СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ОЦЕНКИ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНОГО РИТМА ПО ДАННЫМ РЕГИСТРАЦИИ ЭКГ И АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ

Аннотация:

Разработка новых подходов к оценке вариабельности сердечного ритма (ВСР) является важной задачей, поскольку ВСР отражает функционирование механизмов, регулирующих работу сердца. Целью работы было оценить информативность статистических и спектральных показателей ВСР при их вычислении по длительности пульсовых интервалов сигнала артериального давления (АД) по сравнению с вычислением по длительности RR-интервалов ЭКГ. У бодрствующих крыс проводили одновременную регистрацию ЭКГ с помощью накожных электродов и АД через катетер в бедренной артерии Показано, что последовательность пульсовых интервалов может быть использована для оценки статистических показателей ВСР на интервалах времени порядка нескольких сотен сердечных циклов но не для анализа вариативности кардиоинтервалов в смежных сердечных циклах. Спектры мощности колебании длительностей RR-интервалов и пульсовых интервалов совпадают в области низких частот включая диапазон колебаний сердечного ритма барорефлекторной природы, но могут отличаться в высокочастотной области (на частоте дыхания). Ключевые слова: крыса, электрокардиограмма, артериальное давление, диаграммы Блэнда-Альтмана статистический анализ кардиоинтервалов, спектральный анализ. Хорошо известно, что вариабельность сердечного ритма (ВСР) информативно отражает функционирование механизмов, регулирующих работу сердечно-сосудистой системы. В связи с этим анализ ВСР широко используется для определения функционального состояния организма в профилактической, возрастной и спортивной медицине, а также с целью диагностики различных сердечно-сосудистых заболеваний и оценки эффективности их лечения . Очевидно, что разработка новых подходов к оценке ВСР является важной задачей физиологии и медицины. Традиционно показатели ВСР вычисляют по последовательности кардиоинтервалов (КИ), полученной путем регистрации ЭКГ. При этом границы КИ определяют по положению зубца R, который можно точно локализовать во времени, благодаря высокой амплитуде и небольшой длительности . Вместе с тем для оценки ВСР может быть потенциально использована последовательность КИ, полученная при поударном анализе сигнала пульсового артериального давления (АД).У человека такое определение КИ возможно путем регистрации АД прямым способом, при реанимации и интенсивной терапии а также методом разгруженной артерии, который все более широко входит в практику функциональной диагностики . Важно отметить, что при регистрации АД можно получить информацию од новременно о двух важных физиологических пока ) зателях - давлении крови и частоте сердцебиений, но возникает вопрос, насколько последовательности КИ, полученные по данным АД, применимы для анализа ВСР. Определение границ КИ по пульсовому сигналу АД - более сложная задача по сравнению с анализом ЭКГ-сигнала . Форма пульсовых изменений АД зависит от влияния многих факторов, среди которых вязкостно-эластические свойства крупных артерий, ударный объем сердца, частота сокращений сердца сопротивление периферических сосудов и др. При регистрации АД прямым способом характеристики колебаний АД также зависят от показателей частотной передаточной функции катетера Наконец, результаты оценки ВСР по пульсовому сигналу АД могут зависеть от используемого алгоритма определения границ КИ. В связи с этим необходимо оценить границы применимости сигнала АД да оценки ВСР. Важным этапом решения этой задачи являются модельные эксперименты на животных, где методически проще добиться длительной и стабильной регистрации физиологических сигналов и возможно использование фармакологических воздействий. Следует отметить, что оценка ВСР применяется при испытаниях фармакологических препаратов на животных, в том числе с использованием телеметрических методик. В этом случае возможность обойтись анализом только одного физиологического сигнала (АД) вместо двух (АД и ЭКГ) особенно привлекательна, поскольку для регистрации двух сигналов повышается энергопотребление регистрирующих устройств, а энергоемкость источника питания в передатчике сигналов весьма ограничена. Сопоставление характеристик ВСР по данным регистрации ЭКГ и АД проводилось в недавно опубликованной работе . Однако авторы этой работы принимали во внимание лишь ограниченное число показателей и не анализировали статистические и спектральные показатели