CC BY
60
SCIENCE TIME
ДИНАМИКА НЕЛИНЕЙНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНТЕРВАЛА ОТ ЭКГ ПРИ СНИЖЕНИИ ЧАСТОТЫ ДЫХАНИЯ
Димитриев Дмитрий Алексеевич, Ремизова Надежда Михайловна, Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева, г. Чебоксары
E-mail: ndanglanrn@gmail.com
Аннотация. Данная статья посвящена анализу электрокардиографических проявлений функционирования кардиореспираторной системы. В ней рассматривается динамика нелинейных показателей интервала РТ электрокардиограммы при переходе к дыханию с навязанной частотой. Установлено, что снижение частоты дыхания существенно изменяет значения данных параметров.
Ключевые слова: интервал РТ, электрокардиограмма, частота дыхания, нелинейные методы.
Кардиореспираторная система является одной из наиболее сложных физиологических систем организма человека [1]. В ней происходит взаимодействие различных колебательных процессов, таких, как ритм сердца, дыхание, кровообращение и рефлекторная активность вегетативной нервной систем [4]. Подобные явления, а также электрофизиологические процессы автоматической генерации импульсов в сино-атриальном узле сердца и передача возбуждения к рабочим клеткам миокарда являются источником нерегулярности сердечного ритма [4].
Комплексное воздействие гемодинамических, электрофизиологических, гуморальных процессов организма приводит к нелинейности системы [2]. Нелинейные проявления имеют такие компоненты кардиореспираторной системы, как барорефлекторная дуга, а также взаимодействие дыхательного и со судодвигательного центров [3, 8]. В результате взаимодействия различных уровней организации системы выходящий сигнал в виде ритма сердца также имеет сложную нелинейную природу [15]. Некоторые авторы связывают увеличение нелинейности системы с активностью парасимпатической нервной системы. Например, выявлено увеличение нелинейности вариабельности сердечного ритма (ВСР) во время сна, то есть при преобладании активности
парасимпатической нервной системы [10]. Также известны работы, где указывается, что адренергическая система вносит незначительный вклад в генерацию нелинейных компонентов сердечного ритма [12].
Актуальной проблемой физиологии является изучение нелинейных феноменов вариабельности ритма сердца посредством анализа электрокардиограммы (ЭКГ) [7]. В ряду кардиоинтервалов зашифрованы до 85 % непериодических хаотических компонентов, имеющих фрактальную природу [6]. В последнее время активно развивается теория динамических систем и фрактальных множеств, что позволяет применять нелинейные методы при изучении вариабельности ритма сердца [5]. Они позволяют распознавать очень сложные паттерны нелинейных колебаний функционального состояния организма, которые отражаются в динамике ВСР [17]. Распространенным при анализе ЭКГ является и применение энтропийных показателей, отражающих информационные и энергетические процессы системы [9]. В то же время, нелинейные параметры интервала РТ при различных функциональных состояниях изучены недостаточно [11].
В связи с этим целью нашего исследования является анализ вариабельности интервалов РТ ЭКГ при разных режимах дыхания с использованием нелинейных методов.
Методика исследований. В исследовании принимали участие 45 здоровых студентов факультета естественнонаучного образования ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева» в возрасте от 18 до 22 лет. Из них мужчин - 8 человек, женщин - 37 человек. Исследование проводилось в межсессионный период в первой половине дня с 8 до 12 часов при температуре воздуха в помещении 21°С. Испытуемый находился в состоянии покоя лежа не менее 5 мин до начала регистрации кардиоинтервалов.
В исследовании применялись различные режимы дыхания испытуемых во время регистрации ЭКГ:
- свободное дыхание;
- дыхание с частотой 6,5 раз в минуту;
- дыхание с частотой 6 раз в минуту;
- дыхание с частотой 5,5 раз в минуту;
- дыхание с частотой 5 раз в минуту;
- дыхание с частотой 4,5 раз в минуту.
