CC BY
51
УДК: 612.213
СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДИК НАХОЖДЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ЧАСТОТ ДЫХАНИЯ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ СООТНОШЕНИЙ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНОГО РИТМА
А.Л. Кулик1, А.К. Задерихин2, В.И. Шульгин2, A.B. Мартыненко1, Н.И. Яблучанский1 'Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Украина
Национальный Аэрокосмический Университет имени Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Украина
На 4 здоровых добровольцах в возрасте от 22 до 29 лет (2 мужчины и 2 женщины) с индексом массы тела от 21 до 23 кг/м2 проведено сравнение различных методов поиска оптимальной частоты мет-рономизированного дыхания, при которой наблюдается наибольшее приближение к оптимуму соотношения звеньев вариабельности сердечного ритма (ВСР). Поиск оптимальной частоты происходил путем перебора частот дыхания (ЧД) - возрастания и убывания с 6 до 12 дыханий в минуту и обратно, а также с использованием автоматического алгоритма. Результаты показали совпадение оптимумов, полученных при пошаговом возрастании и убывании ЧД с данными автоматического поиска, что свидетельствует о возможности алгоритмизации метода и достаточно высокой точности и надежности предложенного алгоритма.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: вариабельность сердечного ритма, биообратная связь, частота дыхания
ПОРІВНЯННЯ РІЗНИХ МЕТОДИК ЗНАХОДЖЕННЯ ОПТИМАЛЬНИХ ЧАСТОТ ДИХАННЯ НА ОСНОВІ ВИВЧЕННЯ СПІВВІДНОШЕНЬ СПЕКТРАЛЬНИХ ПОКАЗНИКІВ ВАРІАБЕЛЬНОСТІ СЕРЦЕВОГО РИТМУ
О.Л. Кулик1, O.K. Задеріхін2, В.І. Шульгін2, О.В.Мартиненко1, М.І. Яблучанський1 'Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Україна
Національний Аерокосмічний Університет імені М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Україна
На 4 здорових добровольцях у віці від 22 до 29 років (2 чоловіки і 2 жінки) з індексом маси тіла від 21 до 23 кг/м2 проведено порівняння різних методів пошуку оптимальної частоти метрономізованого дихання, при якій спостерігається найбільше наближення до оптимуму співвідношення ланок варіабельності серцевого ритму (ВСР). Пошук оптимальної частоти відбувався шляхом перебору частот дихання (ЧД) - зростання та спадання з 6 до 12 дихань за хвилину і назад, а також з використанням автоматичного алгоритму. Результати показали збіг оптимумів, отриманих при покроковому зростання та спадання ЧД з даними автоматичного пошуку, що свідчить про можливість алгоритмізації методу та досить високої точності і надійності запропонованого алгоритму.
КЛЮЧОВІ СЛОВА: варіабельність серцевого ритму, біофідбек, частота дихання
COMPARISON OF DIFFERENT METHODS OF OPTIMAL BREATHING FREQUENCIES DETECTION ON THE BASIS OF HEART RATE VARIABILITY SPECTRAL INDEXES’ RATIOS
A.L. Kulik1, A.K. Zaderihin2, VI. Shulgin2, A. V. Martynenko1, M.I. Iabluchanskyi1
'V.N. Karazin Kharkov National University, Ukraine
2National Aerospace University, named by N. E. Zhukovskii «Kharkov Aviation Institute», Ukraine
At 4 healthy volunteers in age from 22 to 29 years (2 men and 2 women) with the body mass index from 21 to 23 kg/m the comparison of different methods of optimal frequencies of paced breathing detection, at which the greatest approximation to the optimum ratio of spectral indices of heart rate variability (HRV) was achieved were studied. Detection of optimal frequency was performed by enumeration of breathing frequency (BF) - increase and decrease from 6 to 12 breaths per minute and back, and by using automatic algorithm. The results showed the coincidence of optima obtained by stepwise increasing and decreasing of BF with data from automatic search, that indicates the possibility of method algorithmization and sufficiently high accuracy and reliability of the proposed algorithm.
