一、 緒論
1.3 論文架構
本論文共分為六個部分。第一章為緒論，介紹本研究目的與架構。第二章介紹 心電圖的歷史與基本原理。第三章介紹心率變異性的歷史與基本原理。第四章介紹 心率變異性之分析方法。第五章將介紹整個實驗步驟流程與方法。第六章為整個實 驗之結果分析與討論。第七章為本研究之結論以及未來的展望。
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第二章 Electrocardiology
2.1 Electrocardiology 的簡介
Electrocardiology 是一門學習心臟電氣相關知識，原理的學科，其中包含了電 生理學與生物物理學，較廣為人知的為心電圖(electrocardiogram，ECG)。
近年來，心電圖藉由電極片黏貼在皮膚上記錄心臟肌肉上的電位(electrical activity)，
因為心電圖的非侵襲性，簡易性，以及其準確性，在臨床上逐漸成為診斷心臟是否 異常的必要工具。藉由心電圖的紀錄，臨床醫生可藉此判斷病患心臟電氣活動是否 良好。雖然心電圖的診斷標準會隨著病患的種族，性別，心跳速率，以及其他的生 理狀況而有所改變，但是臨床上可藉由不同的 criteria 來作為參考以診斷該病人的 心臟狀況。
隨著電腦科技的發展，心電圖也發展出自動分析的心電圖機器。使用自動判讀 心電圖數據，臨床醫生在診斷病人心臟狀況時，更有效益。而心電圖也因此成為臨 床診斷不可或缺的一項檢查。
2.2 心電圖的歷史
L.G. Horan [25] 將心電圖的發展分成三個主要的階段，”電的時代(Era of Electricity)”，從以前到 1750 年；”生物電氣時代(Era of Bioelectricity)”，1750 年到 1900 年；以及”心臟電氣時代(Era of Cardiac Electric Sequence)”，1900 年至今。
這段時期的分類如圖 2.1 所示。
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圖 2.1 心電圖的發展時期[25]。
2.2.1 電的時代(Era of Electricity)
在十七世紀，歐洲科學家開始了解電的使用，同時他們也對於人們的肌肉是如 何運動感到興趣。Jan Swammerdam 首先發現即使沒有大腦的連結，青蛙的大腿 肌肉的也可以運動[27]。
2.2.2 生物電氣的時代(Era of Bioelectricity)
十八世紀中葉，科學家與生理學家已經廣泛的接受”電”這個概念，也致力於電 與生理之間的關係研究。因此，此時期被稱為”生物電氣期”。在這時期中，科學家 們發現一個有趣的現象，有些魚類天生就帶有電，雖然不知為何會帶有電，但是還
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是被作為醫療用途。
第一個使用電治療猝死的成功案例發生在 1774 年，倫敦的一個三歲小雨還不 幸由窗戶墜落，在做過所有急救措施都無效後，Mr. Squire 建議使用電極，在電極 後的三十分鐘，小女孩奇蹟似的恢復意識[28]。隔年，Abildgaard等人發現電可以讓 生物失去生命，同時也可以讓生命回復[29]。在此時期的科學家開始熱中於電流造 成肌肉運動的研究。
圖 2.2 Galvani 使用兩個金屬測量青蛙肌肉的實驗示意圖[30]。
Luigi Galvani 最早從實驗中證實可藉由生物方式產生的電流(圖 2.2)[30]，因此 此機器被命名為 galvanometer。然而，同時期的 Alessandro Volta 認為，兩個不 同的金屬相接觸會產生電流，因此主張此電流的產生並非為生物組織，而是由於兩
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個金屬接觸所造成的。以現在的科學知識，知道其實兩者言論都是對的。而 Volta 的研究，使得電池因而開始發展。
在十九世紀初，Carlo Matteucci 發現每一次的心跳都伴隨著電流的產生[31]。
德國生理學家 Emil Du Bois-Reymond 發展出在這個時期中最敏感的 galvanometer，
更使用此敏感的 galvanometer 發現了生物電位，即是現在所稱的動作電位(action
potential)[32]。在 1856 年，Rudolph von Koelliker 及 Heinrich Muller 在青蛙心臟 上記錄了第一個心臟動作電位(cardiac action potential)[33]。法國科學家 Gabriel
Lippmann 發展出 capillary electrometer，Marey 使用此機器記錄青蛙心臟的電力 活動並展現在相片上[34]。
1878 年，英國科學家 John Burden Sanderson 認為心臟的電流是由兩個片段 所組成的，也就是現在的 QRS 以及 T 波[35]。隨著一連串的研究以及 electrometer 的發展，在 1887 年，Augustus D. Waller 成功的紀錄了第一個人類的心電圖，如 圖 2.3 所示[36]。 Einthoven 在 1912 年敘述表示，因為 Waller 致力於心電圖的研 究並引進心電圖這個名詞，使其成為心臟科臨床檢查中最重要的一個項目。
