第 1 章 心臟電生理基礎：離子通道、動作電位與傳導系統解剖
學習目標
- 說明心室心肌與竇房結／房室結細胞動作電位的差異，以及各期主要的離子電流。
- 解釋不反應期、傳導速度與 source–sink 關係，並連結到臨床上的傳導阻滯與迴旋。
- 描述竇房結、房室結、His–Purkinje 系統的解剖位置與血液供應，以及與電生理手術相關的鄰近構造。
- 將常用抗心律不整藥物與遺傳性心律不整症候群對應到特定離子電流。
1.1 為什麼一般心臟科醫師需要懂細胞電生理
門診裡每一個心律不整的決策，背後都有一個離子通道的故事：為什麼 adenosine 能中止 AVNRT 卻對大多數心房頻脈無效？為什麼 flecainide 在缺血性心臟病是禁忌？為什麼 LQT2 的病人怕鬧鐘、LQT1 的病人怕游泳？為什麼房室結會「越快越慢」（decremental conduction）？這些問題的答案，全部來自動作電位與傳導系統的基本性質。本章不追求分子生物學的細節，而是建立一套 可以直接對應到心電圖、藥物與手術 的工作模型。
1.2 靜止膜電位與離子梯度
心肌細胞的靜止膜電位由跨膜離子濃度差與膜對各離子的通透性決定。Na⁺/K⁺-ATPase 以 3 Na⁺ 出、2 K⁺ 入的方式維持細胞內高 K⁺（約 140 mM）、低 Na⁺（約 10 mM）的環境。靜止時膜對 K⁺ 的通透性最高（主要透過內向整流鉀通道 IK1），因此靜止膜電位接近 K⁺ 的平衡電位（Nernst 電位約 −90 mV）。
這個簡單的事實有三個臨床推論：
- 高血鉀 使靜止膜電位去極化（變得較不負），起初增加興奮性，但很快使鈉通道失活、傳導變慢，心電圖上出現 P 波消失、QRS 增寬、正弦波。
- 低血鉀 使 IKr 的傳導度下降並延長再極化，是後天性 QT 延長與 torsades de pointes 最重要的可逆因子之一。
- 缺血區域細胞外 K⁺ 堆積造成局部去極化，形成「損傷電流」與傳導不均，是急性缺血性心室頻脈／心室顫動的基礎。
1.3 心室與心房心肌的「快反應」動作電位
工作心肌（working myocardium）與 His–Purkinje 系統的動作電位稱為快反應（fast response），分為五期：
| 期別 | 事件 | 主要電流 | 對應心電圖／藥物 |
|---|---|---|---|
| 第 0 期 | 快速去極化 | 快鈉電流 INa（Nav1.5，基因 SCN5A） | QRS；第 I 類藥物作用點；Brugada（SCN5A 功能喪失） |
| 第 1 期 | 早期快速再極化（notch） | 暫態外向鉀電流 Ito（Kv4.3） | 心外膜 Ito 較強 → J 波；Brugada 再極化假說 |
| 第 2 期 | 平台期 | 內向 L 型鈣電流 ICaL（Cav1.2）與外向 IKr、IKs 之平衡；Na⁺/Ca²⁺ 交換（NCX） | ST 段；鈣通道阻斷劑；Timothy 症候群（CACNA1C 功能增加） |
| 第 3 期 | 快速再極化 | 延遲整流鉀電流 IKr（hERG，KCNH2）、IKs（KCNQ1+KCNE1）、末段 IK1 | T 波；第 III 類藥物（IKr 阻斷）；LQT1（IKs ↓）、LQT2（IKr ↓） |
| 第 4 期 | 靜止（工作心肌）或舒張期自動去極化（Purkinje） | IK1 維持靜止電位；Purkinje 有少量 If | Andersen–Tawil 症候群（KCNJ2，IK1 ↓） |
幾個值得記住的觀念：
- 第 0 期的上升速率（dV/dtmax）決定傳導速度。 鈉通道的可用性取決於起始膜電位：膜電位越負，可被活化的鈉通道越多，傳導越快。這解釋了為何缺血（去極化）與第 I 類藥物（鈉通道阻斷）都會使傳導變慢、QRS 增寬。
- 第 I 類藥物具「使用依賴性」（use dependence）：心率越快，藥物與鈉通道結合越多、阻斷越強。Flecainide 與 propafenone（Ic 類）解離最慢，因此在快速心率下 QRS 會明顯增寬——這是它們在結構性心臟病中致心律不整的機轉之一，也是 CAST 試驗死亡率增加的細胞層次解釋。