Частота дыхания задавалась с помощью голосовых команд, записанных в виде 5-минутного тр3 файла и транслируемых через динамики. Для каждой из режимов дыхания в положении лежа записывалась 5-минутная электрокардиограмма согласно рекомендациям Европейской Ассоциации Кардиологии [19]. Регистрация сердечного ритма осуществлялась с помощью
программно-аппаратного комплекса «Поли-спектр - 8/Е» («Нейрософт»). На основе записанной ЭКГ изучалась вариабельность интервала QT. В ходе исследования нами оценивались следующие нелинейные показатели вариабельности интервала QT: SD1, SD2, SampEn, alpha, alpha1, alpha2.
Статистическая обработка данных проводилась с использованием статистического пакета профессиональной статистики «Statistica 10.0 for Windows» с применением критерия знаков - Z. Полученные результаты исследования приведены в виде «средняя±ошибка средней». Статистически значимыми считались различия с р<0,05.
Результаты исследования
Средняя продолжительность интервала QT при свободном дыхании составила 382,70±3,94 мс. При разных режимах дыхания не выявлены достоверные различия (р>0,05) изменений продолжительности интервала QT. Установлено, что при частоте дыхания (ЧД) 6,5 дых/мин его значение снизилось до 373,76±3,57 мс и составило минимум для данного параметра. Во время дальнейшего снижения ЧД произошло увеличение продолжительности интервала QT до 379,72±3,58 мс (ЧД 6 дых/мин) и до 381,11±3,99 мс (ЧД 5,5 дых/мин). Низкие частоты дыхания 5 дых/мин и 4,5 дых/мин вызвали повышение длительности интервала QT до 385,05±6,12 мс и до 384,83±5,55 мс соответственно.
Установлено, что значения графика Пуанкаре SD1 и SD2 повысились на навязанных частотах дыхания по сравнению со свободным дыханием. Параметр SD1 имел значение 2,84±0,40 мс во время свободной ЧД. Снижение ЧД до 6,5 дых/мин привело к повышению значения SD1 до 3,37±0,23 (p>0,05) мс. Достоверное значение данный параметр имел при ЧД 6 дых/мин - 4,08±0,49 мс (Z=2,74; p<0,01). Дальнейшее снижение ЧД сопровождалось разнонаправленными изменениями данного параметра (p>0,05): при ЧД 5,5 дых/ мин снизилось до 3,73±0,48 мс, затем повысилось при ЧД 5 дых/мин до 4,34±0,81 мс (что составило максимальное значение) и снова снизилось при ЧД 4,5 дых/мин до 3,29±0,28 мс, что составило минимальное значение параметра для навязанных частот дыхания (рис.1).
Параметр SD2 интервала QT при свободной ЧД был равен 5,00±0,45 мс. Выявлено, что дыхание с навязанной частотой привело к достоверному увеличению SD2 при дыхании с навязанной частотой 6,5 дых/мин до 6,31±0,40 мс (Z=2,74; p<0,01), при ЧД 6 дых/мин - до 6,78±0,64 мс (Z=2,86; p<0,01) и 5,5 дых/мин - 7,29±0,73 мс (Z=2,94; p<0,01). После данного максимального значения установлено снижение SD2 до 7,14±0,78 мс (Z=2,29; p<0,05) (ЧД 5 дых/мин) и до минимального значения 5,85±0,39 мс (p>0,05) (ЧД 4,5 дых/мин) (рис.1).
Сравнительный анализ значений SampEn при разном режиме дыхания не
SCIENCE TIME
выявил достоверных различий между средними значениями этого показателя ф>0,05). При свободном режиме дыхания среднее значение SampEn составило 1,79±0,04. Переход к дыханию с частотой 6,5 дых/мин не вызвал изменений значения данного показателя (1,79±0,05). Дальнейшее снижение ЧД вызвало повышение SampEn до 1,93±0,04 при навязанной частоте дыхания 6 дых/мин (максимальное значение) и снижение до 1,77±0,07 (минимальное значение) при ЧД 5,5 дых/мин. Дальнейшее снижение ЧД повлекло устойчивое увеличение значения SampEn до 1,83±0,07 (ЧД 5 дых/мин) и до 1,91±0,06 (ЧД 4,5 дых/мин).