KEY WORDS: HRV, biofeedback, breathing frequency
Оценка функционального состояния организма, его адаптивных резервов и работы регуляторных систем является важной проблемой в современной клинике, поскольку от этого во многом зависит состояние здоровья человека [1]. Вариабельность сердечного ритма (ВСР) является мощнейшим неинвазивным методом исследования состояния регуляторных систем организма [2]. Поскольку низкие показатели ВСР коррелируют с плохим прогнозом [3], возможностью нарушений ритма сердца [4] в настоящее время разрабатываются различные методики биообратной связи, направленные на повышение и нормализацию показателей ВСР. Одной из самых эффективных и простых в использовании методик является метроно-мизированное дыхание [1, 2, 5].
Так как метрономизированное дыхание на разных частотах приводит к разным картинам ВСР, подбором определенной частоты дыхания можно добиться роста мощности ВСР и восстановления баланса между ее спектральными компонентами [6]. В связи с этим большое значение приобретает задача поиска наилучшего метода подбора оптимальной частоты метрономизированного дыхания.
Притом, что зависимость величины показателей ВСР от частоты дыхания изучалась достаточно подробно [2, 5, 7-9], внимание исследователей направлено на изучение показателей ВСР на отдельных изолированных частотах дыхания. Изучения изменения показателей ВСР при различных методиках поиска оптимальной частоты дыхания не проводилось.
Исследование выполнено в рамках НИР ХНУ «Разработка и исследование системы автоматического управления вариабельностью сердечного ритма», № госрегистрации 010911000622.
Цель исследования. Провести сравнение различных методов поиска частоты метрономизированного дыхания, при котором наблюдается наибольшее приближение к оптимуму соотношения звеньев ВСР для создания эффективных техник биообратной связи в задачах повышения качества регуляторных систем человека.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Обследовано 4 здоровых добровольца в возрасте от 22 до 30 лет (2 мужчины и 2 женщины), с индексом массы тела от 21 до 23 кг/м2. Частота сердечных сокращений варьировала от 81 до 85 в минуту, артериальное давление находилось в диапазоне -100/60 и 120/80 мм рт.ст.
У всех испытуемых с помощью компью-
терного диагностического комплекса «Саг-сПоЬаЬ 2009» («ХАИ-Медика») с частотой дискретизации сигнала 1000 Гц проводилось по 3 мониторные записи ЭКГ, в которых при помощи быстрого преобразования Фурье выделяли три типа волн: медленные (УЬБ) -частотой от 0,0033 до 0,05 Гц - преимущественно связаны с терморегуляцией, гуморальной (калликреинкинировая, ренинангио-тензивая, гормональные, иные) регуляцией и симпатическим звеном вегетативной нервной системы; средние (ЬГ) - от 0,05 до 0,15 Гц - преимущественно с симпатическим и парасимпатическими звеньями вегетативной нервной системы и быстрые (НГ) - от 0,15 Гц до 0,40 Гц - преимущественно с парасимпатическим звеном вегетативной нервной системы.
Записи производились в положении сидя при различных параметрах изменения частоты дыхания (ЧД) - механическом переборе частот дыхания - возрастании и убывании с 6 до 12 дыханий в минуту и обратно и при автоматическом поиске частоты дыхания для достижения оптимума параметров ВСР с помощью алгоритма биообратной управляемой связи. Продолжительность дыхания на каждой из частот составляла 1 минуту.
Алгоритм автоматического поиска частоты дыхания состоял из двух подпрограмм -1) определение расстояния до оптимума соотношений всех звеньев ВСР и 2) поиск частоты дыхания, максимально приближающей к оптимуму соотношения значений показателей звеньев ВСР на основании установленных спектральных характеристик ВСР. Ритм дыхания задавался и автоматически изменялся метрономом, встроенным в программу «СагсПоЬаЬ 2009».
На каждом минутном интервале каждой из записей определялись: общая мощность (ТР, мс2) спектра ВСР, мощности спектров доменов низких (Уи, мс2), средних (и, мс2) и высоких (НГ, мс2) частот, соотношение и/НГ как мера симпатовагального баланса, соотношение УЬГ/(ЬГ+НГ) как мера гуморальновегетативного баланса, а также отмечалась частота дыхания, при которой регистрировалось наибольшее приближение к оптимуму равновесия звеньев ВСР и проводилось сравнение между полученными оптимальными частотами дыхания на всех трех записях. Оптимальные параметры ВСР определялись индивидуально, исходя из известных норм для пола и возраста, по значениям ШНГ и УЫ7(ЬГ+НГ) [10].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В таблице представлены значения ЧД, при которых регистрировались оптимумы
равновесия звеньев ВСР при использовании различных методов его поиска.
