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心电研究与现代心电图检测法建立的历史回顾

 

 

    【摘要】回顾心电图仪的发展以及现代心电图学建立的历史进程,分析其中的学术背景、重要事件和杰出人物的历史作用,有助于总结蕴涵在这一历史进程中的经验和规律。现代心电图学的建立以及与此相关的技术发展是许多科学家智慧的结晶和辛勤工作的结果,其中也不乏应获诺贝尔奖而与获奖无缘的人物。

    心电图检测是20世纪建立起来并广泛应用于临床诊断和监测的重大技术成果之一。荷兰医学家爱因托芬(William Einthoven, 1860-1927)由于在该领域的杰出贡献而荣获1924年度生理学或医学诺贝尔奖。从此,每当人们涉及到这一领域时,都认为是爱因托芬发明了心电图仪。毋庸否认,爱因托芬在心电图仪的设计和改进方面,在现代心电图学的建立方面都曾做出过重大贡献。但是,在心电图仪设计的前后,以及再向前追溯生物电及心电的基础性研究,还有许多学者做出过重要贡献,其中也不乏应获诺贝尔奖的人。因此,有必要对这一重大成果的来龙去脉做一番历史的回顾和分析。
生物电研究及电生理学的奠基
    人类对电现象的观察古已有之。如对天然磁石的吸引力、电鱼甫鱼的放电以及自然界闪电的破坏力等,都有过观察记录。但直到17 ,18世纪欧洲科学家才开始对电和磁作出了一些基本发现。
    17世纪荷兰莱顿大学成为欧洲的学术中心之一。18世纪莱顿大学的学者马申布罗克( Pieter van Musschenbroek ,1692-1761)和克莱斯特(Ewald Georg von kleist ,1700-1748)等人进行了有关电的人体实验,他们制成了一种被称作莱顿瓶(Leyden jar)的可以贮电和放电的装置,马申布罗克亲自将自己的双手用导线连接到莱顿瓶上,当放电的一瞬间,他感到了一种难以形容的恐怖感,他以为自己活不成了。该实验完成于1745至1746年间,是人类对电进行试验性亲身感受的最早尝试之一。
    18世纪下半叶,意大利波伦亚大学的解剖和外科学教授伽伐尼(Luigi Galvani,1737-1798)开始研究电对生物组织的作用。1781年1月26日,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。伽伐尼认为:导致青蛙肌肉收缩的电来自动物体内,并称其为“动物电”(animal electricity)。尽管后来证明伽伐尼所发现的电并不是来自动物的体内,但却由此认识到: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,电生理学研究又有了进一步的进展。首先,意大利的物理学和生理学家马泰乌奇(Carlo Matteucci ,1811-1868)自1832年始,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。1840年至1842年间,马泰乌奇在发表的数篇论文和演讲中对上述试验进行了论证和分析。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。
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。
心电及其记录方法的早期研究
    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)。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。
    此后,由德国生理学家迪布瓦·雷蒙于1849年设计了第一台测试仪器,称作周期断流器或称电流断续器(rheotome)。该装置最初主要是用于测量神经系统的电位变化。后由他的学生伯恩斯坦(Julius Bernstein ,1839-1917)进行了多方改进,使其能够获得被测对象的动作电流振动时的图解波形。1878年,荷兰学者恩格尔曼(Theodor Wilhelm Engelmann,1843-1909)使用这种改进的仪器对动物的心电活动进行了研究,并绘制出了第一幅锯齿波形的心电图,这一成果为后来在人体上的实验奠定了基础。
    继周期断流器之后,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),他在巴黎示范和论证了这一装置,并将这一发明无偿献给了法国物理学会。这种装置是用全新的物理原理设计的,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)。1886年前后,沃勒用此装置对动物的心脏进行了广泛的研究,在进行一系列实验的中间阶段,他萌发了在人体体表记录人类心脏电活动的想法。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。十分遗憾的是,沃勒于1922年逝世,不然他也应该是1924年诺贝尔生理或医学奖的人选之一。
爱因托芬与现代心电图学