- 動作電位時程（APD）取決於第 2、3 期內向與外向電流的平衡。 任何減少外向鉀電流（IKr 阻斷、低血鉀）或增加內向電流（晚期鈉電流 INaL 增加，如 LQT3）的因素都會延長 APD 與 QT，並可能誘發早期後去極化（early afterdepolarization, EAD）。
- 第 III 類藥物具「反向使用依賴性」（reverse use dependence）：心率越慢、QT 延長越明顯，因此 torsades 好發於緩脈、長短週期（long–short sequence）之後。Amiodarone 因同時阻斷多種通道，反向使用依賴性較不明顯，致 torsades 的風險也相對低。
1.4 竇房結與房室結的「慢反應」動作電位
竇房結（SA node）與房室結（AV node）細胞沒有穩定的靜止膜電位，其最大舒張電位約 −60 mV。在這個電位下，大部分快鈉通道處於失活狀態，所以 第 0 期由 L 型鈣電流驅動，上升速率慢（約 1–10 V/s，相較於心室的 200–400 V/s），傳導速度也慢（0.02–0.05 m/s）。
第 4 期的自動去極化來自「膜時鐘」與「鈣時鐘」的協同：
- 膜時鐘（membrane clock）：funny current If（HCN4 通道，由超極化活化、受 cAMP 調控）、T 型鈣電流 ICaT，加上 IK 的逐漸關閉。
- 鈣時鐘（calcium clock）：肌漿網自發性釋放 Ca²⁺，經 NCX 產生內向電流，推動舒張期去極化的後段。
自主神經直接調控這兩個時鐘：交感神經（β₁ 受體 → cAMP ↑）增加 If 與 ICaL，加快心率並縮短房室結不反應期；副交感神經（M₂ 受體）活化 IKACh 使細胞超極化、減少 If 與 ICaL，減慢心率並延長房室結不反應期。
臨床對應：
- Adenosine 透過 A₁ 受體活化與 IKACh 相同的鉀通道（IKAdo），並抑制 ICaL，因此對「依賴房室結」的迴旋（AVNRT、AVRT）有效，對多數心房頻脈與心室頻脈無效（少數 cAMP 依賴的觸發活動性 VT 例外，例如 RVOT-VT）。
- Verapamil、diltiazem 與 β 阻斷劑同樣作用於 ICaL 或其上游，是房室結傳導的「煞車」。
- Ivabradine 選擇性阻斷 If，只降低竇性心率而不影響房室結傳導與收縮力。
- 房室結的 遞減性傳導（decremental conduction）：刺激越早、傳導越慢（AH 間期越長）。這是房室結保護心室免於心房快速節律的機制，也是電生理檢查中鑑別房室結與副傳導路徑的基礎（第 7、12 章）。
1.5 不反應期、傳導速度與 source–sink
不反應期（refractory period）：
- 有效不反應期（effective refractory period, ERP）：在此期間內任何刺激都不能引起可傳導的動作電位。快反應組織的 ERP 主要由 APD 決定（電壓依賴性）；慢反應組織則有 再極化後不反應期（post-repolarization refractoriness），即再極化完成後仍需一段時間才能恢復興奮性（時間依賴性）。
- 相對不反應期（relative refractory period, RRP）：較強刺激可引起反應，但傳導較慢。
- 臨床意義：ERP 的差異是 單向阻滯 與迴旋的來源；抗心律不整藥物延長 ERP 就是在「關閉迴旋的可興奮間隙」。
傳導速度 由三個因素決定：第 0 期的上升速率（鈉通道可用性）、細胞間耦合（間隙接合，gap junction）與組織結構（纖維排列方向）。
| 組織 | 傳導速度（約） | 主要 connexin |
|---|---|---|
| 竇房結、房室結 | 0.02–0.05 m/s | Cx45 |
| 心房與心室工作心肌 | 0.3–1 m/s（沿纖維方向較快） | Cx43（心房另有 Cx40） |
| His–Purkinje 系統 | 2–4 m/s | Cx40、Cx43 |
各向異性（anisotropy）：沿纖維長軸傳導比橫向快約 3–10 倍。纖維化使橫向耦合更差，形成「Z 字形」緩慢傳導，是疤痕相關心室頻脈迴旋的基礎（第 17 章）。
Source–sink 關係：一小群去極化的細胞（source）要驅動前方大片組織（sink）時，如果電流不足就會傳導失敗。這解釋了：