см
О
*
своб.дых. 6 5
6,5 5,5 4,5
Частота дыхания (дых/мин)
Рис. 1 Средние значения SD1 и SD2 при разных режимах дыхания (здесь и далее: * - достоверное отличие от свободного дыхания)
6
SCIENCE TIME
Нелинейный параметр alpha имел значение 0,89±0,03 во время свободного дыхания (рис.2). При переходе на режим дыхания с навязанной частотой его величина резко снизилась: 0,71±0,03 (Z=2,15; p<0,05) при ЧД 6,5 дых/мин; 0,68±0,02 (z=4,67; p<0,001) при ЧД 6 дых/мин; 0,73±0,03 (p>0,05) при ЧД 5,5 дых/мин; 0,71±0,04 (Z=2,29; p<0,05) при ЧД 5 дых/мин; 0,70±0,03 (Z=2,25; p<0,05) при ЧД 4,5 дых/мин.
Показано, что наиболее достоверно повысилось значение параметра alpha1 детрендного флуктуационного анализа (рис.2). Значение alphal при свободном дыхании составило 0,76±0,02, при ЧД 6,5 дых/мин - 0,99±0,03 (Z=3,95; p<0,001), при ЧД 6 дых/мин - 0,99±0,02 (Z=4,37; p<0,001), при ЧД 5,5 дых/мин - 1,02±0,04 (Z=4,12; p<0,001), при ЧД 5 дых/мин - 1,01±0,05 (Z=2,75; p<0,01) и при ЧД 4,5 дых/мин - 1,02±0,05 (Z=2,42; p<0,05).
1,15 1,10 1,05 1,00 5 0,95 t 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70
*
*
своб.дых. 6 5
6,5 5,5 4,5
Частота дыхания (дых/мин)
1,1
1,0 0,9
(N
s
Л 0,8 0,7 0,6 0,5
SCIENCE TIME
продолжение рис. 2
своб. дых. 6 5
6,5 5,5 4,5
Частота дыхания (дых/мин)
Рис. 2 Средние значения alpha, alpha1 и alpha2 при разных режимах дыхания
В ходе исследования выявлено статистически значимое снижение параметра alpha2 при дыхании на навязанных частотах по сравнению со свободным дыханием (рис. 2). Параметр alpha2 принимал значения 0,98±0,04; 0,72±0,04 (Z=2,51; p<0,05); 0,69±0,03 (Z=5,28;p<0,001); 0,73±0,04 (p>0,05); 0,70±0,06 (p>0,05) и 0,66±0,54 (Z=2,42; p<0,05) во время дыхания со свободной частотой и частотами 6,5 дых/мин, 6 дых/мин, 5,5 дых/мин, 5 дых/мин, 4,5 дых/ мин соответственно.
Анализ результатов
Полученные нами значения SD1 и SD2 показывают увеличение величины параметров по направлению от свободного дыхания к ЧД 5,5 дых/мин, далее снижение по направлению к более низким частотам дыхания. Таким образом, в динамике этих параметров прослеживается куполообразная форма. Повышение значения SD1 и SD2 при снижении частоты дыхания по сравнению со свободным дыханием свидетельствует об увеличении площади облака на графике Пуанкаре и изменении вегетативного баланса [14].
В нашем исследовании величина SampEn изменялась разнонаправлено (р>0,05), зафиксированы значительное повышение величины во время дыхания с частотой 6 и 4,5 дых/мин. Известно, что при увеличении SampEn происходит увеличение хаотических составляющих ритма сердца [5]. Рост величины SampEn свидетельствуют об улучшении общего функционального состояния. Ее резкое изменение возможно лишь при организации качественно новых структур.
