CC BY
118
ISSN 1812-5123. Российский журнал биомеханики. 2014. Т. 18, № 3: 345-360
УДК 531/534: [57+61]
Российский
Журнал
Биомеханики
www.biomech.ru
НОВОЕ В БИОМЕХАНИКЕ БОЛЬШОГО КРУГА КРОВООБРАЩЕНИЯ
А.А. Гаранин, А.Е. Рябов
Кафедра пропедевтической терапии Самарского государственного медицинского университета, Россия, 443079, Самара, проспект Карла Маркса, 165 б, e-mail: [email protected]
Аннотация. Рассмотрена взаимосвязь центральной гемодинамики и периферического кровообращения. На основании около 300 наблюдений по данным компьютерной реографии в сосудистом цикле большого круга кровообращения авторами выделены два периода: систолы и диастолы по аналогии с сердечным циклом. В полуавтоматическом режиме с использованием уникального пакета прикладных программ каждый период подразделен на фазы: систола (период оттока) состоит из фаз эластического компонента оттока, мышечного компонента оттока, капиллярно-венозного оттока; диастола (период притока) включает фазы метаболическую, распространения пульсовой волны, быстрого и медленного притока. Границы фаз определены путем постановки реперных точек по минимумам, максимумам и переходам через нуль второй производной реограмм, в последовательности чередования которых авторам удалось выявить строгую закономерность. Дано детальное описание физиологических процессов, происходящих в каждую фазу, и описаны биомеханические свойства различных отделов сосудистого русла большого круга кровообращения. Для оценки биомеханических свойств различных отделов сосудистого русла большого круга кровообращения вычислялся ряд параметров биомеханики: длительность фаз сосудистого цикла, средние скорости изменения сопротивления, силы, мощности и работы. В качестве примера приведены результаты обследования 100 человек, которые распределены по 3 группам. Полученные данные позволяют дополнить существующие противоречивые данные о физиологии большого круга кровообращения, количественно оценить биомеханику как артериальной, так и венозной его частей. Предложенная новая фазовая структура реограмм с успехом применена при исследовании различных сосудистых бассейнов большого круга кровообращения: при регистрации реовазограмм, реоренограмм, реогепатограмм, реоэнцефалограмм.
Ключевые слова: биомеханика, большой круг кровообращения, реография, сахарный диабет.
Введение
Большой круг кровообращения начинается левым желудочком и заканчивается правым предсердием. В сосудистой его части выделяют амортизирующие сосуды (аорта и ее крупные ветви - артерии эластического типа), сосуды распределения (средние и мелкие артерии мышечного типа), сосуды сопротивления (артериолы, прекапиллярные сфинктеры, сфинктеры магистральных капилляров), обменные сосуды (капилляры), шунтирующие сосуды (артериоловенулярные анастомозы), емкостные
© Гаранин А.А., Рябов А.Е., 2014
Гаранин Андрей Александрович, врач-кардиолог клиник Самарского государственного медицинского университета, Самара
Рябов Алексей Евгеньевич, к.мед.н., доцент кафедры пропедевтической терапии, Самара
(аккумулирующие) сосуды (посткапиллярные венулы, венулы, мелкие вены, венозные сплетения), сосуды возврата (средние, крупные и полые вены) [4, 5, 7].
Большой круг играет колоссальную роль в системе кровообращения. Велико его значение во взаимодействии с камерами сердца - обеспечение транспортировки ударного объема левого желудочка к началу следующего сердечного цикла. Кроме того, большой круг обеспечивает буферную функцию, сглаживая флюктуации и флаттерный эффект ударного объема крови, поддерживает стабильность системной гемодинамики и участвует в депонировании крови при различных внешних воздействиях, стрессовых и патологических состояниях [6, 34].
В настоящее время клиническая медицина располагает широким спектром различных методов исследования морфологии и функции сосудов большого круга кровообращения: ультразвуковое сканирование, лазерная допплеровская флоуметрия, плетизмография, ангиография и др. [9, 35]. Однако часть применяемых способов диагностики либо инвазивны, либо дорогостоящи, либо малоинформативны. А «золотой стандарт» кардиологии - ультразвуковое исследование, кроме того, еще и весьма субъективно. Вместе с тем несправедливо забыт перспективный метод медицинской практики, обладающий широкими диагностическими возможностями, -реография [24].
Значительным преимуществом реографии является возможность одновременного изучения кровообращения различных областей тела: головного мозга, легких, почек, конечностей, печени и других сосудистых бассейнов, исследование которых иными методами сопряжено с техническими трудностями или не представляется возможным. Это дает возможность оценивать закономерности общей гемодинамики в условиях безопасного, неинвазивного, малозатратного и необременительного для врача и пациента исследования. Особенную ценность реография представляет в условиях проведения различных функциональных проб и фармакологических тестов, так как позволяет диагностировать ранние нарушения в системе кровообращения [10].
Преимуществом метода реографии является возможность длительной и непрерывной регистрации незначительных изменений кровотока без нарушения физиологических условий исследуемого участка (Эниня, 1968). Установлено, что различные ткани организма имеют разную электропроводность, причем наибольшим сопротивлением обладает кожа, наименьшим - кровь [16]. Данное физическое явление послужило стимулом для разработки и развития метода реографии.
В исследованиях Gildemeister (1928), Richter (1929), McClendon, Hemingway (1930), Barnett (1938), Кривошеиной (1940) и Карелина (1957) было установлено, что кожные покровы, по сравнению с другими тканями, обладают наибольшей величиной электрического сопротивления [12, 33, 38, 40]. Бененсон (1936) выявил, что кровь, по сравнению с кожей, обладает ничтожно малой величиной электрического сопротивления. Sigmann, Kolin, Katz, Iochim (1937), изучив свойства дефибринированной бычьей крови, выявили зависимость между колебаниями сопротивления тканей и скоростью кровотока [32]. Развитие метода реографии неразрывно связано с установлением зависимости между сокращениями сердца и колебаниями электропроводности и емкости тканей. Изменения электрической емкости, обусловленные колебаниями объема сердца, были обнаружены еще Cremer в 1907 г. [37]. Rappoport и Grey в 1927 г. при изучении сердца черепахи с помощью переменного тока выявили, что электропроводность увеличивается во время систолы [21].