    在人类心电图研究的历史进程中,继沃勒之后,贡献最大的学者是荷兰莱顿大学的生理学教授爱因托芬。1885年,爱因托芬在乌得勒支大学医学院完成有关颜色分辨方面的学位论文,取得博士学位。同年来到荷兰西部的著名学府莱顿大学从事生理学的教学和研究工作。1889年,他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,对于仪器存在的反应速度慢,记录的波动有较大误差的缺点,进行了改进和校正;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,这一标准一直延用至今。尽管如此,毛细管电流计记录的结果处理起来仍非常耗时,难以达到实用的程度。1896年,爱因托芬对线圈式电流计产生兴趣,为了提高仪器的灵敏度以适应对微弱的生物电进行测量,他开始减少笨重的线圈的圈数,直到减少到一圈,最后变成了一根直线。经过数年的无数次试验,终于选中了一种直径只有0.002毫米的镀银石英丝,以取代原来笨重的线圈和反射镜。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。同年,他对用这种新仪器和标准导联测量的人类心电图进行了分析,并与老式毛细管电流计测量法进行了对比,论文发表在一本德文杂志上。爱因托芬最初设计制造的弦线式电流计重达数吨,装满了座落在离莱顿大学附属医院一英里远的研究室中的一整间屋,为了收集医院病人的心电图,他用信号线将仪器与远方的病人连接起来。从1906年开始,他对心电图中P 、Q、R、S、T各波的生理意义,结合心音进行了大量研究,通过心音和心电的对比,说明心电图与心脏活动的关系。1908年,他发表了有关的研究论文。1909年,他又发表论文详细描述了他所改进的弦线式电流计。1911年,依据他的论文,由英国电器工程师杜德尔(William du Bois Duddell ,1872-1917)设计出第一批推向市场的这种仪器。从此,各种不同型号的弦线式电流计被纷纷生产出来,并广泛应用于电生理学和其他学科的实验研究。1912年,爱因托芬又研究了呼吸时心脏位置变动对心电图的影响,同时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。
    爱因托芬由于长期患病,于1927年9月28日病逝于莱顿。在他之后,又有许多学者寻着他的足迹,对心电图仪及其测量方法进行了无数次的改进和完善,爱因托芬所开辟的事业得到了不断的发展,心电图检测终于成为现代临床医学须臾不能离开的重要技术手段。
心电图仪的开发生产
    自爱因托芬开始,一方面心电图仪被开发生产,其性能、结构得到不断的改进。另一方面心电图检测被逐渐在临床广泛应用,其应用上的研究也取得了广泛进展,内容更加丰富,技术更加成熟。心电图仪的开发生产是在1901年爱因托芬制造的第一台弦线式电流计的基础上开始的。1903年,德国的埃德尔曼及桑斯仪器公司(Edelmann and Sons Instrument Firm)与爱因托芬缔结了制造弦线式电流计的协议,每生产一套仪器付给他25元专利费。由于原设计使仪器极为笨重,该公司很快进行了设计上的改进,使用了一块较小的电磁铁,并去掉了水冷却系统。当他们发现法国工程师艾德尔(Lement Ader,1843-1923)拥有与这种改进相似的设计时,公司取消了对专利费的支付,这使爱因托芬对德国商人极为失望。
    此后,爱因托芬转而与英国人合作,其合作伙伴是英国剑桥科学仪器公司(Cambridge Scientific Instrument Co.)的创建者、工程师贺拉斯(Sir Horace Darwin ,1851-1928),贺拉斯是生物进化论的创立者达尔文的第五个儿子,在英国有很好的声誉,心电图仪最初的商业开发型仪器就是由他的公司制造的,该仪器的设计者是英国著名电器工程师杜德尔,1911年产品正式推向市场。从1914年到1918年,剑桥科学仪器公司向英国各地医院提供了25套这种仪器,同时向美国出口了10套。在英国,这种仪器的第一种型号卖给了伦敦大学医学院附属医院的医师刘易斯(Sir Thomas Lewis ,1881-1945),主要用于研究工作。在美国,1911年一位在工程学方面受过高等教育的生理学家维廉姆斯(Horatio Burt Williams ,1877- 1955)访问了爱因托芬的实验室。回国后,他在一位机械师欣德尔(Charles Frederic Hindle,1875-1946)的帮助下,于1914年设计了美国第一台本国心电图仪,这台仪器提供给了美国著名的心脏学家科恩(Alfred Einstein Cohn,1879-1957)。欣德尔也凭借这一成功,组建欣德尔仪器公司(Hindle Instrument Co.)成为美国生产这种产品的首家公司。第一次世界大战后,该公司并入纽约的剑桥仪器设备公司,成为英国达尔文的剑桥仪器公司的美国分支机构。
    在20世纪50年代以前,心电图仪的发展主要是解决了小型化和提高灵敏度的问题。在这方面,德国的西门子和霍尔斯克公司((Siements and Halske Co.)做出了突出的贡献。他们先是将线圈原理和弦线式电流计结合起来,并设计了一种光学放大器以增强信号,提高仪器的灵敏性。后来,又在1921年率先在其制造的仪器上采用了真空管和示波器两大技术,这不仅大大提高了仪器的灵敏度,而且导致体积的小型化和信号记录的屏幕化。1921年设计的仪器可以安装在一辆四轮医用手推车上;1930年设计的仪器可以装在一个便携式操作箱里,由一个医生带到病人的家里使用;到1938年,最小体积的仪器只有14公斤重。50年代中期以后,心电图仪的改进步入了一个更高的层次,即计算机化以及与其他检测技术合成的阶段。美国在50年代首先开始研究用计算机处理心电图。1959年,在华盛顿举行的一次关于心电图数据处理方法的会议上,鉴定了一个模拟转换器和心电图分析的计算机程序。1960年,第一个专用心电图波形自动识别系统建立起来,从此心电图仪进入到数字化发展的新时代。
