心电图机

背景

心电图（EKG 或 ECG）是一种以图形方式记录心脏肌肉电活动的设备。它用于识别正常和异常心跳。于 1900 年代初首次发明，心电图（源自德国 心电图） 已成为重要的医疗诊断设备。

心电图机的功能取决于心脏产生电信号的能力。心脏由构成两个泵的四个腔室组成。右泵接收从身体返回的血液并将其泵入肺部。左侧泵从肺部获取血液并将其泵出到身体的其他部位。每个泵由两个腔室、一个心房和一个心室组成。心房收集流入的血液，当它收缩时，将血液转移到心室。当心室收缩时，血液被泵离心脏。

心脏的泵血动作由位于右心房的起搏器区域或窦房结调节。通过钙离子、钠离子和钾离子穿过细胞膜的扩散，在该区域产生电脉冲。这些离子运动产生的冲动首先传递到心房，使它们收缩并将血液推入心室。大约 150 毫秒后，脉冲移动到心室，使它们收缩并将血液泵离心脏。当冲动远离心室时，这些部分就会放松。

使用心电图，医生可以测量这些脉冲在心脏不同位置的相对电压。心电图是可能的，因为身体是电的良导体。当心脏的某个部分产生电势时，电流就会传导到特定区域的体表。在这些区域连接身体的电极可以测量这些电流。

由心电图测量的电信号已被表征并代表心跳的各个阶段。每次心脏跳动时，都会产生三个不同的心电图波。看到的第一个脉冲称为 P 波。这测量起搏器产生的电信号。下一个脉冲是最大的信号，称为 QRS 复合波。图中的这一部分表示由心房松弛和心室收缩产生的电信号。完成循环的是 T 波，它表示心室的松弛或复极。心跳的特征音对应于 QRS 波群和 T 波。

心电图提供有用的数据，可以帮助检测与心脏功能相关的各种问题。可以使用心电图进行的一项基本确定是心率，它可以通过测量峰值之间的距离来确定。某些医疗问题的诊断也是可能的。例如，在高血压患者中，QRS 波群的振幅显着增加。心电图也可以检测体内某些化学物质的平衡，因为信号的幅度与体内化学物质的水平有关。通过 Q 波的变形也可以观察到心脏的损伤。心电图最有用的特性是它能够检测和描述心律失常或心跳异常。被称为 Holter 监视器的心电图机用于这些检测。最后，心电图可用于观察动脉中的阻塞。这通常是通过寻找 S 波和 T 波之间的凹陷段来完成的。

历史

心电图的发展始于发现活组织的电势。 1787 年，阿洛伊西奥·路易吉 (Aloysio Luigi) 首次研究了这种电动效应。通过他的实验，他证明了活组织，尤其是肌肉，能够发电。之后，其他科学家在电子势中研究了这种效应。早在 1856 年就观察到了心脏跳动的电子电位的变化，但直到威廉·埃因托芬发明了弦振计，才可以制造出实用的、功能正常的心电图机。

弦振计是一种由悬挂在磁场中的粗弦组成的装置。当心脏电流的力施加到这个装置上时，弦移动，然后这些偏转被记录在相纸上。第一台心电图机于 1903 年由 Einthoven 推出。它被证明是一种流行的设备，很快在欧洲各国开始大规模制造。早期的制造商包括慕尼黑爱德曼父子公司和剑桥科学仪器公司。心电图于 1909 年被带到美国，由 Hindle Instrument Company 制造。

最初的心电图机设计在推出后不久就开始了改进。一项重要的创新是减小电磁铁的尺寸。这使得该机器具有便携性。另一项改进是开发了可以直接连接到皮肤的电极。最初的电极要求患者将胳膊和腿浸入装有大量氯化钠溶液的玻璃电极罐中。其他改进包括结合放大器，改善电子信号，和直接书写工具，使心电图数据立即可用。现代心电图机与这些早期型号相似，但已纳入微电子和计算机接口，使其更加实用和强大。虽然这些较新的机器使用起来更方便，但它们并不比 Einthoven 制造的原始心电图更准确。

原材料

心电图机由电极、连接线、放大器和存储和传输装置组成。心电图机中使用的电极或导联可分为双极和单极两种类型。双极肢体引线用于记录手腕和腿之间的电压差。这些电极放置在左腿、右手腕和左手腕上，在心脏中形成电脉冲的三角形运动，然后可以记录下来。与双极导联不同，单极导联记录参考电极与其连接的体表之间的电压差。这些电极连接到左右臂和左右腿。此外，它们被放置在胸部的特定区域，用于查看心脏电活动的变化模式。