Настоящим прорывом в развитии метода реографии стали ценные исследования Mann. C помощью усовершенствованного им мостика Уитстона, с использованием
переменного тока он обнаружил ритмические колебания электропроводности пальцев кисти, синхронные с пульсацией кровеносных сосудов. Mann выявил определенную корреляцию между амплитудой регистрируемой кривой и объемом циркулирующей крови и предложил использовать это явление в качестве метода исследования периферического кровообращения любой части тела [12, 16].
Впервые термин «реография», обозначающий запись сопротивления тканей, был введен Holzer, Polzer (1945, 1946). Данные авторы совместно с Мачко (1945) впервые применили реографию в клинике для исследования сердечной деятельности [32].
При обследовании пациентов с заболеваниями сердечно-сосудистой системы целесообразно применять метод, который бы позволял судить о состоянии кровообращения не только в главных, но и в коллатеральных сосудах. Таким методом является реовазография, отражающая суммарно изменения сопротивления конечностей, происходящие под влиянием пульсовых изменений объема сосуда.
В нашей стране впервые в клинике профессора Еланского исследованием периферического кровообращения начал заниматься Карелин, который предложил для реографии конечностей термин «реовазография» [21]. Изучением периферического кровообращения с помощью реографии занимались Пушкарь (1958), Богданова (1958), Madzdorff (1961), Wick (1962), Heeger (1963), Нгуен-Зуй-Зунг (1963), Карабуля (1964), Эниня (1968), Максимова и др. [12, 22, 23].
Использование различных функциональных проб и фармакологических нагрузок показало удобство метода и его практическое значение при длительном наблюдении за функциональным состоянием периферического кровообращения.
Цель работы
Целью работы является изучение функционального взаимодействия различных отделов большого круга кровообращения в течение сосудистого цикла, выделение в сосудистом цикле двух периодов с подразделением их на фазы, уточнение физиологического значения всех фаз и применение разработанной фазовой структуры для исследования биомеханики большого круга кровообращения.
Материал и методы
По своей физической природе реограмма представляет собой совокупность омической и емкостной составляющих колебаний электрического сопротивления живых тканей в конкретной изучаемой области человеческого тела, сумма которых составляет полное сопротивление, или импеданс:
Z = V R2 + X2,
где Z - импеданс, R и Хс - соответственно омическое и емкостное сопротивление.
По мнению Сучкова (1968), величина импеданса зависит от ряда факторов: электрического сопротивления тканей, площади электродов, расстояния между ними и самое главное - частоты переменного тока [12, 16, 23].
Известно, что емкостное сопротивление Хс обратно пропорционально частоте внешнего поля f и величине емкости С:
Х= -U
с 2nfC
По результатам исследований Gildmeister (1928) и Кривошеиной (1940) установлено, что электрическое сопротивление кожи колеблется в пределах 14-40 кОм, а по данным Карелина - 20-60 кОм [12, 32]. Как следует из последнего уравнения, такое значительное сопротивление кожи при измерении импеданса подлежащих под
ней тканей может быть преодолено использованием переменного тока высокой частоты. Кровь обладает значительно более высокой электропроводностью, чем остальные ткани (Бененсон, 1936) [16]. Таким образом, применение высокочастотного переменного тока, резко уменьшая сопротивление кожи и подлежащих тканей, дает возможность выделить омическую составляющую импеданса, обусловленную колебаниями кровенаполнения.
Исследования Москаленко (1962-64) показали, что для записи реограмм оптимальными являются частоты 80-150 кГц, потому как именно в этом диапазоне наблюдаются максимальные величины изменений электрических параметров исследуемой области тела, связанные с гемодинамическими сдвигами [16]. По мнению Москаленко (1962) и Lifshitz (1963), применение более высоких частот, превышающих 250 кГц, нецелесообразно потому что в этом случае стирается граница между импедансными свойствами крови и окружающих тканей [12]. Многолетний опыт исследований Яруллина и Арнаутова показал, что оптимальные в плане качества и стабильности кривые формируются в диапазоне частот 80-175 кГц, независимо от величины применяемых электродов [32]. В этой связи авторами был использован двухканальный полиграф «Элон», работающий в диапазоне частот 120-150 кГц.
Значение расстояния между электродами показано в исследованиях Нгуен-Зуй-Зунга (1963) и Тереховой (1969), обнаруживших, что при уменьшении расстояния между электродами снижается амплитуда сигнала на 30-50%, появляются дополнительные волны, изменяющие формы реограмм и продолжительность систолического подъема [16]. В связи с вышеизложенным нецелесообразно применение методик регистрации реограмм с близким расположением электродов. В то же время в исследованиях Sel (1954) отмечено, что с увеличением расстояния между электродами наблюдается лишь расширение вершины пульсовой волны на реограмме [12]. Поэтому авторы применили методику реографии с регистрацией электрического сопротивления всей конечности, за исключением кистей и стоп, а не сегментарно, как в методиках, предлагаемых ранее (Garbini et al., 1957 и др.) [12].
Периферическая реография в зависимости от расположения электродов подразделяется на продольную и поперечную. Многочисленные исследования (Matzdorff 1961; Нгуен-Зуй-Зунг, 1963; Терехова, 1969; Пшоник, 1972) показали, что при поперечном расположении электродов на конечности наблюдаются значительные искажения сигнала и малая амплитуда реографической кривой [32]. Кроме того, Нгуен-Зуй-Зунг отмечает, что значение периферической реографии при поперечном расположении электродов для количественной оценки кровотока невелико [16].
