生理学（教科書）：Ch11 – Fundamentals of Electrocardiography

心電図の基礎（Fundamentals of Electrocardiography）

心臓内を心臓インパルスが通過するとき、電流は心臓から心臓周囲の隣接組織に広がります（electrical current）。その一部は体表面まで広がり、皮膚上に電極を心臓の反対側に配置すれば、その電流によって発生した電位を記録できます。この記録を心電図（electrocardiogram, ECG）といいます。正常な心電図の例が図11-1に示されています。

Figure 11-1. Normal electrocardio- gram.

正常心電図の波形（WAVEFORMS OF THE NORMAL ELECTROCARDIOGRAM）

正常な心電図（図11-1参照）は、P波（P wave）、QRS複合波（QRS complex）、T波（T wave）から構成されます。QRS複合波は通常、Q波、R波、S波の3つの波で構成されることが多いです。P波は心房が収縮を開始する前に、心房が脱分極（depolarization）するときに発生する電位によって引き起こされます。QRS複合波は心室が脱分極する際に発生する電位で、心室が収縮を開始する前に発生します。したがって、P波とQRS複合波は脱分極波（depolarization waves）です。T波は心室が脱分極から回復する際に発生する電位によって引き起こされ、このプロセスは通常、脱分極後0.25～0.35秒後に心室筋で起こり、T波は再分極波（repolarization wave）として知られています。

このように、心電図は脱分極波と再分極波で構成されており、脱分極と再分極の原理は第5章で詳しく説明されています。脱分極波と再分極波の区別は心電図で非常に重要なため、これについてさらに明確にする必要があります。

心臓脱分極波と再分極波の違い（CARDIAC DEPOLARIZATION WAVES VERSUS REPOLARIZATION WAVES）

図11-2では、心筋繊維が脱分極と再分極の4段階にある様子が示されています。赤色は脱分極を示しています。脱分極時、繊維内の通常の負電位が反転し、内部がわずかに正、外部が負になります（negative potential, positive potential）。図11-2Aでは、脱分極が左から右に移動しています。繊維の前半は既に脱分極しており、残りの半分はまだ極性を保っています。このため、左側の電極は負の領域、右側の電極は正の領域に位置しており、メーターは正の値を記録します。脱分極が半分進行した時点で、メーターの記録は最大の正の値を示します。

図11-2Bでは、脱分極が全繊維に広がり、両電極が同じ負の領域に位置しているため、記録はゼロの基準線に戻ります。これは、脱分極が繊維膜を介して伝わった結果生じた脱分極波です。図11-2Cでは、同じ筋繊維の再分極が半分進行し、繊維の外部に正の電荷が戻り始めています。この時点で、左側の電極は正の領域に、右側の電極は負の領域に位置し、これは図11-2Aとは逆の極性です。したがって、記録は負になります。

図11-2Dでは、筋繊維が完全に再分極し、両電極が正の領域に位置しているため、再び電位差が記録されなくなり、記録はゼロに戻ります。この完了した負の波は、再分極が筋繊維膜を介して伝わった結果として生じた再分極波です（repolarization wave）。

心室筋の単相性活動電位と標準心電図におけるQRS波およびT波との関係（Relation of the Monophasic Action Potential of Ventricular Muscle to the QRS and T Waves in the Standard Electrocardiogram）

心室筋の単相性活動電位（monophasic action potential）は、第10章で説明したように、通常0.25～0.35秒持続します。図11-3の上部には、心室筋繊維の内部に挿入されたマイクロ電極から記録された単相性活動電位が示されています。この活動電位の上昇部分は脱分極（depolarization）によって引き起こされ、基準線への復帰は再分極（repolarization）によって引き起こされます。

Figure 11-3. Top, Monophasic action potential from a ventricular mus- cle fiber during normal cardiac function showing rapid depolarization and then repolarization occurring slowly during the plateau stage but rapidly toward the end. Bottom, Electrocardiogram recorded simultaneously.