现代心电图学的建立和发展
    现代心电图学的建立和最初的发展当然与爱因托芬这个名字分不开,但是除爱氏之外,还有许多学者也为此做出了艰辛的努力,其成就也理应名垂史册。他们是:
    1908年,俄国学者萨莫依洛夫(Aleksandr Filippovich moylov,1867-1930)发表专著《心电图》(Elektrokardiogramme)。
    1909年,英国医师、心脏生理学家刘易斯(Thomas Lewis ,1881-1945)创办专用于心电图学这一领域的杂志《心脏》(Heart) ,1933年更名为《临床科学》(Clinical Science)。
    1909年,维也纳医生罗思伯格(Corl Rothberger)和温特伯格(Heinrich Winterberg ,1867-1929)描述了有关心房纤颤的心电图特点。
    1910年,爱丁堡医生里奇(William Ritchie)和乔利(William Jolly)首次描述了心房扑动的心电图表现。
    1912-1918年,美国芝加哥医师赫里克(James Herrick)对心肌梗塞的心电图表现进行了较系统的研究,并作了经典的描述。
    1913年,英国医师刘易斯出版了《临床心电图》(Clinical Electrocardiography)一书。
    1914年,迈因斯(G.R.Mines)首次提出反映心脏节律异常机理的“循环运动理论”( circus movement)。
    1914年,德国医师霍夫曼(Augustus Hoffmann,1862-1929)编著专业教科书《作为心脏研究方法的心电描记术及其成果》(Die Elektrographie als Untersuchungs methode des Herizens and ihre Ergebnisse)。
    1918年,美国芝加哥的学者史密斯(Fred Smith)通过结扎狗冠状动脉的实验,对心肌梗塞的心电图进行了补充研究。
    1919年,美国的帕迪(Harold Pardee)医师描述了伴随心肌梗塞的ST段和T波的特点。
    1921年,英国的刘易斯出版了该领域的大型要览性专著《心脏搏动的机理和图解记录》( The Mechanism and Graphic Registration of the Heart Beat)。
    1928年,英国的帕金森(John Parkinson)和贝德福德(Evan Bedford)进一步描述了心肌梗塞后的典型系列心电图,研究了冠状动脉血栓形成的心电图特征。
    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。
    在回顾现代心电图建立和早期发展的过程时,应该特别指出的是,英国医师刘易斯是几乎与爱因托芬齐名的杰出人物,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。爱因托芬在获诺贝尔奖后的演讲中也对他的工作给予了高度评价,他说:“我可以有把握地深信不疑,如果我们所作的没有了他(指刘易斯)的工作,没有了他的有价值的贡献,今天在心电图方面的广泛影响肯定不会达到目前的高度,我甚至怀疑我今天是否应该拥有站在你们面前的这种特殊的荣幸”。爱因托芬是伟大的,是真正具有科学家胸襟的人,刘易斯在建立现代心电图方面的贡献的确可以和爱因托芬相媲美。
    在刘易斯于1921年前后失去了在心电图方面的兴趣,转而投入其他领域后的另一个12年间,美国医师威尔逊及其同事们对该领域的贡献,成为继爱因托芬和刘易斯之后的又一个高峰。其特点是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,成为威尔逊对现代心电图学最重要的贡献。但是威尔逊的工作多数是在爱因托芬1924年获诺贝尔奖后完成的,当然他也与诺贝尔医学奖无缘了。今天,我们应该记住这些虽未获奖却功不可没的人们。
结语
    对现代心电图学建立的历史回顾,从中可以获得许多启迪。第一,技术的发明发展,必须有相应的基础研究为先导。心电图仪的发展和心电图学的建立如果没有早期人们对生物电的研究做为知识准备,很难想象会有后来的一系列成就。因此,科学的发展不能只强调实用性,不能过于功利,应重视基础科学的发展。第二,学术机构的学术传统是需要进行长期培养才能形成的一种无形的财富。爱因托芬和他的科学成果之所以能够产生于莱顿,并不是偶然的。如前所述,莱顿自17世纪已是欧洲最著名的学府,特别是在电生理学的研究方面,早在18世纪就取得了最初的一些成就。在爱因托芬时代,莱顿仍然在这一领域保持着很大的优势。第三,一项重大科学成果的取得,看似是某人在某个时期完成的,但稍加深入考察就会发现,在其前后往往有许多人为此作出过重要贡献,我们在记住某一个成功者的同时也应该记得那些为成功者铺路的人。爱因托芬在闻知自己获诺贝尔奖后曾说过:“贡献比我大的大有人在,由我领受这项科学大奖,我深感受之有愧!”以爱因托芬的成就,获奖是理所当然的,并非如他所说受之有愧,但他在获奖后,能够首先想到那些也曾作出重要成就却无缘得奖的人,真正体现出一位伟大科学家的胸怀和美德,这一点更值得今天的人们学习和纪念。

 


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