首次描述了心室的除极和复极过程。每次心脏收缩的电流呈现两相，短持续期相中心尖为正性，较长时期的第二相中心尖为负性。毛细管静电计是一种精致的、喜怒无常的仪器，通常需要操作它生理学家投入大量的精力和保持极大的耐心，才能使它成功运行。这个阶段的研究工作仍然需要将心脏直接和仪器相连接，这使得它只能成为实验室该关注的问题。

1887年，英国伦敦圣玛丽医院（St. Mary’s Hospital）的杰出生理学家奥古斯都·D·沃勒（ Augustus D. Waller，1856-1922）进行一系列的深入研究，首次测量了人体体表的心电图[4]。他使用毛细静电计的两个电极分别与人体胸壁和背部接触，可以观察到每一次心跳都会伴随着汞柱轻微但急剧地移动。并且在随后的研究中，将双手或者一手一脚放在盐酸溶液中，然后将毛细管静电计连接溶液也可以观察到电流变化。正是这个时候“心电图”一词被创造了出来，这些早期的发现也为第一个心电图的发展铺平了道路。此时，心电仪器记录的水平远远低于临床水平，但沃勒的研究对心电图的后续发展仍然起到至关重要的作用。

在1889年巴塞尔（Basel）举行的第一届国际电生理会议上，威廉·埃因托芬见到沃勒并观看了他的记录技术，受到了强烈的震撼。此后13年时间，威廉·埃因托芬致力于毛细管静电计记录心电图的研究。他改进了多项技术，使得记录更为清晰。他认识到汞柱的移动具有惯性使毛细管静电计具有低频率响应的特性，这样会造成记录的心电图形失真，于是采用复杂的数学方法进行校正。最终获得了非常接近现代描记的心电波形，并在1895年的论文中，首次将5个电偏转的波形按数学传统命名为P、Q、R、S和T波。当然，由于毛细管静电计的低频响特性，仍然无法灵敏的测量心电图。威廉·埃因托芬将关注点放在了改进仪器上。1901年改进了弦线电流计，1902报道第一批用弦线电流计记录的心电图，1903年威廉·埃因托芬分别使用德文和英文论文报告了他之前所做的实验，包括弦线电流计和6个病例的记录。当时，威廉·埃因托芬的弦线电流计非常庞大，重达600多磅，操作困难，并且设置于距离莱顿大学（ Leiden University）附属医院约1英里的生理学实验室里。但这个设备在当时是最先进的，并且这台设备记录的心电图和现代的心电装置记录的心电图在频响上毫不逊色。他的这些工作在不久之后可以预见会对心脏病的病理生理学发挥作用，也会在临床治疗中起到重要的指导作用。

随着时间的推移，这种仪器被大量简化，不再占用那么大的空间，并且人们对心电图设备在临床医学上的发展也非常迅速，已经形成一个独立的学术分支。经过一个多世纪的技术迭代，包括电子技术、信息技术、材料技术、计算机技术以及一些工程技术的发展，如今已经有便携式的设备可用于私人家庭的床边工作，也有可穿戴式的动态心电设备，以及更小的心贴用于我们心电信号的记录。如今，查看心电图在我们的生活中已经不是什么神秘的事了，在医院体检中经常被采用，因为操作简单、价格实惠并且对心脏疾病诊断起到重大的作用。当我们再看看这段历史，从1791年发现生物电信号现象开始，到1903年发明可以用于临床记录的心电记录设备，跨过了一个多世纪的时间。这段艰难的旅程，是无数杰出的科学家经过几代人锲而不舍的接力共同完成的。每次重大科学技术的发展，从来都不是一蹴而就。正如威廉·埃因托芬在1924年获得诺贝尔奖时发表演讲所说：“心脏病的科学进入了新的篇章，他不是靠一个人的工作，而是许多天才的科学家，超越了任何政治藩篱，潜心钻研而成。他们在世界各地，为科学的进步，为达到造福于深受病患折磨的人类目标，贡献了全部的精力”[6][7]。

[1] Leaman Jr W G. The history of electrocardiography[J]. Annals of Medical History, 1936, 8(2): 113.

[2] 方祖祥.心电图技术发展的历史回顾[J].上海生物医学工程,1995(04):10-14.

[3] Fye W B. A history of the origin, evolution, and impact of electrocardiography[J]. The American journal of cardiology, 1994, 73(13): 937-949.

[4] Waller A D. A demonstration on man of electromotive changes accompanying the heart’s beat[J]. The Journal of physiology, 1887, 8(5): 229.

[5] Moukabary T. Willem einthoven (1860-1927): Father of electrocardiography[J]. Cardiology journal, 2007, 14(3): 316-317.

[6] Willem Einthoven – Facts. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2022. Sat. 31 Dec 2022. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1924/einthoven/facts/

[7] Cajavilca C, Varon J. Willem Einthoven: The development of the human electrocardiogram[J]. Resuscitation, 2008, 76(3): 325-328.