図の下部には、同じ心室から同時に記録された心電図が示されています。QRS波（QRS waves）は単相性活動電位の開始時に現れ、T波（T wave）は終了時に現れます。特に注目すべき点は、心室筋が完全に極性化（polarized）または完全に脱極性化（depolarized）されているときには、心電図に電位が記録されないということです。心筋が部分的に極性化され、部分的に脱極性化されているときにのみ、心室の一部から別の部分に電流が流れ、それが体表面にも流れ込んで心電図（ECG）を生成するのです。

心房および心室収縮と心電図の波形との関係（RELATIONSHIP OF ATRIAL AND VENTRICULAR CONTRACTION TO THE WAVES OF THE ELECTROCARDIOGRAM）

筋収縮が始まる前に、脱分極が筋を通過して収縮を開始する化学プロセスを起こす必要があります。図11-1を再参照すると、P波は心房の収縮の開始時に発生し、QRS複合波は心室の収縮の開始時に発生します。心室はT波が終わるまで、すなわち再分極が完了するまで収縮した状態を保ちます。

心房はP波の終了後0.15〜0.20秒で再分極しますが、このタイミングはちょうど心電図でQRS複合波が記録されている時期にあたります。したがって、心房の再分極波（atrial repolarization wave）、すなわち心房T波（atrial T wave）は、通常、より大きなQRS複合波によって隠されてしまい、心電図上ではほとんど観察されません。

心室の再分極波は、正常な心電図におけるT波です。通常、心室筋の一部は脱分極波（QRS複合波）の開始から約0.20秒後に再分極を開始しますが、他の繊維では再分極が完了するまで0.35秒かかることもあります。したがって、心室の再分極プロセスは約0.15秒間続きます。このため、正常な心電図のT波は長くなりますが、その電圧はQRS複合波の電圧よりもかなり低くなります。これは、T波が長時間にわたるためです。

心電図の較正と表示（ELECTROCARDIOGRAPHIC CALIBRATION AND DISPLAY）

すべての心電図記録には、表示グリッド上に適切な較正線が入れられています。歴史的には、心電図は電子的に記録され、紙に印刷されていましたが、現在では通常デジタル表示されます。図11-1に示されているように、水平較正線は、標準心電図において、上下10の小さな線分が1ミリボルト（millivolt）を表し、上向きが正（positivity）、下向きが負（negativity）です。

縦線は時間較正線です。標準的な心電図は、1秒間に25ミリメートルの速度で記録されますが、場合によってはそれよりも速い速度で記録されることもあります。したがって、横方向の25ミリメートルは1秒に相当し、濃い縦線で示される5ミリメートルのセグメントは0.20秒を表しています。さらに、この0.20秒の間隔は、薄い線で示される5つの小さい間隔に分割されており、それぞれが0.04秒を表しています。

正常心電図における電圧の基準（Normal Voltages in the Electrocardiogram）

記録される心電図の波の電圧は、電極を体表面にどのように配置するか、また電極が心臓にどれだけ近いかによって異なります。例えば、1つの電極を心室の真上に配置し、もう1つの電極を心臓から離れた体の別の部分に配置すると、QRS複合波（QRS complex）の電圧は3～4ミリボルト（millivolts）にもなることがあります。しかし、この電圧は心筋膜で直接記録される単相性活動電位（monophasic action potential）の110ミリボルトに比べると小さな値です。

通常、2本の腕、または片腕と片足の電極から心電図を記録する場合、QRS複合波の電圧はR波（R wave）の頂点からS波（S wave）の底までで1.0～1.5ミリボルトであり、P波（P wave）の電圧は0.1～0.3ミリボルト、T波（T wave）の電圧は0.2～0.3ミリボルトの範囲です。

