CC BY
38
Журнал фундаментальной медицины и биологии оригинальные статьи
УДК 616:12-008.3-079:616-003.96-057.875
РОЛЬ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СЕРДЕЧНОГО РИТМА В ОЦЕНКЕ АДАПТАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА СТУДЕНТОВ
Гребняк Н.П., Якимова К.А., Микрюкова Н.Г.
Донецкий национальный медицинский университет им. М. Горького Украина, 83003, Донецк, пр. Ильича, 16 vladim г dok@ma.il. т
Реферат
Цель. Комплексное исследование автокорреляционных и спектральных показателей вариабельности сердечного ритма для оценки функциональных резервов организма студентов.
Материалы и методы. Исследовано функциональное состояние организма 202 студентов по автокорреляционным и спектральным показателям сердечного ритма в покое и при физической нагрузке.
Результаты. Выявлена значительная вариабельность в покое автокорреляционных и спектральных показателей, отражающих наличие вегетативных регулирующих влияние на сердечный ритм. Установлено, что под воздействием физической нагрузки снизилась общая мощность спектра с одновременным перемещением мощности в диапазон высоких частот.
Заключение. Критериальным признаком адаптационного потенциала является напряжённость регуля-торных механизмов ритма сердца (взаимоотношение LF- и HF- компонент, гармоничность автокорреляционной функции).
Ключевые слова: сердечный ритм, регулирование, спектральный анализ, автокорреляционный анализ, студенты.
ROLE OF SPECTRAL INDICES OF CARDIAC RHYTHM IN EVALUATION OF ADAPTATION POTENTIAL OF STUDENTS
Grebnyak N.P., Yakimova K.A., Mikryukova N.G.
M. Gorky Donetsk National Medical University 16 Illicha av., Donetsk, 83003, Ukraine vladim ir. dok@mail. ru
Abstract
Purpose. To study the complex of autocorrelative and spectral parameters of heart rate variability to assess the functional capacities of the students.
Materials and methods. We investigated the functional state of students 202 according to the autocorrelative and spectral indices of cardiac rhythm at rest and during exercise.
Results. A significant variability was revealed at rest of autocorrelative and spectral indices reflecting the presence of autonomic regulatory effect on cardiac rhythm. It was found that under the influence of physical activity the total power of spectrum with simultaneous moving power in the high frequency range decreased.
Conclusion. Criterial feature of adaptive capacity is the tension of regulatory mechanisms of cardiac rhythm (relationship LF- and HF- component, the harmony of the autocorrelation function).
Keywords: cardiac rhythm, regulation, spectral analisis, autocorrelative analysis, students.
оригинальные статьи
Журнал фундаментальной медицины и биологии
Введение
Учебная деятельность обучающихся на современном этапе развития образовательных технологий отличается выполнением интенсивной интеллектуальной работы для анализа все увеличивающегося объема информации, а также необходимостью креативности мышления. Эти обстоятельства в совокупности с постоянным дефицитом времени и гиподинамией приводят к развитию у студентов повышенного уровня психоэмоциональной напряженности, повышая требования к функциональным резервам их организма.
Универсальным индикатором адаптационно-приспособительных свойств организма является характер состояния сердечно-сосудистой системы, в связи с чем к числу наиболее информативных показателей диагностики функционального состояния организма относится анализ вариабельности сердечного ритма. Являясь результатом сопряженности автономных внутрисердечных механизмов и экстракардиальной регуляции сердца [1, 2], сердечный ритм отражает степень напряжения регуляторных систем при многообразных воздействиях на человека, может служить индикатором адаптации целостного организма [3-6]. Учитывая вышеизложенное, проблема обоснования информативности сердечного ритма как метода оценки функционального состояния организма представляется актуальной.
Цель исследования состояла в комплексном исследовании автокорреляционных и спектральных
показателей вариабельности сердечного ритма для оценки функциональных резервов организма студентов.
Материалы и методы исследования
В исследовании приняли участие 202 практически здоровых, не имеющих симптомов сердечной и дыхательной патологии, студентов в возрасте 18-22 лет, давших осведомленное согласие на участие в исследовании.
