心電図｜心臓の電気活動を波形で捉える検査

心電図

心電図は、心臓の拍動にともなって心筋に生じる微小な電気的変化を、体表に貼った電極から記録した波形である。英語ではElectrocardiogramと呼ばれ、略称のECGやドイツ語由来のEKGが医療現場で広く使われている。体表で観測される信号はおよそ1mV前後と非常に小さく、記録には高感度の増幅回路と精密なノイズ処理が欠かせない。診断機器であると同時に、生体信号計測技術を凝縮した電子機器でもあり、計測工学や医療機器製造の分野でも代表的な題材として扱われる。

弦線検流計から始まった計測の歴史

ヒトの心臓の電気活動を体表から初めて捉えたのは、1887年に英国の生理学者オーガスタス・ウォーラーが毛細管電位計を用いた実験とされる。ただ、その波形は不鮮明で、臨床に使える水準ではなかった。転機となったのは1903年、オランダのウィレム・アイントーフェンが開発した弦線検流計である。磁界中に張った極細の石英糸に心臓由来の電流を流し、その振れを写真乾板に投影する仕組みで、装置全体の重量は約270kgに達したといわれる。アイントーフェンはP、Q、R、S、Tという波の名称を定め、この業績により1924年にノーベル生理学・医学賞を受けた。その後、真空管増幅器の登場によって装置は小型化し、1950年代以降はトランジスタ、1980年代以降はデジタル処理へと移行している。

波形を構成する要素

記録紙の標準設定は紙送り速度25mm/s、感度10mm/mVである。この条件では横方向の1mmが0.04秒、縦方向の1mmが0.1mVに相当し、方眼の目盛りから時間と電位を直接読み取れる。1回の拍動は、心房の興奮、心室の興奮、心室の回復という3つの段階に対応する波で構成される。

QT間隔は心拍数によって変わるため、RR間隔で補正したQTcで評価する。もっとも広く知られているのはBazettの式で、QTc = QT / √RR と表す。

12誘導の考え方

安静時の標準検査では、両手首・両足首の4電極と胸部の6電極、合計10個の電極を使い、12通りの「誘導」を得る。誘導とは、心臓の電気ベクトルをどの方向から眺めるかという視点のことである。四肢から得る第I・第II・第III誘導は2点間の電位差を測る双極誘導で、アイントーフェンの法則と呼ばれる関係 II = I + III が成り立つ。胸部のV₁〜V₆は水平断面上の変化を捉え、心筋梗塞の部位推定に威力を発揮する。

単極肢誘導の算出

aV_R、aV_L、aV_Fの3つは、近年のデジタル心電計では実際に測定せず、第I・第II誘導から演算で求める場合が多い。たとえば aV_R = −(I + II) / 2、aV_F = II − I / 2 という式で算出できる。独立した測定チャンネルは8本で済むため、回路規模とコストの削減につながる。

心電計の回路構成

体表電位は小さいうえ、皮膚と電極の接触面には数百mVもの分極電圧が生じる。この直流成分に埋もれた1mVの交流信号を取り出すため、心電計の信号経路は概ね次のように組まれている。

1. Ag/AgCl（銀・塩化銀）電極による皮膚との電気的接続
2. 入力保護回路（除細動器の高電圧パルスから回路を守る）
3. 計装アンプによる差動増幅回路での初段増幅
4. ハイパスフィルタとローパスフィルタによる帯域制限
5. 右脚駆動回路による同相電圧の抑制
6. A/D変換とデジタル処理、絶縁バリアを介したデータ転送

診断用の周波数帯域は0.05〜150Hzが一般的で、モニタ用途では基線の揺れを抑えるために0.5〜40Hz程度へ狭めることが多い。初段のオペアンプには高い入力インピーダンスと同相信号除去比（CMRR）が求められ、設計上は90dB以上をひとつの目安にするメーカーが少なくない。近年は24bitクラスのΔΣ型ADCとアナログフロントエンドを1チップにまとめた専用ICが普及し、ハイパスフィルタの多くをデジタル側で処理する構成も一般的になっている。

規格と電気安全

国内では、心電計の基礎安全と基本性能はJIS T 0601-2-25（IEC 60601-2-25に対応）で規定され、共通規格としてJIS T 0601-1が適用される。心臓に近い部位へ電極を装着する機器は、装着部の分類で最も厳しいCF形の要求を満たす必要があり、患者漏れ電流は正常状態で10μA、単一故障状態でも50μA以下に抑えなければならない。漏れ電流の管理が厳しいのは、ごく微小な電流でも心室細動を誘発するおそれがあるためである。法規の面では、心電計は薬機法上の医療機器のうち管理医療機器（クラスII）に分類され、多くが特定保守管理医療機器にも該当する。製造販売には認証取得が必要となり、EMCに関しては電磁両立性の副通則であるIEC 60601-1-2への適合も求められる。

測定現場で起こるノイズとその対処

実際の検査で問題になりやすいのは、商用電源由来の50Hzまたは60Hzのハムである。東日本と西日本で周波数が異なるため、国内向け機器ではハムフィルタの設定を切り替えられる仕様が標準的といえる。筋電図の混入や呼吸による基線の揺れも頻繁に起こる。部材を調達する立場から見ると、使い捨て電極は1枚あたり数十円程度と単価は低いものの、ゲルの乾燥によって接触インピーダンスが上がり、波形品質が大きく落ちる。保管温度や開封後の使用期限の管理が、検査結果のばらつきを抑えるうえで意外に効いてくる。機器を組み込むメーカー側では、電極ケーブルのシールド構造や接地の取り回しがEMC試験の合否を左右しやすい。試作段階でノイズ評価を前倒しで行うことが、開発期間を短縮する現実的な手段となっている。

ホルター心電図とウェアラブル機器への広がり

安静時の10秒程度の記録では、まれに起こる不整脈を捉えきれない。そこで米国のノーマン・ホルターが開発したのが、24時間以上連続で記録する携帯型の装置である。現在のホルター心電計は重さ数十g程度まで軽量化され、防水仕様で入浴中も記録できる製品が登場している。腕時計型のウェアラブル端末に単誘導の心電図機能を搭載する例も増え、日本では2020年に家庭用心電計プログラムとして医療機器承認を受けた製品が現れた。ただし単誘導で得られる情報は限られ、心房細動の検出などスクリーニング用途に向く一方、12誘導による精密検査を置き換えるものではない。用途に応じて誘導数、帯域、記録時間を選び分ける考え方は、病院向けの据置型でも民生機器でも変わらない。