P-QまたはP-R間隔（P-Q or P-R Interval）

P波の始まりからQRS複合波の始まりまでの時間は、心房の電気的興奮（electrical excitation）が始まってから心室の興奮が始まるまでの間隔を表しています。この期間はP-Q間隔（P-Q interval）と呼ばれます。通常のP-Q間隔は約0.16秒です。（しばしばこの間隔はP-R間隔とも呼ばれます。なぜならQ波が欠如していることが多いためです。）心拍数が速くなると、交感神経の活動増加や副交感神経の活動減少により、房室結節（atrioventricular node）の伝導速度が上昇し、P-R間隔は短縮します。逆に、心拍数が遅くなると、副交感神経の活動増加や交感神経活動の減少により、房室結節の伝導速度が低下し、P-R間隔は延長します。

Q-T間隔（Q-T Interval）

心室の収縮は、ほぼQ波（Q wave）の始まり（またはQ波が欠如している場合はR波（R wave）の始まり）からT波（T wave）の終わりまで続きます。この期間はQ-T間隔（Q-T interval）と呼ばれ、通常約0.35秒です。

心電図から測定される心拍数（Heart Rate as Determined from the Electrocardiogram）

心拍数は、心電図から簡単に測定できます。心拍数は、2つの連続した心拍（R-R間隔）の時間間隔の逆数です。もし2つの心拍の間隔が1秒であれば、心拍数は60拍/分です。成人の正常な心拍数は、2つの連続したQRS複合波の間隔が約0.83秒で、心拍数は60 ÷ 0.83で約72拍/分です。

心臓周期中の心臓周囲における電流の流れ（FLOW OF CURRENT AROUND THE HEART DURING THE CARDIAC CYCLE）

部分的に脱分極した心筋塊から電位を記録する方法（Recording Electrical Potentials from a Partially Depolarized Mass of Syncytial Cardiac Muscle）

図11-4は、中心部で刺激を受けた心筋シンシチウムの塊を示しています。刺激前は、すべての筋細胞の外部は正であり、内部は負でした。第5章での膜電位の議論で説明された理由により、心筋シンシチウムの領域が脱分極すると、負の電荷が脱分極した筋繊維の外部に漏れ出し、この部分の表面が電気的に負（electronegative）になります（図11-4のマイナス記号で表現されています）。心臓の残りの表面はまだ極性を保っており、プラス記号で表現されています。したがって、図の右側に示されているように、メーターの負の端子を脱分極した領域に、正の端子をまだ極性を保っている領域に接続すると、メーターは正の電位を記録します。

図11-4では、他の2つの電極配置とメーターの読み取り値も示されています。これらの配置と読み取り値を注意深く研究し、読者はそれぞれのメーター読み取りの原因を説明できるようにしてください。脱分極は心臓全体に広がるため、図に示された電位差はわずか数千分の1秒しか持続せず、実際の電圧測定は高速記録装置でのみ可能です。

胸部周囲における心臓周囲の電流の流れ（Flow of Electrical Currents in the Chest Around the Heart）

図11-5は、胸部内にある心室筋を示しています。肺はほとんどが空気で満たされているにもかかわらず、意外にも電気を伝導し、心臓周囲の他の組織に含まれる液体はさらに容易に電気を伝導します。したがって、心臓は実際には伝導性のある媒体に浮かんでいる状態です。心室の一部が脱分極して他の部分に対して電気的に負になったとき、電流は脱分極した領域から極性を保っている領域に大きな回路経路を通って流れます（図に示されている通り）。

第10章のプルキンエ系の議論を思い出してください。心臓インパルスは最初に心室中隔に到達し、その後すぐに心室の内部表面全体に広がります（図11-5の赤い領域とマイナス記号で示されています）。このプロセスは、心室の内部が電気的に負（electronegative）で、外壁が電気的に正（electropositive）であることを示しており、心室を囲む液体を通って楕円形の経路に沿って電流が流れます（図の曲線の矢印で示されています）。これらの電流のすべての線（楕円形の線）を代数的に平均すると、平均的な電流の流れは、心臓の基底部に向かって負が、心尖部に向かって正となります。