Как видно из таблицы, оптимальные значения ЧД зарегистрированные при пошаговом возрастании и убывании ЧД совпадают
между собой и результатами автоматического поиска, что объясняется практически одинаковыми соотношениями звеньев ВСР на одних ЧД независимо от направления их изменения.
Таблица
Значения ЧД, при которых отмечаются оптимумы равновесия звеньев ВСР
№ испытуемого Плавное изменение ЧД Автоматический поиск
возрастание убывание
Испытуемый 1 9 9 9
Испытуемая 2 12 12 12
Испытуемый 3 9 9 9
Испытуемая 4 9 9 9
Совпадение оптимальных ЧД, полученных при использовании алгоритма автоматического поиска с оптимумами, полученными при пошаговом возрастании и убывании ЧД, свидетельствует о возможности применения алгоритмического поиска оптимальной ЧД и достаточно высокой точности и надежности предложенного алгоритма.
Притом, что подобных работ в литературе мы не нашли, полученные нами данные вкладываются в систему представлений о нейрогуморальных механизмах регуляции дыхания и кровообращения и функциональных взаимоотношениях в системе дыхательных и парасимпатических ядер ствола мозга
[9, Ю].
ЛИТЕРАТУРА
1. Kobayashi Н. Does paced breathing improve the reproducibility of heart rate variability measurements? / H. Kobayashi // J Physiol Anthropol. - 2009. - № 28(5). - P. 225-230.
2. Fang Y. Effect of different breathing patterns on nonlinearity of heart rate variability. / Y. Fang, J.T. Sun, C. Li [et al.] // Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. - 2008. - P. 3220-3223.
3. Esler M. Reduced HRV and baroreflex sensitivity as universally applicable cardiovascular «risk factors»: waiting for the bubble to burst / M. Esler, E. Lambert // Clinical Autonomic Research - 2003. - № 13 (3). -P. 170-172.
4. Lombardi F. Chaos theory, heart rate variability, and arrhythmic mortality / F. Lombardi //Circulation -2000.-№ 101(1).-P. 8-10.
5. Lehrer P.M. Resonant frequency biofeedback training to increase cardiac variability: rationale and manual for training. / P.M. Lehrer, E. Vaschillo, B. Vaschillo // Appl Psychophysiol Biofeedback. -2000.-№25.-P. 177-191.
6. Частота дыхания и вариабельность сердечного ритма у здоровых добровольцев в биообратной связи / A.JI. Кулик, А.К. Задерихин, В.И. Шульгин [и др.] // Вісник Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна. - 2009. - № 879, вип. 18. - С. 20-24.
7. Shields R.W. Jr. Heart rate variability with deep breathing as a clinical test of cardiovagal function. /
R.W. Jr. Shields // Cleve Clin J Med. - 2009,- № 76. - Suppl 2. - P. 37-40.
8. Breathing frequency bias in fractal analysis of heart rate variability. / P. Perakakis, M. Taylor, E.
Martinez-Nieto [et al.] // Biol Psychol. - 2009. - № 82(1). - P. 82-88.
9. Breathing cardiovascular variability and baroreflex in mechanically ventilated patients. / A. Van de
Louw, C. Medigue, Y. Papelier [et al.] //Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. - 2008. - № 295(6). -P. 1934-1940.
10. Исследуем регуляторные процессы / Н.И. Яблучанский, А.В. Мартыненко, А.С. Исаева [и др.] // -Донецк : ЧП Бугасова, 2005. - 196 с.
© Кулик О.Л., Задеріхін O.K., Шульгін В.І., Мартыненко О.В., Яблучансъкий М.І., 2010
ВЫВОДЫ
1. Оптимальные частоты дыхания, полученные при пошаговом возрастании частоты дыхания у здоровых добровольцев, соответствуют полученным при ее пошаговом снижении.
2. Оптимальные частоты дыхания при автоматическом поиске совпадают с частотами, полученными при пошаговом возрастании и убывании частоты дыхания.
3. Задачи поиска оптимума частоты дыхания для достижения баланса звеньев ВСР могут быть решены использованием как однонаправленного перебора частот, так и автоматического поиска.