Уменьшение параметра alpha при переходе от свободного режима дыхания к дыханию с навязанной частотой свидетельствует об упорядочивании ритма. Индексы, получаемые при детрендном флуктуационном анализе, можно рассматривать как самоподобие параметров, которые характерны для фрактального поведения. Фрактальная организация вариабельности сердечного ритма определяется тонким взаимодействием симпатического и блуждающего влияний [20]. Долгосрочные корреляции (alpha2) соответствуют симпатической модуляции, в то время как краткосрочные корреляции (alpha1) отражают и симпатическую, и вагусную модуляции [13]. Из ранних исследований известно, что снижение alpha1 и повышение alpha2 вариабельности сердечного ритма является риском сердечно-сосудистых заболеваний и смертности [16]. В нашем случае, наоборот, произошло повышение alpha1 и снижение alpha2 интервала QT при дыхании на низких ЧД по сравнению со свободным дыханием. Это можно интерпретировать как улучшение функционального состояния системы, а также наличие самоподобия и устойчивости наблюдаемой системы при снижении ЧД. Известно, что значения близкие к 0,5 указывают на то, что ВСР является белым шумом (некоррелированные случайные последовательности); значения, близкие к 1,5 указывают на коричневый шум (сильно коррелированные непреклонные последовательности) и значений в области 1,0 указывают на фрактальный шум (умеренно коррелированные и регулируемые последовательности) [18]. Таким образом, полученная нами вариабельность интервала QT при свободном дыхании представляет собой белый шум, а вариабельность интервала QT при сниженной ЧД 6,5-4,5 дых/мин - фрактальный шум.
Выводы
Дыхание с навязанной частотой является особым функциональным состоянием, изменяющим электрокардиографические проявления вариабельности сердечного ритма. Дыхание с навязанной частотой вызывает значительную вариабельность нелинейных параметров интервала QT электрокардиограммы. Нелинейные параметры интервала QT ЭКГ несут существенную информацию для интерпретации природы вариабельности интервалов QT.
Литература:
1. Агаджанян, Н.А. Роль хеморецепторов зоны позвоночных артерий в формировании кардиореспираторной функциональной системы / Н.А. Агаджанян, С.В. Куприянов // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 2009. - Т. 148. - № 7. - С. 4-8.
2. Бокерия, Л.А. Вариабельность сердечного ритма: методы измерения, интерпретация, клиническое использование / Л.А. Бокерия, О.Л. Бокерия, И.В. Волковская // Анналы аритмологии. - 2009. - №. 4. - С. 21.
3. Киселев, А.Р. Колебательные процессы в вегетативной регуляции сердечнососудистой системы (Обзор) / А.Р. Киселев, В. И Гриднев // Саратовский научно-медицинский журнал. - 2011. - Т. 7. - № 1. - C. 34-39.
4. Койчубеков, Б.К. Механизмы нерегулярной динамики сердечного ритма / Б.К. Койчубеков // Университетская наука: теория, практика, инновации. - 2008. - С. 36.
5. Кузнецов А. А. Количество информации и энтропия ярусной диаграммы ритма сердца / А. А. Кузнецов // Информационно-управляющие системы. - 2010. - №. 4 (47). - С. 57-62.
6. Лапкин, М.М. Фрактально-флуктуационный анализ нелинейных компонентов сердечного ритма для параметризации функционального состояния человека / М.М. Лапкин, С.П. Вихров, А.В. Алпатов, М.Ю. Митрофанова // Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова. - 2012. - № 2. -С. 96-104.
7. Побиванцева, Н.Ф. Возможности нелинейного анализа вариабельности сердечного ритма в оценке функционального статуса пациентов с хронической сердечной недостаточностью / Н.Ф. Побиванцева, В.А. Снежицкий, Н.В Шпак, М.С. Дешко, Т.М. Янович, Н.В. Потреба // Актуальные проблемы медицины : материалы научно-практической конференции, посвященной 55-летию учреждения образования «Гродненский государственный медицинский университет» : в 2-х ч. - Гродно : ГрГМУ, 2013. - Ч. 2. - С. 148-150.