- 為什麼 Purkinje–心肌接面容易出現傳導阻滯；
- 為什麼肺靜脈與左心房交界處（纖維排列突然改變、組織厚薄不一）容易發生單向阻滯與迴旋，成為心房顫動的起始點；
- 為什麼消融時不必把整塊組織燒掉，只要在關鍵峽部造成夠寬的傳導阻滯即可。
1.6 傳導系統與相關解剖
竇房結
位於上腔靜脈與右心房交界處、沿界嵴（crista terminalis）上端的心外膜下，呈紡錘形，長約 1–2 公分。血液供應來自竇房結動脈，約六成源自右冠狀動脈，四成源自左迴旋支。竇房結內有多個起搏點，交感神經張力高時起搏點偏上（心率快），迷走張力高時偏下——這是「竇性心律 P 波形態隨心率略變」的原因。
心房內與心房間傳導
心房沒有明確的特化傳導束，但沿界嵴、卵圓窩邊緣與 Bachmann 束（連接右心房與左心房前壁）傳導較快。冠狀竇（coronary sinus, CS）的肌袖與左心房相連，是左側副傳導路徑與部分心房頻脈的路徑。
房室結與 Koch 三角
房室結位於右心房中隔面的 Koch 三角 頂端，三角的邊界為：
- 後上緣：Todaro 腱（tendon of Todaro）
- 前下緣：三尖瓣中隔瓣葉附著處
- 底部：冠狀竇開口
緻密房室結（compact node）位於三角頂端、膜性中隔的後下方；房室結的心房輸入有兩條主要路徑：快徑（fast pathway） 由前上方（靠近 Todaro 腱、三角頂端）進入，慢徑（slow pathway） 沿三尖瓣環由後下方（冠狀竇開口附近）進入。慢徑就是 AVNRT 消融的標的（第 11 章）。房室結動脈約九成來自右冠狀動脈的後降支起始處，因此下壁心肌梗塞常合併房室結層級的傳導阻滯，多為暫時性且 QRS 窄。
His 束與束支
His 束穿過中央纖維體（central fibrous body），走在膜性中隔的下緣，是心房與心室之間唯一正常的電連接（副傳導路徑除外）。之後分成右束支（細長、單一）與左束支（扇形展開為前分支、後分支，常另有中隔分支）。His–Purkinje 系統血液供應來自左前降支的中隔穿通支與後降支，雙重供應使其相對耐缺血，但前壁心肌梗塞一旦造成 His 以下的阻滯，通常為永久性且 QRS 寬，預後較差。
與電生理手術相關的鄰近構造
| 構造 | 臨床意義 |
|---|---|
| 腔靜脈–三尖瓣峽部（cavotricuspid isthmus, CTI） | 典型心房撲動的必經之路，消融標的（第 13 章） |
| 肺靜脈–左心房交界 | 心房顫動的觸發點，肺靜脈隔離的標的（第 15 章） |
| 左心耳 | 血栓好發處；也是非肺靜脈觸發點與左心耳封堵標的 |
| 食道 | 緊貼左心房後壁，消融後壁有心房食道瘻管風險（第 28 章） |
| 右橫膈神經 | 走行於上腔靜脈與右上肺靜脈外側，冷凍球囊消融時須監測 |
| 左橫膈神經 | 走行於左心耳與左心室側壁附近，心外膜消融時須注意 |
| 主動脈竇（Valsalva 竇） | 左冠狀竇可消融流出道 VT／PVC，須注意冠狀動脈開口 |
| 左心室頂（LV summit） | 心外膜、被冠狀動脈與脂肪覆蓋，是最難消融的 PVC 位置之一 |
| 乳頭肌、調節束（moderator band） | 特發性 VT／PVC 來源，導管貼靠困難，常需心腔內超音波 |
1.7 自主神經系統與心臟神經節叢
除了中樞的交感／副交感神經，心臟表面（特別是左心房的肺靜脈周圍與房室溝的脂肪墊）有豐富的 神經節叢（ganglionated plexi, GP），含交感與副交感神經元。GP 活化會縮短心房 APD 並增加鈣負荷，容易誘發肺靜脈觸發活動與心房顫動；迷走神經張力過高則是反射性昏厥與功能性房室傳導阻滯的原因。針對 GP 的消融（cardioneuroablation）已成為治療特定迷走性昏厥與功能性緩脈的新選項（第 29 章）。
1.8 從細胞到床邊：對照表
| 臨床實體 | 相關基因／通道 | 電流變化 | 臨床特徵 |
|---|---|---|---|
| LQT1 | KCNQ1（IKs） | 外向 K⁺ ↓ | 運動、游泳誘發；寬底 T 波；β 阻斷劑效果最好 |
| LQT2 | KCNH2（hERG，IKr） | 外向 K⁺ ↓ | 聽覺刺激、產後誘發；低平／雙峰 T 波；避免低血鉀與 IKr 阻斷藥 |