Учитывая данный факт, для исследования периферического кровотока авторами была выбрана методика продольной реографии. Регистрация кривых реограмм осуществлялась на полиграфе «Элон» с использованием биполярных циркулярных электродов. По мнению Яруллина (1967), при регистрации реограмм на частоте свыше 100 кГц размер электродов не имеет значения [32], однако для уменьшения влияния на кривую реограммы различного рода артефактов авторами были выбраны достаточно крупные электроды с общей площадью поверхности 10 см2. Активный электрод (проксимальный) накладывали на верхней конечности на плечо между проксимальной и средней его третями, индифферентный (дистальный) - в области запястья; на нижнюю конечность накладывали активный электрод между проксимальной и средней третями бедра, индифферентный - непосредственно над лодыжками.
Отметим, что в настоящее время не существует общепризнанного и единого принципа интерпретации реографической кривой и метода ее оценки. Анализу пульсовой волны с момента возникновения теории ее происхождения, предложенной Вебером в начале XIX века, посвящено большое количество работ. В исследованиях
Кедрова, Либерман (1949), Москаленко (1962), Науменко и Скотникова (1975), Полищук и Тереховой (1983) показано, что форма пульсовых циклов реограмм аналогична пульсовой волне сфигмограмм, зарегистрированных на одноименных участках тела [12, 16, 32], что подтверждено также исследованиями авторов. Пульсовой цикл реограммы по своей форме аналогичен кривой объемного пульса и пульсового давления, что позволило ряду авторов применить к нему контурный анализ волны сфигмограммы. Однако следует подчеркнуть, что сфигмография не заменяет, а лишь дополняет реографическое исследование, поскольку она отражает состояние кровотока в крупных артериях, в то время как реография дает интегральное представление о колебаниях кровенаполнения во всей сосудистой сети в изучаемом сегменте (Тонков, 1951; Нгуен-Зуй-Зунг, 1963; Матвейков и Пшоник, 1972) [21].
В настоящее время в составе реографической кривой (рис. 1) принято выделять: анакроту (восходящую часть), вершину и катакроту (нисходящую часть), формирующие систолическую и диастолическую волны. Границей между ними служит инцизура. Кроме того, выделяют анакротическую и дикротическую части реограммы, которые разделяются вершиной [9, 10]. При анализе пульсовой волны объемной реограммы в первую очередь обращают внимание на форму кривой, максимальную амплитуду ее систолической и диастолической волн, вычисляя их отношение к величине калибровочного импульса (¡впкпвг, 1962; Яруллин, 1967; Науменко и др., 1975) [12, 32]. В работах ряда авторов встречается определение и обозначение амплитуды систолической волны, например, Н, А, 8 и др. [16].
* К
Рис. 1. Схема анализа показателей реограммы. Сверху вниз синхронно зарегистрированы: электрокардиограмма, реовазограмма и ее первая производная (дифференциальная реограмма). Амплитудные характеристики: К - калибровочный импульс; Ах - максимальный пик дифференциальной кривой, характеризует максимальную скорость быстрого наполнения; А2 - амплитуда систолической волны; А3 - высота инцизуры; А4 - амплитуда диастолической волны. Временные характеристики: Qa - время распространения реографической волны; а1 - время быстрого наполнения; а2 - время медленного наполнения; а -анакротическая часть кривой; в - катакротическая часть кривой; начало - а^точка; А3 - систолическая волна; точка А 3 - калибровочный импульс - диастолическая
волна
Значительное число авторов, интерпретируя графическое изображение реограммы и ее компонент, рассматривает максимальную амплитуду систолической волны как высоту перпендикуляра, опущенного из ее вершины на основание кривой реограммы [16, 21]. Оценивается характер вершины, дикротической волны, инцизуры (Clement et al, 1959; Jenkner, 1962; Вейн и др., 1962; Яруллин, 1967; Науменко и др., 1975) [12]. Более того, многими авторами производится вычисление различных относительных показателей оценки реограммы, представляющих собой соотношение временных и амплитудных показателей (Jantsch, 1958; Kaindl et al., 1959; Вейн и др., 1962; Нагорный и др., 1977) [21, 32]. Однако на основании обследования 50 здоровых лиц Шершнев и соавт. (1977) пришли к выводу о большой вариабельности различных реографических показателей, в том числе и реографического индекса [12].
К сожалению, до настоящего времени в работах многих авторов (Карелин, 1957; Clement et al., 1959; Вейн и др., 1962; Яруллин, 1967; Науменко и др., 1975) отсутствуют общепринятые обозначения фаз и элементов кривой реограммы. Так, например, второй зубец после анакротической фазы реограммы некоторые авторы относят к дополнительным волнам, другие называют дикротическим зубцом, третьи -дикротической волной [10, 12]. Длительность катакротической фазы Науменко и Скотников (1975), Ронкин и Максименко (1969) считают от перпендикуляра, опущенного из вершины систолической волны на изоэлектрическую линию, до конца реопульсового цикла [16, 21]. В исследованиях Яруллина (1967) длительность времени ß простирается не до конца катакротической части реограммы, а лишь до ее уплощенного участка [32].
Кроме того, большинство исследователей считает, что границей между систолической и диастолической частями реограммы служит инцизура [10]. Это является весьма существенным противоречием - катакрота систолической волны представляет собой ее нисходящую часть, за вершиной следует пологий спуск, свидетельствующий о превалировании оттока над притоком крови и падении электропроводности. Следовательно, катакротическая часть систолической волны представляет собой часть систолы большого круга кровообращения. В то же время обозначение анакроты, вершины и катакроты как систолической волны в корне неверно, поскольку во время анакроты происходит подъем кривой в результате возрастания электропроводности за счет прихода в исследуемый сегмент тела ударного объема. Таким образом, анакрота представляет собой часть диастолы большого круга кровообращения.