8. Пономаренко, В.И. Синхронизация сердцебиения и ритма регуляции сосудистого тонуса с дыханием / В.И. Пономаренко, В.И. Гриднев, М.Д. Прохоров [и др.] // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2004. - № 8-9. - C. 40-51.
9. Фокин, В.А. Интегральные методы оценки состояния сложных систем / В.А. Фокин, Я.С. Пеккер, О.Г. Берестнева, О.М. Гергет // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - № 321(5).
10. Эйдукайтис, А. Применение теории хаоса для анализа сердечного ритма в различных стадиях сна у здоровых лиц / А. Эйдукайтис, Г. Варонецкас, Д. Жемайтите // Физиология человека. - 2004. - Т. 30. - №. 5. - С. 56-62.
11. Baumert, M. Entropy Analysis of RR and QT Interval Variability during Orthostatic and Mental Stress in Healthy Subjects / M. Baumert, B. Czippelova, A. Ganesan, M. Zaunseder, M. Javorka // Entropy. - 2014. - № 16(12). - Р. 6384-6393.
12. Beckers, F. Effects of autonomic blockade on non-linear cardiovascular variability indices in rats / F. Beckers, B. Verheyden, D. Ramaekers, B. Swynghedauw, A. E. Aubert // Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology. - 2006. - Vol. 33. - Issue 5-6. - Р. 431-439.
13. Beckers, F. Aging and nonlinear heart rate control in a healthy population / F. Beckers, B. Verheyden, A.E. Aubert //American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. - 2006. - Т. 290. - №. 6. - Р. H2560-H2570.
14. Brennan, M. Poincare plot interpretation using a physiological model of HRV
based on a network of oscillators / M. Brennan, M. Palaniswami, P. Kamen // American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. - 2002. - Vol. 283.
- №. 5. - R H1873-H1886.
15. Javorka, M. Baroreflex analysis in diabetes mellitus: linear and nonlinear approaches / M. Javorka, Z. Lazarova, I. Tonhajzerova, Z. Turianikova, N. Honzikova, B. Fiser, K. Javorka, M. Baumert // Med. Biol. Eng. Comput. - 2011. - Vol. 49. - S. 3.
- P. 279-288.
16. Makikallio, T.H. Fractal analysis of heart rate dynamics as a predictor of mortality in patients with depressed left ventricular function after acute myocardial infarction. TRACE Investigators TRAndolapril Cardiac Evaluation / T.H. Makikallio, S. Hoiber, L. Kober, C. Torp-Pedersen, C.K. Peng, A.L. Goldberger, H.V. Huikuri // Am. J. Cardiol. - 1999. - № 83. - R. 836-839.
17. Skinner, J.E. Nonlinear dynamics of heart rate variability during experimental hemorrhage in ketamine-anesthetized rats / J.E. Skinner, B.A. Nester, W.C. Dalsey // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 2000. - Vol. 279. - R. H1669-H1678.
18. Suzuki, M. Nonlinear Measures of Heart Rate Variability and Mortality Risk in Hemodialysis Patients / M. Suzuki, T. Hiroshi, T. Aoyama, M. Tanaka, H. Ishii, M. Kisohara, N. Iizuka, T. Murohara, J. Hayano // CJASN. - 2012. - Vol. 7. - №. 9. - R. 1454-1460.
19. Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology. Heart rate variability: standard of measurement, physiological interpretation and clinical use // Circulation. - 1996. - Vol. 93. - № 5. -P. 1043-1065.
20. Tulppo, M.P. Physiological background of the loss of fractal heart rate dynamics / M.P. Tulppo, A.M. Kiviniemi, A.J. Hautala, M. Kallio, T. Seppanen, T.H. Makikallio, H.V Huikuri // Circulation. - 2005. - № 112(3). - R. 314-319.