| LQT3 | SCN5A（INaL 增加） | 內向 Na⁺ ↑ | 睡眠、休息時發作；長等電位 ST 段、晚而尖的 T 波；mexiletine 可縮短 QT |
| Brugada 症候群 | SCN5A 功能喪失（約 20–25% 病人） | 內向 Na⁺ ↓ | 右胸導程穹窿型 ST 上升；發燒、鈉通道阻斷劑使之惡化 |
| CPVT | RyR2、CASQ2 | 舒張期 Ca²⁺ 漏出 → DAD | 運動誘發雙向性／多形性 VT；靜態心電圖正常 |
| 短 QT 症候群 | KCNH2、KCNQ1、KCNJ2 功能增加 | 外向 K⁺ ↑ | QTc ≤ 360 ms 合併其他證據（第 18 章），AF 與 SCD |
| Andersen–Tawil（LQT7） | KCNJ2（IK1） | 外向 K⁺ ↓ | 明顯 U 波、雙向性 VT、週期性麻痺、顏面特徵 |
| 第 Ic 類藥物 | Nav1.5 | INa 阻斷（解離慢） | 使用依賴性 QRS 增寬；結構性心臟病禁忌 |
| 第 III 類藥物 | hERG | IKr 阻斷 | 反向使用依賴性 QT 延長、torsades |
| Adenosine | A₁ 受體 → IKAdo、ICaL ↓ | 房室結超極化 | 中止房室結依賴性 SVT；診斷性用途 |
| Ivabradine | HCN4（If） | 舒張期去極化變慢 | 降低竇性心率；不適當竇性頻脈 |
| Digoxin | Na⁺/K⁺-ATPase、迷走神經 | 細胞內 Ca²⁺ ↑；房室結傳導 ↓ | 控制 AF 心室率；中毒時 DAD → 雙向性 VT |
一般心臟科醫師的臨床重點
- 房室結與竇房結是「鈣依賴」的慢反應組織：這是 adenosine、verapamil、β 阻斷劑能減慢或中止房室結依賴性心律不整的理由，也是遞減性傳導的來源。
- 心室與心房是「鈉依賴」的快反應組織：第 I 類藥物、缺血與高血鉀都透過減少鈉通道可用性使傳導變慢。
- QT 間期反映第 2、3 期的電流平衡；低血鉀、IKr 阻斷藥與緩脈是後天性 QT 延長最常見、也最可逆的三個因子。
- Koch 三角（Todaro 腱、三尖瓣中隔瓣葉、冠狀竇口）是理解 AVNRT、房室結阻滯與消融風險的解剖基礎。
- 每一種遺傳性心律不整症候群都對應一個電流：記住 LQT1＝IKs、LQT2＝IKr、LQT3＝晚期 INa、Brugada＝INa 喪失、CPVT＝RyR2 鈣漏出。
參考資料與延伸閱讀
- Zipes DP, Jalife J, Stevenson WG (eds). Cardiac Electrophysiology: From Cell to Bedside, 8th ed. Elsevier, 2022. 第一部分（Structural and Molecular Bases of Cardiac Electrophysiology）。
- Issa ZF, Miller JM, Zipes DP. Clinical Arrhythmology and Electrophysiology, 3rd ed. Elsevier, 2019. Chapter 1–2（Molecular Mechanisms of Cardiac Electrical Activity; Cardiac Ion Channels）。
- Spector P. Understanding Cardiac Electrophysiology: A Conceptually Guided Approach. Wiley-Blackwell, 2020.
- Josephson ME. Josephson's Clinical Cardiac Electrophysiology, 6th ed. Wolters Kluwer, 2021. Chapter 1（Electrophysiologic Investigation: General Concepts）。
- Anderson RH, et al. The anatomy of the cardiac conduction system. Clin Anat 2009;22:99–113.