Состояние сердечного ритма у испытуемых оценивали кардиоинтервалографически по общепринятой методике Р.М. Баевского. При этом регистрацию ЭКГ во II-м стандартном отведении производили в состоянии функционального покое в течение 2-х минут после 10-ти минутного отдыха в положении «сидя», а затем при выполнении дозированной физической нагрузки (степ-тест в течение 5 мин).
Характеристику автокорреляционной функции осуществляли на основе показателей коэффициента автокорреляции после I-го сдвига (1 r); количества сдвигов, после которых коэффициент уменьшался до 0,3 (0,3m), до 0 (0m) или становился отрицательным (-m); наименьшего (Kmin) и наибольшего (Kmax) коэффициентов автокорреляции после I-го сдвига; количества сдвигов, после которых коэффициент наименьший (m ) и наибольший (m )
т т 1 V mm/ V max/
после I-го сдвига; амплитуд восходящей (Ав) и нисходящей (Ан) частей колебания; периодов восходящей (Рв) и нисходящей (Рн) частей колебания;
Таблица 1
Характеристика автокорреляционной функции сердечного ритма у студентов в устойчивых состояниях
(Х±8х)
Показатели Состояние Разность показателей Достоверность различия
Функциональный покой Физическая нагрузка
I r, усл.ед. 0,53 ± 0,01 0,12 ± 0,01 -0,41 ± 0,17 < 0,001
0,3 , сдв. ' m' 2,48 ± 0,10 4,12 ± 0,18 1,64 ± 0,21 < 0,001
0 , сдв. ш' 9,57 ± 0,42 5,93 ± 0,37 -3,64 ± 0,56 < 0,001
- m, сдв. 9,96 ± 0,42 4,10 ± 0,34 -5,86 ± 0,54 < 0,4
К . , усл.ед. mm' S 0,26 ± 0,01 0,25 ± 0,01 -0,01 ± 0,01 < 0,2
К , усл.ед. max7 S 0,30 ± 0,007 0,31 ± 0,01 0,01 ± 0,01 < 0,2
m . , сдв. mm' 20,4 ± 0,47 14,6 ± 0,56 -5,8 ± 0,73 < 0,001
m , сдв. max7 11,0 ± 0,42 11,9 ± 0,48 0,9 ± 0,60 < 0,2
Ав, ед. 0,24 ± 0,01 0,36 ± 0,01 0,08 ± 0,01 < 0,001
Ан, ед. 0,20 ± 0,009 0,35 ± 0,01 0,05 ± 0,01 < 0,001
Рв, ед. 2,89 ± 0,14 2,30 ± 0,06 -0,59 ± 0,15 < 0,001
Рн, ед. 3,82 ± 0,17 2,92 ± 0,07 -0,9 ± 0,18 < 0,001
Де, ед. 0,95 ± 0,04 0,85 ± 0,02 -0,08 ± 0,04 < 0,05
К, ед. 7,7 ± 0,39 6,6 ± 0,37 -1,1 ± 0,54 < 0,05
Примечание. I г - коэффициент автокорреляции после 1-го сдвига; 0,3т - количество сдвигов, после которых коэффициент автокорреляции уменьшался до 0,3; 0т - количество сдвигов, после которых коэффициент автокорреляции уменьшался до 0; -т - количество сдвигов, после которых коэффициент автокорреляции становился отрицательным; Кт.п - наименьший коэффициент автокорреляции после 1-го сдвига; Ктах - наибольший коэффициент автокорреляции после 1-го сдвига; тт.п - количество сдвигов, после которых коэффициент автокорреляции наименьший после 1-го сдвига; ттах - количество сдвигов, после которых коэффициент автокорреляции наибольший после 1-го сдвига; Ав - амплитуда восходящей части колебания; Ан - амплитуда нисходящей части колебания; Рв - период восходящей части колебания; Рн - период нисходящей части колебания; Де - декремент затухания; К - коэффициента рассеивания.
Журнал фундаментальной медицины и биологии
оригинальные статьи
декремента затухания (Де); коэффициента рассеивания (К).
Спектральную функцию процесса сердечной деятельности оценивали по параметрам: общая мощность спектра (So), несущие частоты (f.), дисперсия несущих частот (Df.).
При оценке сердечного ритма руководствовались существующими рекомендациями [7]. Статистическую обработку полученных данных проводили с помощью стандартного пакета программ Microsoft Excel для Windows.