ВСР, которые часто используются в исследовательской и медицинской практике. Таким образом, целью работы было сравнение статистических и спектральных показателей ВСР при их вычислении по последовательностям КИ, полученным при обработке сигналов ЭКГ и пульсового АД в экспериментах на крысах. МЕТОДИКА. Объект исследования. В работе использовали шесть самцов крыс Вистар с массой тела 320— 400 г., полученных из вивария ГНЦ РФ — Института медико-биологических проблем РАН. Программа исследования была одобрена комиссией по биоэтике Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова (протокол № 68-о от 12.05.2016). Животных содержали в помещении вивария с контролируемой температурой (21—23 °С) при световом цикле 12/12 ч (включение освещения в 9.00). Воду и стандартный корм для грызунов (ООО Лабораторкорм, Москва) животные получали ad libitum. Регистрация показателей гемодинамики. Для сопоставления двух способов определения сердечного ритма у крыс одновременно проводили регистрацию ЭКГ и АД. ЭКГ регистрировали с использованием разработанной ранее неинвазивной методики . На предварительно (за день до эксперимента) выбритые в области грудной клетки участки кожи наклеивали регистрирующие ЭКГ-электроды Skintact F-301 (.Leonhard Lang GmbH, Австрия) так, чтобы их расположение соответствовало II стандартному отведению. Заземляющий электрод находился на выбритом участке коже над правой частью крестца. Затем на крысу надевали поясок с клеммами для электродов и разъемом для соединения с усилителем собственной конструкции (полоса частот усилителя — от 3 до 300 Гц). Измерение АД проводили прямым способом через полиэтиленовый катетер, имплантированный в левую бедренную артерию . Операцию проводили за одни-двое суток до опыта. На время операции крыс наркотизировали смесью золетила (12 мг/кг) (Virbac Sante Animate, Франция) и ксилазина (12 мг/кг) (Bioveta, Чехия). В день эксперимента катетер соединяли с тензо-метрическим датчиком BLPR2 (World Precision Instruments, США), от которого сигнал поступал на усилитель собственной конструкции. Усиленные сигналы ЭКГ и АД оцифровывали с частотой 1000 Гц с использованием аналого-цифрового преобразователя USB-6211 {National Instruments, США) и регистрировали на компьютере с использованием программного обеспечения, разработанного вереде программирования LabView 2011 (National Instruments, США). Протокол эксперимента. Эксперимент проводили в тихой комнате при свете красной лампы. Во время регистрации показателей крыса могла свободно передвигаться по клетке (30x30x30 см). Сначала животное не менее 40 мин адаптировали к условиям эксперимента, затем в течение 30—40 мин проводили регистрацию сигналов, в дальнейшем использованных для анализа. В ходе всей записи через катетер в бедренной артерии непрерывно подавали раствор гепарина (50 Ед/мл) с помощью инфузора (Syringe pump model 341, SAGE Instruments, США, или ВЕДА-2, России) со скоростью 0.2—0.3 мл/ч. Обработка результатов. Поцикловую обработку сигналов ЭКГ и АД проводили с использованием программы, разработанной в среде программирования MatLab (The Math Works Inc., США). За начало сердечного цикла при обработке ЭКГ-сигнала принимали положение соответствующего R-зубца, при обработке сигнала АД — момент времени, в который первая производная сигнала АД принимала максимальное значение - dP/dtmax (рис. 1), в результате получали последовательности RR-интер-валов и пульсовых интервалов. Для вычисления статистических показателей ВСР в полученных последовательностях КИ выделяли соответствующие пары по критерию равенства временной задержки между R-зубцом и точкой dP/dtmax в данном и следующем сердечных циклах (рис. 1). При такой процедуре отбора пульсовых интервалов и ЛЛ-интервалов исключались артефакты, связанные с резкими движениями животного или изменением проводимости катетера. Для сопоставления соответствующих значений RR-интервалов и пульсовых интервалов вычисляли следующие показатели: 1) среднее значение для выборки КИ; 2) SDNN (the standard deviation of the NN interval) — среднеквадратичное отклонение (СКО) для выборки КИ; 3) коэффициенты асимметрии и эксцесса, характеризующие симметричность распределения КИ и выраженность его центрального пика; 4) SDANN (the standard deviation of the average NN interval) — СКО значений КИ, усредненных по 1-минутным сегментам (для человека усредняются КИ, зарегистрированные в течение 5 мин ); 5) ASDNN (the average standard deviation of the NN interval)— среднее из значений СКО, вычисленных для 1-минутных сегментов записи (для человека вычисление СКО КИ проводится по 5-минутны сегментам ); 6) RMSSD (the square root of the mea squared differences of successive NN intervals) — сред неквадратичное значение разностей последова тельных КИ; 7)pNN5(%) — процент последовател ных пар КИ, различающихся более, чем на 5 мс (для человека порог отличия соседних КИ устанавливается равным 50 мс ). Для проведения спектрального анализа по последовательностям RR-интервалов и пульсовых ин тервалов путем линейной интерполяции строил временные ряды равноотстоящих (0.1 с) по шкал времени значений. В полученных временных ряд выделяли полуперекрывающиеся отрезки длител ностью 51.2 с (отрезки, содержащие артефакты, ис ключали из анализа). После приведения к нулевое му среднему для каждого из отрезков вычислял спектр мощности с использованием быстрого пре образования Фурье, полученные спектры усреднили .Статистическую обработку проводили в программе GraphPad Prism 7 с использованием критерия Вилкоксона и биномиального критерия, различия считали статистически значимыми при р < 0.05. Данные представлены в виде медианы и межквартильного размаха. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Сопоставление длительностей RR-интервала и пульсового интервала в индивидуальных сердечных циклах. На полученных записях ЭКГ и АД было идентифицировано порядка 104 сердечных циклов, длительность которых была вычислена двумя способами - по ЭКГ и АД (табл. 1). Средние значения для выборок RR-интервалов и пульсовых интервалов не различались (табл. 2). Также не наблюдалось статистически значимых различий между такими характеристиками выборок RR-интервалов и пульсовых интервалов как среднеквадратичное отклонение и коэффициент эксцесса. Небольшое различие в коэффициенте асимметрии, по всей видимости, не несет информационной нагрузки, поскольку для обеих выборок значение этого показателя было близким к нулю. Сопоставление длительностей RR-интервала и пульсового интервала при разной длительности КИ проводили с использованием диаграмм Блэн-да-Альтмана . На рис. 2, А представлена зависимость разности длительностей RR-интервала и пульсового интервала от их среднего значения для одной из крыс. В табл. 1 приведены коэффициенты корреляции этих показателей для всех использованных в эксперименте животных. Можно заключить, что для выборки в целом отличие RR-интервала и пульсового интервала в каждом сердечном цикле не зависит от его длительности. Сходное наблюдение было сделано ранее при выделении пульсовых интервалов по промежуткам времени между моментами времени, соответствующими диастолическим значениям АД .В работе за длительность пульсового интервала принимался промежуток времени между максимумами первой производной сигнала АД в двух последовательных сердечных циклах. Такой способ обеспечивает более стабильную детекцию пульсовых интервалов, чем по промежуткам времени между последовательными систолическими или диастолическими значениями АД: передний фронт более устойчив к изменению формы пульсовых колебаний АД. На рис. 2, Б видна небольшая отрицательная корреляция разности длительностей RR-интервала и пульсового интервала с dP/dtmax, такая закономерность наблюдалась у всех шести крыс (табл. 2, р < 0.05 по биномиальному критерию). Можно заметить, что разность этих двух показателей меняет знак: она положительна при низких значениях dP/dtmax и отрицательна при высоких значениях dP/dtmm. Это говорит о том, что точность детекции начала пульсового интервала зависит от крутизны фронта нарастания АД во время систолы, причем максимальная точность соответствует области средних значений dP/dtmm. Анализ статистических показателей вариабель ности сердечного ритма. В табл. 2 представлен значения статистических показателей ВСР при определении длительности КИ по данным ЭК и АД. Сходимость показателей оценивали по т.н. "нормированной разности": выраженному в про центах отношению абсолютного значения разности двух значений к их полусумме (табл. 2). Для по казателей, которые описывают медленную динами ку сердечного ритма (у крыс — на интервалах вре мени порядка 1 мин, что соответствует нескольки сотням сердечных циклов), таких как SSNN, SDANN и ASDNN, значения нормированной раз ности малы. Однако для показателей, которые опи сывают вариации КИ в последовательных сердеч ных циклах (RMSSD и особенно pNNS), нормиро ванная разность больше. Это наблюдение вполне ожидаемо, поскольку возможные вариации формы пульсовой формы АД вследствие изменений сердечно-сосудистой системе могут сказываться на точности