2.1 心电信号的测量
2.1.1 心电信号的产生原理
无论在安静状态还是活动状态下，人体活的细胞或组织都具有生物电现象。心脏由无数个心肌细胞所组成。心肌细胞的“跨膜电位（transmembrane potential）”是指心肌细胞的细胞膜内外两侧的电位差，它包括静息状态下的“静息电位（resting potential）”和兴奋状态下的“动作电位（action potential）”。静息电位是指心肌细胞未受到刺激时细胞膜内外两侧的电位差，以膜外为0mV，则膜内为-90mV。这种以细胞膜为界，膜外呈正电位、膜内呈负电位的相对稳定状态称为“极化状态”。当细胞膜的极化状态被破坏，心肌细胞在静息电位的基础上发生一次快速的电位波动，称为“动作电位”。这一过程包括“去极化过程（0期）”和“复极化过程（1期、2期和3期）”。
心肌细胞的跨膜电位是产生心电信号的基础。图2-1描述了单个心室肌细胞的去极化和复极化过程。
图2-1 单个心室肌细胞的去极化和复极化过程[4]
在0期去极化过程中，膜内电位由-90mV急剧上升到+30mV。随后通过1期、2期和3期复极化过程，膜内电位又从+30mV逐步下降到-90mV，恢复到去极前的极化状态。其中，2期复极又被称为“平台期”，此时膜内电位基本停滞在0mV附近，膜内外两侧呈等电位状态。心肌细胞的跨膜电位是细胞内外离子活动的表现，K+、Na+、Ca2+等离子的跨膜流动造成了细胞膜内外的电位变化。
心脏不仅是推动血液循环的动力器官，也是能自行发生电激动的器官。在心脏的机械性收缩之前，心肌细胞首先发生电激动。心肌细胞的兴奋过程是触发心脏收缩反应的始动因素。心肌细胞具有兴奋性、自律性、传导性和收缩性4种生理特性。其中，兴奋性、自律性和传导性都以心肌细胞膜的生物电活动为基础，故又称为心肌细胞的“电生理特性”。
2.1.2 心电图的基本知识
心肌细胞具有跨膜电位和电生理特性，整个心脏又是由无数个心肌细胞所组成，心电图（electrocardiogram, ECG）正是检测心脏生物电活动的基本手段。由窦房结产生的兴奋，依次传到心房和心室，在兴奋的产生和传导过程中所伴随的微小生物电流（即心电）能通过心脏周围的导电组织和体液，传导到身体表面，使体表各处产生不同的电位改变。将测量电极放置在体表的一定部位，用一个装有放大和描记功能的心电图机，把每一个心动周期中的电位变化记录成连续的曲线，即为心电图。心电图上所描记的曲线能反映心肌细胞的兴奋性、自律性和传导性，而与心脏的机械收缩活动无直接关系。
在人体不同部位放置电极，并通过导线与心电图机的正极和负极相连，构成电路，这种放置电极的方法及电路连接方式，称为心电图“导联（leads）”。国际公认的12导联由3个标准导联（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）、3个加压单极肢导联（aVR、aVL、aVF）和6个胸导联（V1～V6）组成。实际上，各导联电路的选择装置都安装在心电图机内，只要电极安放妥当，导线连接准确，拨动导联选择按钮，就可接通该导联的电路。一般心电图机都有5根导线，惯例是红色导线接右上肢，黄色导线接左上肢，绿色导线接左下肢，黑色导线接右下肢，白色导线接胸壁各点。在临床上，针对不同的病人，选用不同的导联。
图2-2为正常人每一个心动周期在心电图上出现的各波和波段，其生理含义如下。
图2-2 典型心电图[4]
P波（P Wave）：反映左、右心房去极化过程中的电位和时间变化。正常P波的持续时间小于0.11s，幅度小于0.25mV。
P-R间期（PR Interval）：是心房激动后至心室激动前的一段平线，主要反映兴奋通过房室交界区所产生的电位变化，因其传导非常缓慢，形成的电位变化很微弱，一般显示为等电位线。正常成年人的P-R间期在0.12～0.20s。
QRS波群（QRS Complex）：反映左、右心室去极化过程中的电位和时间变化。它包括3个紧密相连的电位波动，第1个向下的波称为Q波，第1个向上的波称为R波，第2个向下的波称为S波。正常成年人的QRS波群历时0.06～0.10s。正常人V5、V6胸导联的R波幅度小于2.5mV。
S-T段（S-T Segment）：代表心室早期复极（2期平台）的电位和时间变化。当心率在60～100次/min时，S-T段的持续时间为0.10～0.16s。
T波（T Wave）：反映心室晚期复极（3期）的电位和时间变化。正常情况下，T波的方向与QRS波群主波的方向一致。在R波为主的导联中，T波电压不应低于同导联R波的1/10。
U波（U Wave）：T波后0.02～0.04s出现的一个小波，有人认为是心肌传导纤维的复极波造成，也有人认为是心室的后电位所致，其确切的生理学含义目前尚无定论。
心电图波形的改变对于各种心脏疾病的诊断具有十分重要的意义。例如，P-R间期延长可能是房室传导阻滞的表现，冠状动脉粥样硬化引起心肌缺血和心肌梗死时常表现为异常的Q波、ST段移位或T波倒置。
需要说明的是，临床心电图研究的是整个心脏产生并反映到体表的电位变化，与图2-1所述的单个心肌细胞的跨膜电位变化曲线有所不同，但也存在着一定的对应关系：0期去极大致相当于心电图上QRS波群所处的时间；1期复极相当于QRS波群的终末与S-T段起始的交接点（即J点）；2期复极相当于S-T段；3期复极相当于T波。
在心电图上可以测量出RR间期（RR interval），它与心率（heart rate, HR）之间的关系是：
在人机工程学试验中，通常不需要做12个导联，只需根据实际需要选做其中的一个或若干个导联即可。而且，在人机工程学试验中，QRS波群、S-T段和T波波形发生变化的可能性很小，通常情况是RR间期发生改变。因此，“心率变异性”分析是人机工程学试验中一项非常重要的内容。