Результаты исследования и их обсуждение
Для определения функциональной организации сердечного ритма, его однородности, а также для выявления взаимосвязи интервалов R-R ЭКГ в динамическом ряду был проведен автокорреляционный анализ, данные которого представлены в таблице 1.
В условиях функционального покоя автокорреляционная функция характеризовалась полным затуханием после 9,57 ± 0,42 сдвигов. Однако, из-за значительной крутизны первого спада автокорреляционной кривой 0,53 ± 0,01 (p < 0,001), уже после 2,48 ± 0,10 сдвигов (p < 0,001) связь становилась слабой (r < 0,3). Только при первых двух сдвигах коэффициенты автокорреляции находились в зоне средней зависимости. На 3-ем сдвиге автокорреляционная функция характеризовалась значительным затуханием и отсутствием зависимости между вариантами динамического ряда интервалов R-R ЭКГ. В состоянии функционального покоя автокорреляционная функция отличалась наличием колебаний разной амплитуды, имеющих аритмичный характер: период нисходящей части колебаний превышал период восходящей их части (p < 0,05).
Несколько иная картина наблюдалась в условиях дозированной физической нагрузки. Основной чертой автокорреляционной функции при физической нагрузке явилось наличие выраженных периодических колебаний, происходящих на фоне уменьшения взаимосвязи между величинами, составляющих процесс в целом. Колебания приобрели гармоничность за счет увеличения амплитуды, особенно восходящей части (р < 0,001), а амплитуда и период восходящей и нисходящей частей колебаний стали практически одинаковыми (р < 0,2), что отражало приобретение колебательным процессом незатухающего характера. В то же время происходило уменьшение периодов и восходящей, и нисходящей части колебаний (р
< 0,001), свидетельствуя этим о появлении более высокочастотных периодических компонент.
Гармонические колебания с малыми периодами располагались в области нулевой линии авто-коррелограммы. Декремент затухания, отражающий затухание имеющихся в динамическом ряду колебаний, снизился (р < 0,05), а коэффициент рассеивания уменьшился на 1,1 + 0,54 (р < 0,05), что в совокупности свидетельствовало об увеличении у испытуемых периодичности колебаний сердечного ритма в условиях физической нагрузки.
Таким образом, автокорреляционная функция сердечного ритма у испытуемых в условиях функционального покоя соответствовала величинам, характерным для этого вида состояния организма. В то же время выяснилось, что студентам при физической нагрузке присуще снижение выраженности уровня взаимокорреляционных связей с одновременным усилением гармоничности колебаний, соответствуя этим самым картине синусовой аритмии. Характерный для студентов при физической нагрузке быстрый спад кривой и уменьшение периодов колебаний можно рассматривать как следствие одновременно происходящей активации центральных регуляторных влияний на сердце и автоматизма синусового узла [1]. Повышение автоматизма синусового узла под влиянием экстракардиальных регуляторных воздействий представляется основным механизмом, обеспечивающим быстрое увеличение сократительной функции сердца.
Сдвиги, зарегистрированные под влиянием физической нагрузки, свидетельствуют о напряжении регуляторных механизмов ритма сердца и смещении вегетативного баланса в сторону преобладания активности симпатического отдела вегетативной нервной системы. Такой характер изменения показателей автокорреляции можно рассматривать как отражение усиления централизации управления ритмом сердца, в частности, модулирующего влияния гипоталамуса [4].
В таблице 2 представлены показатели дисперсии сердечного ритма в нулевой точке (нулевой спектр) у студентов в условиях функционального покоя и при физической нагрузке. Как следует из таблицы, в состоянии покоя нулевой спектр был равен 5,6 + 0,14 и его вклад в общую дисперсию процесса составлял 9,3 + 1,7%. При физической нагрузке этот показатель стал меньше на 2,75 + 0,19 условных единиц (р < 0,001), но пределы колебаний его вклада в общую дисперсию остались без изменений.