脱分極プロセスの残りの大部分においても、電流はこの同じ方向に流れ続けますが、脱分極は心室筋全体に内膜面から外側に向かって広がります。その後、脱分極が心室全体で完了する直前に、約0.01秒間、電流の平均的な流れの方向が逆転し、心尖部から基底部に向かって流れます。これは、心臓の最後に脱分極する部分が心基部付近の心室外壁であるためです。

このように、正常な心臓の心室では、ほぼ全体の脱分極周期を通して、電流は主に心基部から心尖部に向かって負から正に流れますが、最後の瞬間には逆方向に流れます。もし体表面に電極を接続した場合（図11-5参照）、心基部に近い電極は負になり、心尖部に近い電極は正になり、心電図（ECG）上には正の記録が表示されます。

心電図のリード（ELECTROCARDIOGRAPHIC LEADS）

標準双極肢リード（Three Standard Bipolar Limb Leads）

図11-6は、患者の肢（limbs）と心電計（electrocardiograph）を接続して、いわゆる標準双極肢リード（standard bipolar limb leads）から心電図（ECGs）を記録するための電気的接続を示しています。「双極」という用語は、心電図が心臓の異なる側に配置された2つの電極（electrodes）から記録されることを意味します。この場合、それは肢に配置されたものです。したがって、リードとは、体から1本のワイヤーが接続されているのではなく、2本のワイヤーとそれに接続された電極の組み合わせで、体と心電計の間に完全な回路（complete circuit）を形成しています。図では、心電計は電気メーター（electrical meter）で表現されていますが、実際の心電計は高速で動作するコンピュータベースのシステムで、電子ディスプレイ（electronic display）が搭載されています。

リードI（Lead I）

肢リードI（limb lead I）を記録する場合、心電計の負極（negative terminal）は右腕（right arm）に、正極（positive terminal）は左腕（left arm）に接続されます。したがって、右腕の接続点が左腕の接続点に対して負であるとき、心電計は正の記録をします（正の電位が心電図に記録されます）。逆の場合には、心電計は基準線より下に記録されます。

リードII（Lead II）

肢リードII（limb lead II）を記録するためには、心電計の負極は右腕に、正極は左脚（left leg）に接続されます。したがって、右腕が左脚に対して負であるとき、心電計は正の記録をします。

リードIII（Lead III）

肢リードIII（limb lead III）を記録する場合、心電計の負極は左腕に、正極は左脚に接続されます。この場合、左腕が左脚に対して負であるとき、心電計は正の記録をします。

アイントーベンの三角形（Einthoven’s Triangle）

図11-6では、心臓を囲むエリアに三角形が描かれており、これをアイントーベンの三角形（Einthoven’s triangle）と呼びます。この三角形は、2本の腕と左脚が心臓を囲む三角形の頂点（apices）を形成していることを示しています。三角形の上部2つの頂点は、2本の腕が心臓周囲の体液（fluids around the heart）と電気的に接続する点を示しており、下部の頂点は左脚が体液と接続する点です。

アイントーベンの法則（Einthoven’s Law）

アイントーベンの法則（Einthoven’s law）は、3つの肢リード（limb leads）で心電図が同時に記録された場合、リードIとリードIIIで記録された電位の和がリードIIの電位に等しくなることを示しています。Lead I potential+Lead III potential=Lead II potential\text{Lead I potential} + \text{Lead III potential} = \text{Lead II potential}Lead I potential+Lead III potential=Lead II potential

つまり、3つの双極肢心電図リード（bipolar limb electrocardiographic leads）のうち、任意の2つの電位がある瞬間に既知であれば、残りの1つを単純に足し合わせることで求めることができます。ただし、この和を計算するときには、それぞれのリードの正負の符号（positive and negative signs）を必ず考慮する必要があります。

例えば、図11-6に示されているように、ある瞬間に右腕の電位が−0.2ミリボルト（millivolts, mV）で、左腕の電位が+0.3ミリボルト、左脚の電位が+1.0ミリボルトであると仮定します。この場合、リードIは右腕と左腕の電位差から+0.5ミリボルト、リードIIIは左腕と左脚の電位差から+0.7ミリボルト、リードIIは右腕と左脚の電位差から+1.2ミリボルトを記録します。このように、リードIとリードIIIの電位の和がリードIIの電位に等しいことが確認できます（0.5 + 0.7 = 1.2）。