Отсутствие единообразия в интерпретации амплитудных и временных характеристик реографической кривой, названий и обозначений ее элементов затрудняет однозначный подход к анализу кривых реограммы и сопоставление данных реографических исследований различных авторов. Этот факт побудил авторов к разработке новой фазовой структуры реограмм, детального описания физиологических процессов, происходящих в каждой фазе сосудистого цикла, с целью создания унифицированной методики анализа и обозначения элементов реограмм для количественной оценки биомеханики различных отделов большого круга кровообращения.
Авторами проведено 100 острых экспериментов с участием 40 практически здоровых волонтеров (группа 1) и 60 пациентов с сахарным диабетом, которые рандомизированы в группы по 30 человек по наличию сахарного диабета 1-го типа (группа 2) и 2-го типа (группа 3). В исследуемые группы авторы не включали лиц с факторами риска возникновения сердечно-сосудистых заболеваний. В группы 2 и 3, кроме того, не включались лица с микро- и макроангиопатиями, нейропатиями,
клиническими, лабораторными и инструментальными признаками атеросклероза. Средний возраст обследуемых в группах 1 и 2 составил 25±3 года, в группе 3 -40±2 года.
У всех обследуемых регистрировались реограммы верхних и нижних конечностей синхронно с апекскардиограммами и сфигмограммами локтевой и бедренной артерии.
Калибровку реовазограмм проводили по амплитуде с помощью калибровочного импульса, который получали при разбалансировке моста на 0,1 Ом. Регистрация кривых сопровождения - апекскардиограмм - проводилась по методике A. Benchimol, G. Dimond (1963) в положении обследуемого на левом боку при задержке дыхания в фазе неглубокого выдоха в точке наибольшей пульсации левожелудочкового толчка, сфигмограмм - по традиционной методике на полиграфе «Элон», укомплектованном тензометрическим датчиком [9, 10].
В основу обработки кривых реограмм положен принцип, разработанный Фатенковым и Бухваловой (1994). Для устранения влияния различных артефактов введенные амплитуды реограмм программно приводили к единице. Колебания пронормированных амплитуд, вызванные случайными ошибками, сглаживались по методу наименьших квадратов при аппроксимации амплитуд квадратичной параболой, проходящей через пять последовательных точек. По сглаженным значениям амплитуд вычисляли первую и вторую производные кривых реограмм [27]. Известно, что реовазограмма является интегральной объемной кривой всех артерий и вен исследуемого участка конечности и отражает колебания сопротивления в данном сегменте человеческого тела, следовательно, первая производная реовазограммы может быть использована для характеристики скорости изменения сопротивления (v), вторая -ускорения (a). О мощности (N) можно судить по произведению первой и второй производных изменения сопротивления, а интегрируя мощность по времени в границах определенных фаз, получить величину работы (W) большого круга кровообращения.
На этапе регистрации автоматизация процесса авторами проводилась с помощью пакета прикладных программ «Reos», позволяющего адаптировать полиграф «Элон» к работе с компьютером, осуществлять двухканальную регистрацию реовазограмм и кривых сопровождения, подбирать оптимальную частоту дискретизации и формировать базу данных на компьютере. Сотрудниками кафедры пропедевтической терапии Самарского государственного медицинского университета (Рябов, Гаранин) разработан пакет прикладных программ "Rheograph" (свидетельство №2014611653 от 06.02.2014), который предоставляет возможность идентифицировать файл данных, содержащий числовые значения амплитуд кривых, провести его предварительную обработку, учесть частоту дискретизации и уровень калибровочного сигнала, выполнить ручную постановку реперных точек - границ фаз сосудистого цикла по представленной на экране второй производной реограмм и получить копию результата в виде текстового файла.
В процессе анализа реограмм и их производных авторами установлено, что график второй производной реограмм, зарегистрированный как на верхней, так и на нижней конечностях, содержит два всегда идентифицируемых минимума, три максимума и два перехода через нуль. При многократном воспроизведении записи реограмм у одного и того же обследуемого указанные характерные точки возникают в строго определенной временной последовательности. Причем эта последовательность чередования точек на второй производной прослеживается на реограммах различных сосудистых бассейнов большого круга кровообращения у разных лиц и вне зависимости от пола и возраста: при регистрации реограмм верхней и нижней конечностей, реоэнцефалограмм, реогепатограмм.
0 1 2 3 4 5 6 7 0
Рис. 2. Реограмма верхней конечности и ее вторая производная. Фазовая структура реовазограмм
Согласно данному принципу авторам удалось выделить в сосудистом цикле большого круга кровообращения два периода: систолы и диастолы, по аналогии с сердечным циклом, и разделить каждый период на фазы. Систола большого круга кровообращения состоит (рис. 2) из фаз эластического (точки 3-4) и мышечного (точки 4-5) компонентов оттока и капиллярно-венозного оттока (точки 5-6). Диастола большого круга кровообращения включает метаболическую фазу (точки 6-0), фазу распространения пульсовой волны (точки 0-1), быстрого (точки 1-2) и медленного (точки 2-3) притока. Кроме того, на реовазограмме выделяются диастола правого предсердия, которая совпадает по времени с фазой мышечного компонента оттока (точки 4-5), и систола (точки 5-6), совпадающая с фазой капиллярно-венозного оттока. В каждой выделенной фазе вычисляли значения первой и второй производной реовазограмм и с их помощью определяли следующие параметры биомеханики: t, с -продолжительность фазы; уср, Ом/с - средняя скорость изменения сопротивления; v3, Ом/с - экстремальная скорость изменения сопротивления; аср, Ом/с2 - среднее ускорение (сила); аэ, Ом/с2 - экстремальное ускорение (сила); N^, Ом2/с3 - средняя мощность; N3, Ом2/с3 - экстремальная мощность; W, Ом2/с2 - работа.