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圖 2.3 1887 年由 Waller 所記錄的第一個人類的心電圖[36]。
圖 2.4 Einthoven 所定義的 ECG 片段[37]。
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2.2.3 心電圖時代(Era of Cardiac Electric Sequence)
Einthoven 利用弦取代線圈而使得 capillary electrometer 的敏感度更加上升。
經由此改良的 capillary electrometer 發現了心肌收縮的五個區域，Einthoven 將這 些區段命名為 P，Q，R，S 以及 T，如圖 2.4 示[37]。
在 1905 年，Einthoven 發明了”telecardiogram”，利用電話線將 ECG 波形從 醫院傳送到實驗室。1912 年，Einthoven 介紹了肢體誘導 Lead I，Lead II，以及
Lead III[38]。
三肢體誘導 Lead I，Lead II，以及 Lead III，可以由下列公式來表示：
Lead I = ＥL – ＥR (1)
Lead II = EF - ER (2)
Lead III = EF - EL (3)
EL：左上臂電位 ER：右上臂電位 EL：右下肢電位 由上列式子中可導出：
Lead II = Lead I + Lead III (4) 這就是 Einthoven’s Law，又稱為 Einthoven triangle。
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在 1907 年，Kraus 及 Nicolai 在德國柏林 Charite 醫院最早將心電圖使用在 臨床診斷上診斷病患。Einthoven 在 1913 年提出了心臟電力軸的向量概念。
Einthoven 致力於心電圖的研究，其貢獻使得心電圖不僅僅只是理論研究，更成為 臨床醫學上的診斷參考依據。在 1924 年，Einthoven 因為對心電圖領域重大的貢
獻而獲得諾貝爾獎。
1932 年，Wilson 增加了右手，左手，以及右腳的 5000Ω 電阻，發表了”Wilson
Central Terminal”，用以紀錄單極前胸誘導(Unipolar Chest Leads)[39] 如圖 2.5 及 圖 2.6 所示。
圖 2.5 (A) Wilson central terminal 的電路示意圖。
(B) Wilson central terminal 的位置。
資料來源：Jaakko Malmivuo, Robert Plonsey, Bioelectromagnetism - Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields, Oxford University Press, New York, 1995.
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圖 2.6 Wilson central terminal 藉由右手左手及左腳加上5 kΩ 的電阻衍伸而來。
資料來源：Jaakko Malmivuo, Robert Plonsey, Bioelectromagnetism - Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields, Oxford University Press, New York, 1995.
藉由平均右手，左手及左腳的電位平均數，計算此平均數與胸前單一點的差異，
此差異即稱為電位差異(Potential Variation)。Central Terminal 的作用即是用來紀錄 胸前單一點的電位差異。此種方式稱為單極誘導(Unipolar Lead) [39]，
Central Terminal Potential 為右手，左手及左腳的電位平均數，因此可用以下 數學算式表示:
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EWCT=1/3 (ER+EL+EF) (5) EWCT ：Wilson Central Terminal 電位
ER: 右手上臂電位 EL：左手上臂電位 EF：左腳下肢電位
在 1942 年，Goldberger 介紹 augmented unipolar limb lead 到心電圖領域[40]。
其方法是捨棄了 Wilson Central Terminal 中連結到單肢的誘導，而直接放上電極紀 錄。藉由此方法訊號可放大 50%，因此被稱為 augmented unipolar limb lead。修
正後的 VR，VL，VF 使用 aVR，aVL，以及 aVF 來表示。
其數學式可寫為：
VR = ER-EWCT (6)
aVR = ER-EGC
= ER-1/2 (EL + EF)
= 3/2ER-1/2 (EL + EF + ER)
= 3/2 [ER-1/3 (EL + EF + ER)]
= 3/2 [ER-EWCT]