このように、アイントーベンの法則は、3つの「標準的な」双極心電図が記録されている間の任意の瞬間に成り立ちます。

標準双極肢リードから記録された正常な心電図（Normal Electrocardiograms Recorded from the Three Standard Bipolar Limb Leads）

図11-7は、リードI、リードII、リードIIIで記録された心電図を示しています。これらの心電図はすべて、正のP波（positive P waves）および正のT波（positive T waves）を記録しており、QRS複合波の主要部分もすべて正です。それぞれの心電図の分析を行うと、任意の瞬間にリードIとリードIIIの電位の和がリードIIの電位に等しいことが、極性の正しい観察と慎重な測定により確認できます。このことは、アイントーベンの法則の有効性を示しています。

Figure 11-7. Normal electrocardiograms recorded from the three standard electrocardiographic leads (I–III).

3つの双極肢リードからの記録は互いに非常に似ているため、異なる心不整脈（cardiac arrhythmias）を診断する際には、どのリードが記録されたかはそれほど重要ではありません。なぜなら、心不整脈の診断は主に心周期中の波の時間関係に依存しているからです。しかし、心室または心房筋（ventricular or atrial muscle）の損傷やプルキンエ伝導系（Purkinje conducting system）の異常を診断する場合は、どのリードが記録されたかが非常に重要です。なぜなら、心筋収縮や心臓インパルス伝導の異常は、一部のリードでは心電図パターンに顕著な変化をもたらす一方、他のリードでは影響が少ないことがあるためです。これらの2つの状態、すなわち心筋症（cardiac myopathies）と心不整脈（cardiac arrhythmias）の心電図解釈については、第12章および第13章で個別に詳述されています。

前胸部リード（Precordial Leads）

心電図（ECGs）は、心臓の直上にある胸部前面（anterior surface of the chest）の1つの点に電極を配置して記録することがよくあります。この電極は、心電計（electrocardiograph）の正極（positive terminal）に接続され、負極（negative terminal）、すなわち無関電極（indifferent electrode）またはウィルソン中央端子（Wilson central terminal）は、右腕（right arm）、左腕（left arm）、左脚（left leg）に等しい電気抵抗を通して同時に接続されます（図に示されています）。通常、6つの標準的な胸部リード（chest leads）が、胸部前面にある6つの点（points）に順次配置された胸部電極（chest electrode）から1つずつ記録されます。これらの異なる記録は、それぞれV1、V2、V3、V4、V5、およびV6と呼ばれます。

図11-9は、健康な心臓の標準的な6つの胸部リードから記録された心電図を示しています。心臓の表面は胸壁に非常に近いため、各胸部リードは主にその電極直下にある心筋の電位（electrical potential）を記録します。したがって、心室特に前方心室壁（anterior ventricular wall）のわずかな異常でも、個々の胸部リードから記録された心電図に顕著な変化を引き起こすことがあります。

リードV1およびV2では、正常な心臓のQRS波形は主に負です（mainly negative）。これは、これらのリードの胸部電極が心臓の基底部（base of the heart）に近く、心室脱分極過程（ventricular depolarization process）の大部分で心臓の基底部が負の方向（electronegative）にあるためです。逆に、リードV4、V5、およびV6では、QRS複合波は主に正です（mainly positive）。これは、これらのリードの胸部電極が心臓の心尖部（apex of the heart）に近く、心臓の脱分極の大部分で心尖部が正の方向（electropositive）に向かっているためです。