Статистический анализ данных результатов был построен на непараметрических методах с использованием критерия Вилкоксона при помощи программы «Statistica 6.0 for Windows» (Statsoft, USA). При оценке достоверности различий между исследуемыми параметрами биомеханики исходили из 5%-ного уровня значимости.
Результаты исследования и их обсуждение
Для возможности детального описания фаз сосудистого цикла, сопоставления их с фазами сердечного цикла и выявления взаимосвязи центральной и периферической гемодинамики авторами были проведены синхронные записи реовазограмм и апекскардиограмм (рис. 3).
Систола большого круга кровообращения начинается фазой эластического компонента оттока из артериальной части большого круга кровообращения. Обусловлена она сокращением эластических структур стенок аорты и ее ветвей и
поступлением крови в нижележащие отделы артериального русла. Сокращение эластических структур крупных артерий, предварительно растянутых ударным объемом крови, осуществляется за счет запасенной кинетической энергии в диастолу [20, 39]. По времени данная фаза совпадает с фазами редуцированного изгнания и изоволюмического снижения внутрижелудочкового давления. Таким образом, биомеханика фазы эластического компонента оттока большого круга кровообращения определяется двумя факторами - механическими свойствами левого желудочка во время систолы и эластическими свойствами аорты и магистральных артериальных стволов.
T5 T6 T7 T8 T0 T1 T2 T3 T4 T5
Рис. 3. Синхронная регистрация апекскардиограммы (а) и реовазограммы (б). Фазы сердечного цикла (по Фатенкову): Т6-Т7 - изоволюмического снижения внутрижелудочкового давления; Т7-Т8 - быстрого наполнения; Т8-Т0 -медленного наполнения; Т0-Т1 - систола предсердий; Т1-Т2 -внутрижелудочкового перемещения крови; Т2-Т3 - изоволюмического повышения внутрижелудочкового давления; Т3-Т4 - максимального изгнания 1; Т4-Т5 -максимального изгнания 2; Т5-Т6 - редуцированного изгнания
Следующая фаза - мышечного компонента оттока из большого круга кровообращения - характеризуется сокращением мышечных волокон стенок магистральных артерий, дальнейшим продвижением ударного объема по артериальной части большого круга кровообращения и поступлением крови в микроциркуляторное русло.
Во время данной фазы наблюдается увеличение кровенаполнения артериол и капилляров и скорости кровотока в большом круге кровообращения. При сопоставлении с фазами сердечного цикла авторам удалось выявить, что фаза мышечного компонента оттока соответствует фазе быстрого наполнения желудочков. Клапаны аорты закрыты, сокращение мышечных слоев артерий создает предпосылки для регургитации крови в проксимальные отделы артериального русла, диастолическое давление в аорте высокое, что позволяет крови поступать из синусов Вальсальвы в устья коронарных артерий [3, 28]. Авторы наблюдали увеличение электропроводности, которое проявляется подъемом на реовазограмме в данную фазу, обусловленное суммацией отраженных волн от бифуркаций артерий и эластическими свойствами артериальной стенки. В физиологическом смысле данная фаза очень значима, так как в этот отрезок времени происходит обмен между артериальной кровью и тканями [26].
Заключительная систолическая фаза капиллярно-венозного оттока обусловлена активным присасывающим действием правого желудочка во время фазы быстрого наполнения и усилением оттока из большого круга кровообращения с преобладанием его над притоком. Начало данной фазы совпадает с концом фазы быстрого наполнения сердечного цикла, продолжается в фазу медленного наполнения и систолы предсердий. По мнению авторов, биомеханика большого круга кровообращения во время фазы капиллярно-венозного оттока зависит от тонуса вен, состояния их клапанного аппарата, функционирования субэндо- и субэпикардиальных слоев правого желудочка. Во время этой фазы происходит обмен веществ между венозной кровью и тканями [29].
Диастола правого предсердия и систола правого предсердия начинают цикл правых отделов сердца, совпадают по времени с фазами мышечного компонента оттока и капиллярно-венозного оттока соответственно, определяются преимущественно работой миокарда правых отделов сердца и магистральных вен. Систола правого предсердия - непостоянная волна на реовазограммах, обусловленная частичным возвратом крови в полые вены во время систолы правого предсердия, приводящая к замедлению или прекращению венозного оттока и, соответственно, к падению электрического сопротивления в микроциркуляторном русле [25]. Авторы считают, что это обусловлено анатомией миокарда предсердий - круговые пучки глубокого мышечного слоя охватывают устья полых вен и во время систолы правого предсердия препятствуют регургитации крови в полые вены [18]. Однако этот блок не герметичен, и часть крови все-таки попадает в полые вены, незначительно влияя на изменение сопротивления. Диастола правого предсердия характеризуется усилением оттока из венозного отдела большого круга кровообращения преимущественно за счет присасывающего действия правого желудочка и совпадает по времени с фазой мышечного компонента оттока, т.е. соответствует фактически фазе быстрого наполнения правого желудочка. Диастола правого предсердия не вносит значимого вклада в биомеханику большого круга кровообращения как самостоятельное физиологическое явление, лишь диастолическая дисфункция правого желудочка может привести к нарушению гемодинамики во время фазы мышечного компонента оттока [25]. Систола правого предсердия в норме не оказывает существенного влияния на биомеханику большого круга кровообращения. Эта фаза сердечного цикла начинает приобретать значение лишь тогда, когда возникает нарушение сократительной функции правого предсердия, например, в случае его дисфункции на фоне кардиосклероза, когда
круговые пучки глубокого мышечного слоя недостаточно плотно охватывают устья полых вен вследствие снижения их сократительной способности [30]. В этом случае регургитация крови в момент систолы предсердий в полые вены может быть значительной настолько, что совместно с усилением обратного венного пульса способна повлиять на биомеханику большого круга кровообращения во время фазы капиллярно-венозного оттока [18, 25, 36].
