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心电图与心音在心动周期中的时程关系

心電圖與心音在心動週期中的時程關係

(本文之圖二與圖五於正式刊登時刪除以求精簡) 台北市立中山女高 蔡任圃

一、前言

高中生物課程中,高三第五章第二節的主題為「動物體內的運輸」,課程中的一個重要內容為「心動週期(cardiac cycle)」,也就是心臟搏動的運動週期。教科書在介紹心動週期時,常一併介紹了心電圖的波形與心音的產生;而描述心電圖中各波型的意義時,常描述如下:透過皮膚表面偵測心肌電位的週期性變化,所繪製之電位變化圖形稱為心電圖(圖一);心電圖包含P 波、QRS 複合波與T 波等,其中P 波代表心房收縮的電位(心房的去極化),QRS 波代表心室收縮的電位(心室的去極化),T 波代表心室舒張的電位(心室的再極化)。根據上述的描述,許多教師將P 波時期視為心房收縮期間,QRS 複合波時期視為心房舒張與心室收縮期間,而T 波時期視為心室舒張期間(圖二),事實上,如此的描述並非正確。本文擬探討心動週期與心電圖之間的時程關係,也將討論心音產生的機制與時間。

心电图与心音在心动周期中的时程关系

心电图与心音在心动周期中的时程关系

圖一 心電圖中各波形所代表的生理意義。P 波代表心房發生去極化,QRS 複合波代表心室發生去

極化,T 波代表心室發生再極化。

心电图与心音在心动周期中的时程关系

心电图与心音在心动周期中的时程关系

圖二 部分教師講述之「心電圖中各波形相對於心動週期各時期的關係圖」,但此圖中的關係並不正確。 錯誤!!

二、心電圖與心動週期的關係

心房與心室的心肌發生去極化的同時,其肌肉壁尚未產生收縮運動,而是在去極化”之後”才發生肌肉壁收縮的運動(圖三)。換句話說,心房壁收縮的運動發生於心電圖中P 波(心房去極化)結束之後,而心室壁收縮的運動發生於心電圖中R 波(心室去極化)之後,其中心室壁收縮的運動可分為等體積收縮期(isovolumic ventricular contraction)與射血期(ventricular ejection)兩個階段,後者發生於QRS 複合波結束之後。同理,心室的舒張發生在T 波(心室再極化)結束之後,而心室壁舒張的運動亦可分為等體積舒張(isovolumic ventricular relaxation)、快速充填(rapid ventricular filling)與舒張後期(diastasis 或resting phase)三個階段。

前文所描述之部分教師所教授的心動週期(圖二),錯誤之處在於認為「去極化的當下即為肌肉壁收縮之時」與「再極化的當下即為肌肉壁舒張之時」,而未考慮兩生理現象之間的時間差,而直接將教科書中的描述與附圖做出錯誤的詮釋。

心电图与心音在心动周期中的时程关系

圖三 心電圖與心動週期的時程關係示意圖。壓力週期中最粗的曲線分別代表左心室與右心室的壓力變

化。IVC 代表等體積收縮,IVR 代表等體積舒張。

(a)心臟左側的情形。(b)心臟右側的情形。

(a) (b)

三、心室的等體積收縮與等體積舒張

心臟的收縮與舒張,各包含一段等體積收縮與等體積舒張,即在此段期間內,心室之容積無明顯的增或減(可見圖三心室容積變化曲線圖中,標示IVC與IVR的時段),此時肌肉壁所產生的能量轉換成心室內腔的壓力;換句話說,在等體積收縮與等體積舒張時,心室內腔壓力分別明顯地增加與降低,同時心室容積無明顯變化(圖四);而在其他時期中(例如:射血期與快速充填期),則是容積明顯地改變,使血液大量噴出或流入心室,而壓力無顯著變化。

心电图与心音在心动周期中的时程关系

圖四心動週期中左心室壓力與容積變化示意圖。

○1~○4依序為心動週期之四個事件:

○1、○2、○3、○4分別代表二尖瓣開啟、二尖瓣關閉、半月瓣開啟、半月瓣關閉

○1至○2為心室充填(容積明顯增加,壓力無明顯改變)

○2至○3為心室等體積收縮(壓力明顯增加,容積無明顯改變)

○3至○4為心室射血(容積明顯減少,壓力輕微增加)

○4至○1為心室等體積舒張(壓力明顯減少,容積無明顯改變)

四、心音產生的機制與時程

心臟瓣膜關閉後可因血液回流衝擊瓣膜與心臟壁或動脈壁產生震動,而發出心音(heart sound),因此心音產生的時間與心臟瓣膜關閉的時間直接相關。許多教師在教授心音產生的時程時,常以「心室開始收縮時」與「心室開始舒張時」闡述第一心音與第二心音產生的時間。若師生將此關係套用於錯誤的「心電圖-心動週期」關係(圖二),常推論出第一心音與第二心音分別發生於心電圖中Q波前與T波前(圖五);由於「心電圖-心動週期」關係的認知錯誤,所闡述之心音產生時程亦跟著錯誤。

圖五 常見之「配合心電圖闡述心音所產生的時程」,但此圖中「心音」所發生的時間並不正確。

心臟瓣膜關閉的時機雖與心室收縮或舒張的時機有關,但主要是受「心房—心室壓力差」與「心室—

動脈壓力差」所左右,例如圖六中○

4與○2,分別代表左心室壓力大於左心房與左心室壓力小於主動脈的時機,也分別就是二尖瓣與半月瓣關閉的時間(即第一與第二心音發生的時機)。另一方面,等體積收縮或等體積舒張的前提,是心室需為閉鎖狀態,方可使心臟壁舒張或收縮的初期,產生壓力的變化而非容積的變化;因此,必先發生瓣膜的閉鎖,心室方可進入等體積收縮或等體積舒張期,包含房室瓣關閉後心室隨即進入等體積收縮期,而半月瓣關閉後心室隨即進入等體積舒張期。由於心臟瓣膜關閉所產生的心音可持續一陣子(第一心音0.105~0.165秒;第二心音0.085~0.145 秒),故心音延續的時間幾乎橫跨了心室等體積收縮或等體積舒張的期間(圖六)。

心电图与心音在心动周期中的时程关系

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錯誤!!

心电图与心音在心动周期中的时程关系

圖六心動週期中,心電圖、心室壓力與心音的時程示意圖。圖中○1~○4之時間即為圖四中○1~○4之事件所發生之時機。IVC代表等體積收縮,IVR代表等體積舒張。

五、第三與第四心音

除了教科書上所介紹的第一與第二心音外,心音還包含能量較弱而不易聽取的第三與第四心音(圖六)。第一與第二心音分別是因房室瓣與半月瓣關閉時,血液逆流衝擊瓣膜所造成的振動;而第三心音(約持續0.1秒)是心室充填至某種程度時,心室壁產生振動所致;而第四心音(約持續0.03秒)是心房收縮時,血液流入心室時造成心壁與瓣膜的震動所致。第三、第四心音在一般正常人身上不易偵測,通常只發生

於老化與病態的心臟,因此可做為心臟相關疾病的診斷工具。