Таблица 2
Дисперсия нулевого спектра сердечного ритма (Х+Sx)
Состояние В условных единицах Доля в общей дисперсии, %
в среднем пределы колебаний
Функциональный покой 5,60 ± 0,14 9,3 ± 1,7 1,1 - 28,3
Физическая нагрузка 2,85 ± 0,14 4,6 ± 1,2 1,6 - 21,6
оригинальные статьи
Журнал фундаментальной медицины и биологии
Полученные у студентов в условиях функционального покоя высокие значения общей мощности нулевого спектра сердечного ритма (5,60 ± 0,14) свидетельствуют о минимальной централизации управления им на фоне значительного преобладания активности автономного контура регуляции сердца, в частности, парасимпатического отдела вегетативной нервной системы. Это характеризует выраженный ваготонический тип регуляции ритма сердца и обусловливает значительные функциональные резервы вегетативного управления сердцем и высокие адаптационные возможности организма [5, 7, 8].
Снижение общей мощности спектра сердечного ритма у студентов при физической нагрузке ука-
зывает на развитие при этом относительного преобладания симпатических и гуморально-метабо-лических регуляторных влияний на сердце. Это, согласно существующим взглядам [1], может быть обусловлено ригидностью барорецепторного механизма и высокой зависимостью вегетативного обеспечения сердечного ритма от гуморально-метабо-лических механизмов, и чем больше это снижение при физической нагрузке, тем ниже адаптационные возможности организма.
Об изменениях характера внутренней структуры автокорреляционной функции и периодических компонентов динамического ряда R-R интервалов ЭКГ у студентов судили на основании анализа спектральной плотности сердечного ритма (табл. 3).
Таблица 3
Характеристика спектральной плотности сердечного ритма студентов в устойчивых состояниях
(Х±8х)
Показатели Состояние Разность показателей Достоверность различия
Функциональный покой Физическая нагрузка
^ ГЦ 0,08 ± 0,009 0,22 ± 0,009 0,14 ± 0,009 < 0,001
^ Гц 0,22 ± 0,005 0,46 ± 0,01 0,24 ± 0,011 < 0,001
^ Гц 0,32 ± 0,007 0,70 ± 0,07 0,38 ± 0,021 < 0,001
И,, усл. ед. 4,04 ± 0,100 2,81 ± 0,09 -1,23 ± 0,13 < 0,001
Df2, усл. ед. 2,58 ± 0,059 3,09 ± 0,07 -0,56 ± 0,09 < 0,001
Df3, усл. ед. 1,80 ± 0,044 2,62 ± 0,07 0.82 ± 0,08 < 0,001
LF/HF, усл. ед. 1,41 ± 0,09 0,49 ± 0,06 0.92 ± 0,11 < 0,001
Примечание. ^ ! - несущие частоты; Э^, - дисперсия несущих частот; ЬР/ЫР - показатель вегетативного баланса.
Для состояния функционального покоя характерными оказались низкие частоты, а несущие частоты ^ были сгруппированы в диапазоне 0,08 ± 0,009 Гц, 0,22 ± 0,005 Гц и 0,32 ± 0,007 Гц соответственно. Значения нормированной дисперсии обнаруживали, по мере увеличения частоты, тенденцию к снижению, составив 4,04 ± 0,10, 2,5 ± 0,059 и 1,80 ± 0,044 усл. ед. соответственно.
Изменения сердечного ритма при физической нагрузке сопровождались повышением частоты периодических колебаний. Основные несущие частоты переместились в диапазоны 0,22 ± 0,009; 0,46 ± 0,01 и 0,70 ± 0,07 Гц. Дисперсия колебаний на спектрограмме оставалась прежней, но произошло смещение больших дисперсий в диапазоны более высоких частот. Особенно существенное увеличение дисперсии произошло на 2-й и 3-й несущих частотах, соответственно на 0,56 ± 0,09 ед. и 0,82 ± 0,008 ед. (р < 0,001). Следует обратить внимание на снижение (р < 0,001) дисперсии на 1-й несущей частоте. Особенностью повышения частоты периодических колебательных процессов при физической нагрузке является значительное увеличение амплитуды более высоких частот. У части студентов усилилась стабилизация ритма сердечных сокращений. Взаимоотношение центральных регуля-торных механизмом с саморегулирующей системой синусового узла, по данным спектрального анализа сердечного ритма студентов, выражается в характерных для корково-подкорковой активности вы-
соком нулевом спектре и большой амплитуде низкочастотных колебаний.