Биомеханика диастолы большого круга кровообращения зависит от ряда факторов: систолы левого желудочка, состояния аорты и ее ветвей и периферического сопротивления мелких артерий, артериол, прекапилляров, нервного аппарата, обеспечивающего иннервацию сердечно-сосудистой системы [31].
Диастола большого круга кровообращения начинается метаболической фазой, которая имеет большой физиологический смысл. Во время этой фазы посылаемые импульсы из синусового узла способствуют продвижению крови по vasa vasorum из проксимальных отделов к дистальным, что позволяет артериям подготовиться к принятию ударного объема крови [8]. Кроме того, это обеспечивает трофику тканей стенки магистральных артерий: к ним поступает кровь, насыщенная кислородом и энергетическими продуктами, что позволяет синтезировать аденозинтрифосфат для последующего активного сокращения [3, 4]. Начало метаболической фазы совпадает по времени с началом фазы внутрижелудочкового перемещения крови, а завершается с окончанием фазы изоволюмического повышения внутрижелудочкового давления. Полулунные клапаны закрыты, давление в полости левого желудочка максимально, и сердце готовится к изгнанию ударного объема крови [11]. Авторы обратили внимание на то, что в этот отрезок времени на реовазограммах происходит краткое увеличение электропроводности, а значит имеет место ток крови по сосуду, не связанный с приходом основного ударного объема. Подобное явление не наблюдается ни на реопульмонограмме, ни на параллельно записанной сфигмограмме магистральных артерий. Данное явление обусловлено, прежде всего, кровотоком в системе vasa vasorum, поскольку в этот промежуток времени отсутствует основной кровоток по системе артериальных сосудов, стимулируемый продвижением ударного объема крови.
Следующая диастолическая фаза - фаза распространения пульсовой волны, которая характеризует в большей степени механические свойства артериального русла и в меньшей - биомеханику левого желудочка. Совпадает данная фаза с фазой максимального изгнания 1. Полулунные клапаны открыты, вследствие сокращения циркулярного слоя первые порции крови поступают в аорту [3, 20]. В физиологическом смысле эта фаза является тем промежутком времени, который необходим артериальному руслу для активного расширения и подготовки к принятию ударного объема крови. Совершенно очевидным является тот факт, что длительность этой фазы будет определяться расстоянием, которое проходит ударный объем крови до конкретного исследуемого сегмента человеческого тела с момента выталкивания его левым желудочком.
Фаза быстрого притока в большой круг кровообращения отражает преимущественно биомеханику левого желудочка и расширение аорты и ее главных ветвей под воздействием ударного объема крови, она совпадает по времени с фазой максимального изгнания левого желудочка.
Фаза медленного притока соответствует фазе максимального изгнания левого желудочка и отражает сопротивление артерий мышечно-эластического и мышечного типов. Для преодоления сопротивления магистральных артерий и их ветвей, сопротивление которых значительно превышает сопротивление аорты, сердце вынуждено выполнять большую работу [3, 4, 11]. В это время вместе с циркулярным слоем сокращаются субэндо- и субэпикардиальные слои миокарда, что приводит
к возрастанию внутрижелудочкового давления, несмотря на начавшийся выход крови из полости левого желудочка в аорту. Систолический выброс получает основную часть кинетической энергии, что помогает продвижению ударного объема крови в дистальном направлении.
На основании анализа клинических и экспериментальных данных, полученных за последние десятилетия, можно сделать вывод, что активные периферические гемодинамические факторы все же существуют [17]. Доказано, что средняя мощность миокарда во время систолы в спокойном состоянии составляет 1-3,3 Вт [19]. Совершенно непонятно, как этот насос небольшой мощности выполняет огромную работу по перемещению 7,2 т крови за сутки и 2688 т за год [14]. По данным Коновалова и Кан (1974), сердце должно сокращаться в 40 раз мощнее при отсутствии гемодинамического механизма в сосудистой системе [13]. При моделировании перфузии водой сосудистого русла из стекла потребовался бы насос мощностью не менее 100-150 Вт [2]. Кошев и соавт. (1997-1999), проводя эксперименты на животных, убедительно доказали существование активного расширения аорты и ее ветвей, предшествующего приходу ударного объема крови и опережающего волну давления на 0,02-0,04 с [8]. Данное явление обусловлено депрессивным кардиоваскулярным
0 : 1 2 1 1 1 Д 1 ,11 !ч 3 : 4 ■ 5 : 6 : 7 : 0 i i i i i ■ i i i Сфигмограмма
1 |Ч \ 1 / 1 I I 1 1 Iii 1 II! i i i | I/I | II i i i i h i i i i 1 ' ' г i i f 11 i /1 i t ■ i i i / i s i f i i i i i i ■ i i i i i i i i i i i i i i i \ III \ iii X i i i X J i i \ 1 1 f \ vr \ \ ■ iV 1 V ■
л, i • f \i i 1 i i i i i i i ■ i i i i i L i / iii. X 1 1 . i i i ■■ i i i i i i
i i i i i i i i i i i i i i i i i i Вторая производная
i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i сфигмограммы
i i i i i i i i ■ ■ i 111 i i i i i i i i i i i i
а
0 1 2 3 4 5 6 7 0 Реовазограмма
/ \
Вторая производная реовазограммы
б
Рис. 4. Синхронная регистрация сфигмограммы локтевой артерии (а) и реовазограммы верхней конечности (б)
симпатическим рефлексом с пейсмекерной зоны сердца и активацией влияния на сосуды парасимпатической нервной системы. В результате развивается присасывающий эффект дистального отдела артерий, и пульсовая волна проходит с наименьшим гидравлическим сопротивлением.
Это побудило авторов провести наблюдения в ходе 300 синхронных регистраций реовазограмм верхней конечности и сфигмограмм локтевой артерии (рис. 4).