определения длительности пульсового интервала, но не RR-интервала, который определяется автоматической активностью водителя ритма сердца. Кроме того, различия RMSSD и pNN5 при двух способах вычисления могут быть связаны с изменением длительности интервала времени между R-зубцом и моментом начала изгнания крови из левого желудочка. Увеличение длительности КИ должно сопровождаться увеличе нием конечного диастолического объема и, по закону Франка-Старлинга, повышением сократимости левого желудочка и укорочением периода пре-дизгнания. Следует подчеркнуть, что это обстоятельство накладывает ограничение на использование вари ативности пульсовых интервалов для оценки бы стрых изменений сердечного ритма, которые свя заны с регуляторным влиянием парасимпатиче ской нервной системы . Анализ спектральных показателей вариабельности сердечного ритма. Спектральный анализ позволяет охарактеризовать колебания сердечного ритма в различных частотных диапазонах . Напри веденных на рис. 3 спектрах мощности колебаний длительностей RR-интервалов и пульсовых интер валов видны два пика, которые отражают низкочастотные (0.2—0.6 Гц) и высокочастотные (1—2 Гц) колебания сердечного ритма. Высокочастотные колебания сердечного ритма синхронны с дыханием, они имеют как механическую природу (реакция пейсмекера сердца на колебания венозного возврата), так и отражают колебания вагусной активно сти. Такие колебания возникают рефлекторно вслед за соответствующими по частоте колебания ми АД, а также в результате периодического влияния дыхательного центра на вагусные преганглио нары . Низкочастотные колебания сердечного ритма в основном имеют барорефлекторную природу, поэтому их иногда называют "вазомоторными волнами" , хотя первично к вазомоторной активности они отношения не имеют. Эти колебания сердечного ритма также обусловлены влиянием парасимпатической системы, но включают и симпатический компонент, вклад которого растет при повышении активности симпатической нервной системы, например, у человека при изменении положения тела с горизонтального на вертикальное . В верхней части рис. 3 приведены спектры мощности сердечного ритма двух крыс: с хорошим (рис. 3, А) и плохим (рис. 3, Б) совпадением спектров колебаний длительностей RR-интервалов и пульсовых интервалов. На рис. 3, а спектры двух показателей совпадают во всем исследованном диапазоне частот, на рис. 3, Б наблюдается хорошее соответствие спектров в области низких частот, но в области высоких частот соответствие существенно хуже. Это наблюдение согласуется сданными о более низком соответствии статистических показателей, характеризующих быстрые изменения сердечного ритма, при двух способах оценки (табл. 2). Вместе с тем следует отметить, что при усреднении наблюдается хорошее соответствие спектров мощности колебаний RR-интервалов и пульсовых интервалов (рис. 3, В). На разности спектров двух показателей наблюдается высокочастотный пик, но его амплитуда невелика (рис. 3, Г). Таким образом, несмотря на возможные индивидуальные различия мощности высокочастотных колебаний длительностей RR-интервалов и пульсовых интервалов при усреднении в группе спектральный анализ колебаний дает сходные результаты. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. На основании полученных данных можно заключить, что последовательность пульсовых интервалов, выделенных на записи пульсового АД, может быть использована для вычисления статистических показателей ВСР, которые описывают динамику сердечного ритма для интервалов времени порядка нескольких сотен сердечных циклов, но не для оценки вариативности соседних сердечных циклов. Индивидуальные спектры мощности колебаний длительностей RR-интервалов и пульсовых интервалов совпадают в области низких частот, включая колебания сердечного ритма баро-рефлекторной природы. Вместе с тем индивидуальные спектры мощности колебаний длительностей RR-интервалов и пульсовых интервалов могут различаться в высокочастотной области, хотя усредненные по группе крыс спектры мощности двух показателей не различаются во всем исследованном диапазоне частот. Это говорит о том, что с помощью спектрального анализа длительностей пульсовых интервалов можно выявлять изменения высокочастотных колебаний сердечного ритма, типичные для тех или иных заболеваний, однако при индивидуальном подходе в целях диагностики его следует применять с осторожностью.

Авторы:

Издание: Физиология человека
Год издания: 2018
Объем: 8с.
Дополнительная информация: 2018.-N 3.-С.82-89. Библ. 20 назв.
Просмотров: 137