増強肢リード（Augmented Limb Leads）

もう1つの広く使用されているリードシステムに、増強肢リード（augmented limb leads）があります。このタイプの記録では、3本の肢のうち2本が電気抵抗を介して心電計の負極に接続され、残りの1本が正極に接続されます。正極が右腕（right arm）にある場合、そのリードはaVRリード（aVR lead）と呼ばれます。正極が左腕（left arm）にある場合、そのリードはaVLリード（aVL lead）と呼ばれ、正極が左脚（left leg）にある場合はaVFリード（aVF lead）と呼ばれます。

図11-10には、増強肢リードからの正常な記録が示されています。これらの記録は、標準的な肢リード（standard limb lead）記録に非常によく似ていますが、aVRリードの記録が反転している点が異なります（inverted）。なぜこの反転が起こるのでしょうか？極性の接続（polarity connections）を調べて、この質問の答えを導き出してください。

心電図の表示（Electrocardiographic Display）

リード（leads）は、通常、図11-11に示されているように3つのグループに分けて表示されます。まず標準双極肢リード（standard bipolar limb leads: I, II, III）、次に増強リード（augmented leads: aVR, aVL, aVF）、最後に前胸部リード（precordial leads: V1–V6）です。

ホルター心電図（Ambulatory Electrocardiography）

標準的な心電図（standard ECG）は、通常、患者が安静にしている間に、短時間で心臓の電気的活動を評価するために使用されます。しかし、稀に発生するが重要な心調律異常（cardiac rhythms）に関連する状況では、心電図を長時間にわたって観察することが有用です。これにより、標準的な安静時心電図では見逃される可能性のある、一時的な心臓の電気現象を評価することができます。患者が日常生活を送っている間の心臓の電気的活動を評価するために心電図を延長することを「ホルター心電図（ambulatory electrocardiography）」と呼びます。

ホルター心電図のモニタリングは、通常、一時的な不整脈（transient arrhythmias）や他の一過性の心臓異常が原因であると考えられる症状を示す患者に使用されます。これらの症状には、胸痛（chest pain）、失神（syncope）やその前兆（near syncope）、めまい（dizziness）、および不整脈（irregular heartbeats: palpitations）などがあります。重篤な一時的な不整脈やその他の心疾患を診断するために必要な重要な情報は、症状が発生している正確なタイミングで記録された心電図です（ECG during the precise time that the symptom is occurring）。これらのデバイスは、無症候性の心不整脈（asymptomatic cardiac arrhythmias）を検出するためにも使用されます。例えば、脳卒中を引き起こす可能性がある塞栓（embolus）形成のリスクを高める心房細動（atrial fibrillation）などが検出されることがあります。不整脈の発生頻度の日々の変動が大きいため、検出には日中にわたってホルター心電図のモニタリングが必要になることがよくあります。

ホルター心電図記録装置にはいくつかの種類があります。連続記録装置（continuous recorders: Holter monitors）は、通常、24～48時間使用され、この期間内に症状と心電図イベントの関係を調査します。間欠的な記録装置（intermittent recorders）は、より長期間（数週間から数ヶ月）使用され、発生頻度の低いイベントを検出するために断続的な記録を提供します。これらの記録は通常、患者が症状を感じた際に手動で開始されます。

また、小さなデバイス、たとえば大きなクリップほどのサイズの「埋め込み型ループレコーダー（implantable loop recorder）」が皮膚の下に埋め込まれ、心臓の電気活動を2～3年間連続してモニタリングすることができます。このデバイスは、心拍数が設定されたレベルを下回るか、上回ったときに自動で記録を開始するようにプログラムすることもできますし、めまい（dizziness）のような症状が発生した際に、患者が手動で作動させることもできます。

ソリッドステートデジタル技術（solid-state digital technology）の進歩やマイクロプロセッサを搭載した記録装置により、心電図データ（electrocardiographic data）の連続または断続的な電話回線を介した伝送が可能となりました。また、洗練されたソフトウェアシステムにより、データが取得されると同時にオンラインで迅速なコンピュータ分析が提供されます。さらに、最新のウェアラブルデバイス（wearable devices）として、家庭での心拍リズムのモニタリング用に開発されている腕時計型デバイスや手持ち型心電図モニタリングデバイスもあります。