В ответ на физическую нагрузку у студентов происходили специфические изменения регулятор-ных механизмов сердечной деятельности: повышение частоты периодических колебаний с одновременным повышением их дисперсии и снижением нулевого спектра. Подобные изменения автокорреляционной и спектральной функции сердечного ритма определяются одновременным повышением тонуса и симпатического, и парасимпатического отделов автономной нервной системы, и они же являются свидетельством функционального напряжения организма. Очевидно, что синергическое развитие взаимоотношений между симпатическим и парасимпатическим отделами обеспечивает максимальную стабильность и надежность регулятор-ных механизмов.
Выявленное в ходе спектрального анализа увеличение при физической нагрузке мощности в диапазоне высоких частот (HF-составляющая) свидетельствует о возрастании симпатических влияний на ритм сердца [1, 4, 7]. Устойчивый уровень мощности в диапазоне низких частот (LF) как в состоянии функционального покоя, так и при физической нагрузке отражает стабильность рефлекторной симпатической активности [8]. С позиции оценки адаптационного потенциала при физической нагрузке весьма важным является уменьшение VLF-компоненты, происходящее на фоне увеличения
Журнал фундаментальной медицины и биологии
оригинальные статьи
HF-компоненты, поскольку изменения противоположного характера указывают на повышение симпатических влияний и снижение вегетативной сег-ментарно-периферической регуляции сердечного ритма [8].
Дополнительным подтверждением информативности спектральных параметров также является коэффициент вагосимпатического взаимодействия (LF/HF). В частности, средние его значения в состоянии покоя свидетельствуют о сбалансированной или нормотонической регуляции сердечного ритма, для которого характерны умеренный уровень вагальных парасимпатических, симпатических и гуморально-метаболических влияний на модуляцию сердечного ритма.
Выводы
1. Выявленные закономерности вариабельности сердечного ритма отражают отдельные стороны
саморегуляции и управления сердечным ритмом у студентов. В состоянии покоя отмечается высокая вариабельность автокорреляционных и спектральных показателей с наибольшим вкладом в его формирование дыхательной аритмии, происходящей вследствие парасимпатических влияний.
2. Снижение общей мощности спектра сердечного ритма во время физической нагрузки при одновременном перемещении мощности в диапазон высоких частот (HF-составляющая) и быстром спаде кривой автокорреляции отражает преобладание симпатической и гуморально-мета-болической активности.
3. Критерием адаптационных возможностей организма студентов является напряженность ре-гуляторных механизмов ритма сердца, отражающаяся во взаимоотношении LF- и HF-компонент, а также гармоничности автокорреляционной функции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бирюкова Е.А., Чуян Е.Н. Вариабельность сердечного ритма у испытуемых с разным типом вегетативной регуляции под влиянием управляемого дыхания с индивидуально подобранной частотой (часть 1). Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. 2010; 23 (3): 28-34.
2. Гребняк М.П., Якимова К.О. Критерiальнi ознаки серцевого ритму в ощнщ здоров'я студенпв. Медицина сьогодш i завтра. 2013; 3 (60): 41-44.
3. Гринцова А.А., Ладария Е.Г. Изменение показателей вариабельности сердечного ритма под влиянием гипербарической оксигенации у пациентов с профессиональным хроническим обструктивным заболеванием легких. Вестник гигиены и эпидемиологии. 2012; 16 (1): 73-76.
4. Рябыкина Г.В., Соболев А.В. Вариабельность ритма сердца. М.: Стар'Ко; 1998.
5. De Boer RW, Karemuker JM, Stracker J. On the spectral analysis of blood pressure variability. Am J Physiol. 1986; 251 (3): 685.
6. Prokhorov MD, Ponomarenko VI, Gridhev VI. Synchronization between main rhythmic processes in human cardiovascular system. Phys Rev E. 2003; 68: 13.
7. Task Force of The European Society of Cardiology and The North Amerikan Society of Pacing and Electrophysiology. Heart Rate Variability. Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use. Eur Heart J. 1996; 17: 354-381.
8. Ильина С.С., Чернеев А.С., Ефимова И.П. Значение различных методов анализа вариабельности сердечного ритма в кардиологии. Вестник ОГУ 2003; 5: 115-120.