Авторы установили, что момент прихода в конкретный сегмент человеческого тела ударного объема крови, который на реограмме соответствует началу фазы быстрого притока (точка 1) и характеризуется увеличением электропроводности, отстает по времени от начала фазы быстрого притока (точка 1) на сфигмограмме локтевой артерии на 20-40 мс. Таким образом, в фазу быстрого притока происходит активное расширение локтевой артерии, опережающее волну давления, и приход основного объема крови.
Возвращаясь к теории Яновского и рассматривая ее с позиций современной экспериментальной физиологии и практической кардиологии, обладая новыми инструментальными возможностями изучения центральной гемодинамики и периферического кровообращения, с уверенностью можно утверждать, что в организме человека существует комплекс анатомо-физиологических условий, который можно назвать «периферическим сердцем» [1, 15].
Результаты обследования указанных выше групп наблюдения приведены в таблице.
Показатели биомеханики большого круга кровообращения по данным реовазографии верхней конечности в исследованных группах
Группа Фаза
МБ РПВ МП БП ЭКО МКО КВО
Продолжительность фаз с)
1 0,09 0,06 0,04 0,04 0,14 0,11 0,12
2 0,10 0,09* 0,04 0,04 0,06* 0,08* 0,08*
3 0,10 0,08 0,04 0,04 0,08* 0,08 0,08
С редняя ско рость (vop, Ом/с)
1 0,72 0,79 8,07 10,67 4,94 2,06 2,12
2 2,04* 0,84 7,41 10,14 3,70* 4,93* 1,77
3 2,14* 0,70 8,04 9,90 3,20* 4,83* 1,03
Среднее уско рение (аср, Ом/с2)
1 22,71 65,20 138,22 107,74 110,98 51,84 31,81
2 23,20 49,32* 125,82 83,97* 156,38 32,89 39,94
3 18,41 56,25 123,47 107,21 110,96 20,27* 29,55
Средняя мощность (^ср, Ом2/с3)
1 16,06 62,52 1082,18 1156,09 378,61 93,89 70,47
2 43,61 77,73 880,95 752,89* 479,15 189,70 76,79
3 36,40 38,84 939,95 929,45* 278,11* 76,90 46,92
Работа (W, Ом2/с2)
1 1,45 4,41 41,87 46,24 54,27 12,47 7,20
2 4,15 5,93 35,71 34,44 31,89* 8,30 6,77
3 3,65* 2,97 37,60 40,51 25,38* 5,73 3,70
Примечания: МБ - метаболическая фаза; РПВ - фаза распространения пульсовой волны; МП -фаза медленного притока; БП - фаза быстрого притока; ЭКО - фаза эластического компонента оттока; МКО - фаза мышечного компонента оттока; КВО - фаза капиллярно-венозного оттока; * - достоверное различие с группой контроля
Таким образом, получено достоверное уменьшение продолжительности всех фаз периода оттока у больных сахарным диабетом 1-го типа, что свидетельствует о становлении гиперкинетического состояния кровообращения, которое на ранних этапах существования данного заболевания носит компенсаторный характер. У больных сахарным диабетом 2-го типа наблюдается снижение длительности фазы эластического компонента оттока. Такое изолированное изменение продолжительности данной фазы указывает на увеличение жесткости артериальной стенки, что связано, прежде всего, с теми биохимическими и морфологическими процессами, которые развиваются при сахарном диабете, а также с возрастными изменениями сосудистой стенки. Изменения скоростных и силовых характеристик в ряде фаз (как в период притока, так и в период оттока) в группах 2 и 3 свидетельствуют о тотальных нарушениях биомеханики при сахарном диабете 1-го и 2-го типов.
Заключение
Полученные данные позволяют дополнить существующие теории биомеханики большого круга кровообращения. Использование компьютерной реографии и новой фазовой структуры реограмм помогает количественно проанализировать биомеханику большого круга кровообращения и вести расчет такого количества показателей, которое позволяет детально оценить функцию каждого его отдела. Авторами установлена четкая взаимосвязь центральной гемодинамики и периферического кровообращения, преемственность между сердцем и сосудистой системой по перемещению ударного объема крови, обоснована состоятельность теории «периферического сердца», что позволяет иначе взглянуть на проблему недостаточности кровообращения, в настоящее время несправедливо называемой сердечной недостаточностью.
Список литературы
1. Аринчин Н.И., Борисович Г.Ф. Микронасосная деятельность скелетных мышц при их растяжении. -Минск: Наука и техника, 1986. - 112 с.
2. Волобуев А.Н., Кошев В.И., Пирогов В.П., Петров Е.С. Некоторые особенности нелинейного моделирования пульсовой волны // Биофизика. - 1996. - А1 (2). - С. 453-458.
3. Гайтон А. Физиология кровообращения. Минутный объем сердца и его регуляция. - М.: Медицина, 1969. - 472 с.
4. Гайтон А., Холл Дж. Медицинская физиология. - М.: Логосфера, 2008. - 1296 с.
5. Гарвей В. Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных. - 2-е изд. - М.-Л., 1948. - 236 с.
6. Гидродинамика кровообращения: сб. переводов / под ред. С. А. Регирера. - М.: Мир, 1971. - 271 с.
7. Джонсон П. Периферическое кровообращение. - М.: Медицина, 1982. - 440 с.
8. Иванова В.Д., Кошев В.И., Пирогов В.Л., Петров Е.С., Волобуев А.Н. Гемодинамическая функция сосудистого русла в норме и эксперименте. - Самара, 2002. - 10 с.
9. Инструментальные методы исследования в кардиологии: руководство / под ред. Г.И. Сидоренко. -Минск, 1994. - 272 с.
10. Инструментальные методы исследования сердечно-сосудистой системы: справочник / под ред. Т.С. Виноградовой. - М.: Медицина, 1986. - 416 с.
11. Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения: пер. с англ. - М.: Мир, 1981. - 624 с.
12. Клиническая реография / под ред. В.Е. Шершнева. - Киев: Здоров'я, 1977. - 168 с.
13. Коновалов Е.Г., Кан Д.Л. ДАН БССР. Цит. по Аринчин Н.И. Внутримышечное периферическое сердце. - Минск, 1974. - 150 с.
14. Куршаков Н.А. О периферическом артериальном сердце // Терапевтический архив. - 1923. - № 1. -С. 20.
15. Куршаков Н.А., Прессман Л.П. М.В. Яновский: к столетию со дня рождения (1854-1954). - М., 1954. - 60 с.
16. Матвейков Г.П., Пшоник С.С. Клиническая реография. - Минск: Беларусь, 1976. - 176 с.
17. Обрезан А.Г., Шункевич Т.Н. Теория «периферического сердца» профессора М.В. Яновского: классические и современные представления // Вестник Санкт-Петербургского университета. -2008. - Т. 3, № 11. - С. 14-23.
18. Обрезан А.Г., Яровицкая В.Н. Влияние гемодинамических изменений в системе полых вен на внутрисердечную и висцеральную гемодинамику / под ред. Ю.М. Стойко, М.Н. Лыткина, Е.В. Шайдакова. Венозная гипертензия в системе полых вен. - СПб., 2002. - 276 с.
19. Парашин В.Б., Иткин Г.П. Биомеханика кровообращения: учеб. пособие. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 224 с.
20. Педли Т. Гидродинамика крупных кровеносных сосудов: Пер. с англ. - М.: Мир, 1983. - 400 с.
21. Полищук В.И., Терехова Л.Г. Техника и методика реографии и реоплетизмографии. - М.: Медицина, 1983. - 176 с.
22. Пушкарь Ю.Т., Цветков А.А., Хеймец Г.И. // Бюлл. Всесоюзного кардиологического научного центра. - 1986. - № 1. - С. 45-49.
23. Пушкарь Ю.Т., Подгорный В.Ф., Хеймец Г.И., Цветков А.А. // Терапевтический архив. - 1986. -№ 11. - С. 132-135.
24. Реография. Большая медицинская энциклопедия. - 3-е изд. - М., 1984. - Т. 29. - C. 188-191.
25. Ронкин М.А., Иванов Л.Б. Реография в клинической практике. - М., 1997. - 403 с.
26. Савицкий Н.Н. Биофизические основы кровообращения и клинические методы изучения гемодинамики. - М.: Медицина, 1974. - 312 с.
27. Фатенков В.Н. Новое в биомеханике сердца, артерий и малого круга кровообращения: монография. -Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2009. - 222 с.
28. Фолков В., Нил Э. Кровообращение. - М.: Медицина, 1976. - 464 с.
29. Чернух А.М., Александров И.П., Алексеев О.В. Микроциркуляция. - М.: Медицина, 1975. - 456 с.
30. Чечулин Ю.С. Поврежденное сердце. - М.: Медицина, 1975. - 287 с.
31. Швалев В.Н., Сосунов А.А., Гуски Г. Морфологические основы иннервации сердца. - М., 1992. -368 с.
32. Ярулин Х.Х. Клиническая реоэнцефалография. - Л.: Медицина, 1983. - 271 с.
33. Barnett J.A. // J. Physiol (London). - 1938. - Vol. 93. - P. 349-366.
34. Berne R., Levy M. Cardiovascular physiology. - 2-nd ed. - Saint Louis: Mosby, 1972. - 265 p.
35. Blumberger K. Die herzdynamik in der klinischen diagnostik. - Munchen, 1958. - 217.
36. Brecher G.O. Venous return. - London: Grune and Stratton, 1956. - 148 p.
37. Cremer H. // Med. Wschr. Munchen. - 1907. - Vol. 54. - P. 1929.
38. McClendon J. F., Hemingway A. // J. Gen. physiol. - 1930. - Vol. 13, No. 6. - P. 621-626.
39. Remington J.W. The physiology of the aorta and major arteries // Handbook of physiology. Set. 2. Circulation. - Washington, 1963. - P. 34-49.
40. Richter C.P. // Am. J. Physiol. - 1929. - Vol. LXXX. - P. 596-575.
INNOVATION IN BIOMECHANICS OF THE SYSTEMIC CIRCULATION
A.A. Garanin, A.E. Ryabov (Samara, Russia)
The relationship of central hemodynamics and peripheral blood circulation is considered. Based on 300 observations according to a computer in the vascular cycle rheography of the greater circulation, authors distinguish two periods: systole and diastole by analogy with the cardiac cycle. In semi-automatic mode, using a unique software package, each period is divided into phases: systole (outflow period) consists of the phases of the elastic component of the outflow, muscular component of the outflow, capillary-venous outflow; diastole (the period of inflow) includes metabolic phase, pulse wave, fast and slow inflow. Phase boundaries are defined by setting the reference points for the minimum, maximum and zero crossing of the second derivative rheograms, by alternating which, the authors are able to identify a strict sequence. The detailed description of physiological processes occurring during each phase and the biomechanical properties of the various divisions of the vascular bed of the systemic circulation are described. To evaluate the biomechanical properties of the various divisions of the vascular bed of the systemic
circulation, the calculations of some parameters of biomechanics are conducted: duration of the phases of the vascular cycle, average rate of change of resistance, strength, power, and performance. As an example, results of a survey of 100 people who are distributed into 3 groups are shown. The data obtained allow us to complement existing conflicting data on the physiology of the systemic circulation, to quantify the biomechanics of both arterial and venous parts. The proposed new phase structure rheograms are successfully applied in the study of various vascular beds of the systemic circulation: the rheovasogram, rheorenogram, rheohepatogram, rheoencephalogram.
Key words: biomechanics, systemic circulation, rheography, diabetes mellitus.
Получено 8 марта 2014