= 3/2 VR (7)
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aVR：修正後的右肢電極。
EGC：修正後的終極電位。
EWCT：Wilson’s 中央終極電位。
ER：右上臂電位。
EL：左上臂電位。
EF：左腳電位。
利用相同的運算方法，可以推論出 aVL，及 aVF。修正後的單極誘導因而建立。
1944 年，為了測量電位時能夠更靠近心臟，Wilson 團隊發展出六個胸前紀錄 電極的部位，稱為胸前誘導(precordial leads)，V1-V6。V1 與 V2 分別位於胸骨左 右兩邊的第四肋間。V4 位於鎖骨中線的第五肋間。V3 位於 V2 與 V4 中間。V6 位 於腋中線的第五肋間。V5 位於 V4 與 V6 中間[41]。
現今臨床上最普遍使用的 ECG 系統，為標準十二誘導心電圖(Conventional 12-lead ECG)。包含了，Einthoven 所引進的三個肢體誘導(Limb Leads) I，II，III；
三個 augmented unipolar limb leads：aVR，aVL，及 aVF；另外還有胸前誘導 (Precordial Leads) V1-V6。
在 1993 年，Robert Zalensk 甚至增加 V4R, V8 以及 V9 至心電圖系統，發展 出 15-lead ECG，用以評估診斷急性冠狀動脈的病症[42]。
心電圖的發展，是經由許多的學者及臨床醫生共同努力才有了現在的結果。由
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於飲食以及生活習慣的改變，患有心血管疾病的病患也越來越多，造成了每日大量 的心電圖記錄的產生，而這些心電圖資料的分析與儲存成了很大的問題。過多的心 電圖記錄占用了臨床醫生很大的時間。為了解決這樣的問題，電腦自動化的 ECG 蓬勃發展。藉由電腦的自動化儲存，分析，紀錄，以及診斷，使得臨床醫生在評估 病情時，更有效率，也加省時間。然而電腦自動診斷 ECG 仍有其缺點需要克服，
例如心電圖會因為病人的心情而有些微改變，而電腦無法診斷出此種異常。以目前 的自動化心電圖而言，無法做單獨的診斷，可做為臨床醫生診斷時的參考，節省醫 生的時間。也許在不久的將來，經由與專業的心臟科醫生共同研究合作，使得電腦 自動判讀病情方面能夠更加準確，來提供臨床醫療人員使用。
2.3 心臟的基本功能
心臟由四個腔室所構成，分別為左右心房以及左右心室，圖2.7。心室收縮的 時候，血液進入動脈而流至全身，心室放鬆時，血液經由心房回到心室。位於心臟 上方的腔室稱為心房，分為左心房與右心房；位於下方的稱為心室，分為右心室與 左心室。右心房與上下腔靜脈相接，負責將血液送回心臟。左心房與肺靜脈相接，
右心室與動脈相連接，左心室與大動脈相連接。
在血液循環中，缺氧血經由上下腔大靜脈回到右心房，右心房將血液輸送至右 心室，就由右心室的收縮作用，再經由肺動脈送至肺部交換氣體，將新鮮帶氧血液 經由肺靜脈流入左心房，再進入左心室，最後再經由心室的收縮作用，使得血液由 主動脈送至全身各處[43]。
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圖 2.7 心臟的橫切面示意圖。
資料來源：Chung, M.K., Rich, M.W. “Introduction to the cardiovascular
system”, Alcohol Health and Research World, 14, pp. 269 – 276, 1990.
2.4 心臟的傳導系統
心臟可以自動且規律的收縮藉以將血液傳送至全身，其可以自動的收縮跳動乃 因在心臟上有特化的肌肉組織，能釋放，以及傳導電刺激，引起心房心室的收縮，
藉以啟動心搏。心臟的特化心肌組織包含了竇房節(Sinuatrial Node, SA node )，房 室節(Atrioventricular Node，AV node)，bundle branch，以及Purkinje fibers，如 圖2.8所示。
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圖 2.8 心臟傳導系統
資料來源：C. Guyton, John E. Hall, Textbook of Medical Physiology, eleventh edition, Elsevier Inc., 2006, USA.
SA node 又稱為心臟的節律點(pacemaker)，具有啟動心跳的作用。位於右心 房上方大靜脈附近。SA node去極化後，會放電並產生電流使心肌收縮，而此放電 速率就會決定了心跳速率。SA node 的去極化後，會促進心房的收縮而此電流繼 續傳導至AV node.
AV node 會接受SA傳來的電流，此AV node傳導動作電位的速度較慢(延遲0.1 秒)，使得心房與心室的收縮不會同時發生，而心房有足夠的時間收縮讓血液進入
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心室，然後心室才發生收縮將血液輸至動脈傳送到全身。電流由AV node傳至
心室，然後心室才發生收縮將血液輸至動脈傳送到全身。電流由AV node傳至