回家作業
每題為單選題（single best answer），請先作答，再展開詳解。
題目 1-1
以下關於竇房結與房室結細胞動作電位的敘述，何者 正確？
- (A) 第 0 期去極化主要由快速鈉電流（INa）驅動，因此傳導速度快
- (B) 第 0 期去極化主要由 L 型鈣電流（ICaL）驅動，因此傳導速度慢且具遞減性傳導
- (C) 靜止膜電位穩定維持在約 −90 mV
- (D) 第 4 期的 If 電流在交感神經刺激下會被抑制，以維持自動性
- (E) 副交感神經刺激會增加 ICaL，使房室結不反應期縮短
顯示詳解
正確答案：(B)
解題思路
竇房結與房室結細胞的最大舒張電位約 −60 mV，在此電位下大多數快鈉通道已失活，因此第 0 期由 L 型鈣電流驅動，屬於「慢反應」動作電位：上升速率慢（約 1–10 V/s）、傳導速度慢（0.02–0.05 m/s），並且有再極化後不反應期與遞減性傳導的特性。
各選項解析
- (A) 錯誤。快鈉電流驅動的是心房、心室工作心肌與 His–Purkinje 系統的「快反應」動作電位。
- (B) 正確。鈣依賴的去極化正是房室結傳導慢、越早刺激傳導越慢（decremental conduction）的原因，也是鈣通道阻斷劑與 adenosine 作用於房室結的理由。
- (C) 錯誤。結細胞沒有穩定的靜止膜電位，第 4 期會自動去極化；−90 mV 是心室工作心肌的靜止膜電位。
- (D) 錯誤。交感神經透過 β₁ 受體使 cAMP 上升，會 增加 If（HCN4 通道受 cAMP 直接調控）與 ICaL，使心率加快。
- (E) 錯誤。副交感神經透過 M₂ 受體活化 IKACh 使細胞超極化，並 減少 If 與 ICaL，因此房室結傳導變慢、不反應期延長。
延伸學習
Adenosine 活化的 IKAdo 與副交感神經活化的 IKACh 是同一個鉀通道（Kir3.1/3.4），所以 adenosine 的作用可視為「短暫而強烈的迷走效應」：對房室結依賴性的 AVNRT、AVRT 幾乎百分之百有效，但對心房撲動、多數心房頻脈只會暫時造成房室阻滯而不中止心律不整，這一點在第 3 章與第 13 章會再用來做鑑別診斷。
題目 1-2
一位 24 歲女性因「被鬧鐘吵醒時昏倒」兩次而就診。心電圖顯示竇性心律，QTc 520 ms，V₂–V₄ 的 T 波低平且呈雙峰（notched）。家族史中有一位姑姑於 30 歲時猝死。就本章所學的離子電流，此病人 最可能 出現異常的電流是？
- (A) IKs 減少
- (B) IKr 減少
- (C) 晚期鈉電流 INaL 增加
- (D) ICaL 減少
- (E) IK1 增加
顯示詳解
正確答案：(B)
解題思路
聽覺刺激（鬧鐘、電話鈴聲）誘發、產後好發、T 波低平或雙峰，是 LQT2 的典型表現。LQT2 由 KCNH2 基因（hERG 通道）突變造成快速延遲整流鉀電流 IKr 減少，第 3 期再極化外向電流不足，動作電位時程與 QT 延長，並容易產生早期後去極化（EAD）而引發 torsades de pointes。
各選項解析
- (A) IKs 減少是 LQT1（KCNQ1），典型誘因為運動（尤其游泳），T 波寬底、對稱。
- (B) 正確。IKr 減少對應 LQT2；此類病人也最容易因低血鉀與 IKr 阻斷藥（例如某些抗生素、抗精神病藥、第 III 類抗心律不整藥）而使 QT 進一步延長。
- (C) 晚期鈉電流增加是 LQT3（SCN5A 功能增加），事件多發生於睡眠或休息時，心電圖為長等電位 ST 段接著晚而尖的 T 波。
- (D) ICaL 減少會 縮短 動作電位平台期，不會造成 QT 延長；ICaL 功能 增加 才是 Timothy 症候群（LQT8）的機轉。
- (E) IK1 增加會縮短 APD（短 QT 症候群的一型）；IK1 減少 則是 Andersen–Tawil 症候群（LQT7）。
延伸學習
三大 LQTS 亞型的「誘因—心電圖—治療」對應是一般心臟科醫師必須熟記的：LQT1 運動／游泳、寬底 T 波、β 阻斷劑效果最佳；LQT2 聲音／驚嚇／產後、低平雙峰 T 波、補鉀與避免 IKr 阻斷藥；LQT3 睡眠、長 ST 段晚 T 波、可加用 mexiletine。詳細的風險分層與 ICD 適應症見第 18 章。