制作了各种型号的电极，包括板式、吸式、液柱式和柔性电极等。平板电极是由不锈钢、德国银或镍制成的金属盘。它们用胶带粘在皮肤上。抽吸电极使用真空系统保持原位。它们由镍或银和氯化银设计而成，并连接到产生真空的压缩机上。另一种类型的电极，液柱电极，对患者的运动不太敏感，因为它被设计成避免与皮肤直接接触。柔性电极最适用于获取婴儿的心电图读数。它是由细不锈钢或银丝编织而成的网状物，并附有柔性引线。电极像小绷带一样贴在皮肤上。

需要心电图放大器将来自身体的微弱电信号转换为输出设备更易读的信号。在测量相对低电平的信号时，差分放大器很有用。在心电图期间，来自身体的电信号从电极传输到放大器的第一部分，即缓冲放大器。在这里，信号被稳定并放大了 5 到 10 倍。随后是一个电子网络，来自单极导线的信号被转换。然后差分前置放大器将信号过滤并放大 10 到 100 倍。

接收来自患者的直接信号的放大器部分通过光隔离器与心电图机其余部分的主电源电路分开，防止意外电击的可能性。主放大器位于主电源电路中。在这个有源放大器中，信号被转换为适合输出到适当设备的电流。

心电图机最常见的输出形式是纸带记录器。该设备随时间提供心电图信号的硬拷贝。还使用了许多其他类型的设备，包括计算机、示波器和磁带装置。由于收集的数据是模拟形式，因此必须将其转换为数字形式以供大多数电子输出设备使用。为此，EKG 的主要电路通常具有内置的模数转换器部分。

需要各种其他部件来完成心电图单元。由于信号通过皮肤传递到电极的能力很弱，因此通常使用电解质膏。这种糊状物直接涂抹在皮肤上。它主要由氯离子组成，有助于在皮肤和电极之间形成导电桥，从而实现更好的信号传输。其他组件包括安装夹、各种传感器和热敏纸。

制造
过程

心电图机的组件通常单独制造，然后在包装前组装。这些组件，包括电极、放大器和输出设备，可以由外部制造商提供或内部制造。

电极

• 1 心电图机最常用的电极是银电极和氯化银电极，因为这些电极的电极电位在暴露于生物组织时是稳定的。电极是从外部供应商那里收到的，并检查它们是否符合设定的规格。使用的电极类型取决于心电图模型。一台心电图机通常会提供多种类型的电极。每个电极都包含一根屏蔽电缆，可以连接到主设备。

内部电子设备

• 2 心电图设备的电子元件非常复杂，并使用最新的电子处理技术。放大器和输出设备的组装与其他电子设备的组装非常相似。它从一块绘制了电子配置的电路板开始。然后将该板通过一系列机器，这些机器将适当的芯片、二极管、电容器和其他电子零件放置在适当的位置。完成后送至下一步进行焊接。
• 3 电子元件通过波峰焊机固定在板上。进入这台机器的电路板首先被清洗以去除任何污染物。然后使用红外线加热电路板。电路板的底面通过一波熔化的焊料，通过毛细作用填充适当的位置。当电路板冷却时，焊料变硬，将零件固定到位。

显示设备

• 4 根据显示设备的类型，制造方法不同。某些设备，例如磁带录音机和纸质打印机，可以由外部制造商提供。计算机微处理器等其他组件可以与主要内部电子设备一起设计和制造。

总装

• 5 将心电图机的组件组装并放置在适当的金属框架中。然后将成品设备与备用电极、打印纸和手册等附件一起放入最终包装中。然后将它们发送给分销商，最后发送给客户。

质量控制

为确保所制造的每台心电图设备的质量，在整个生产过程中都会进行视觉和电气检查，大多数缺陷都会被检测到。每个完整的心电图设备的功能性能都经过测试以确保其正常工作。这些测试是在不同的环境条件下进行的，例如过热和过湿。

大多数制造商为其生产的心电图机设定了自己的质量规范。然而，各种医疗组织和政府机构已经提出了标准和性能建议。一些被认为重要的因素是标准化输入信号范围、频率响应、校准信号的准确性和记录持续时间。

未来

未来，将开发更强大和改进的心电图机。这些机器将利用最新的计算机技术，使诊断更快、更准确。它们将更加强大，能够测量微小的电子电位，例如胎儿心率。它们还将使构建跳动心脏的三维模型成为可能，为医生提供更多的诊断数据。还可能会发现心电图机的新应用，例如最近应用心电图机来确定药物的功效。

最近的一项创新可能标志着心电图发展的新方向。一家公司开发了一种便携式心电图监测器，可收集可直接通过电话传输的数据。患者将电极放在每条手臂下，并将发射器连接到电话话筒上。信号被发送到监控中心，在那里计算机将其转换为心电图读数。然后可以将这些信息传输给医生，从而可以更早地发现某些患者的心脏问题。