CC BY
33
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 612.171.1
ВЛИЯНИЕ ДЫХАНИЯ С ЗАДАННОЙ ЧАСТОТОЙ НА ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ ИНТЕРВАЛОВ QT ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММЫ
THE EFFECT OF PACED BREATHING ON THE VARIABILITY OF QT-INTERVALS OF ELECTROCARDIOGRAM
Д. А. Димитриев, Н. М. Ремизова D. A. Dimitriev, N. M. Remizova
ФГБОУВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева», г. Чебоксары
Аннотация. В данной работе приводятся результаты изучения функционирования кардио-респираторной системы при различных режимах дыхания. Установлено, что воздействие дыхания с заданной частотой приводит к сдвигу параметров интервала QT по сравнению со свободным дыханием и изменению длительности потенциала действия кардиомиоцита.
Abstract. This work gives the results of studying the function of cardiorespiratory systems under different regimes of breathing. It is established that paced breathing leads to the shift in the parameters of QT-interval compared with a free breathing and change in the duration of cardiomyocyte action.
Ключевые слова: кардиореспираторная система, вариабельность сердечного ритма, частота дыхания, QT-интервалы.
Keywords: cardio-respiratory system, heart rate variability, respiratory rate, QT-intervals.
Актуальность исследуемой проблемы. Одним из важнейших направлений в исследовании функционирования сердечно-сосудистой системы является изучение параметров электрокардиограммы (ЭКГ) [16]. Это обусловлено тем, что они отражают электрические процессы, лежащие в основе сокращения миокарда и регуляции ритма сердца [5], [6]. Традиционно исследование проводится в двух направлениях - изучение морфологии зубцов ЭКГ и оценка динамики временных параметров ЭКГ [2]. В последние годы были достигнуты значительные успехи в изучении физиологических механизмов, участвующих в формировании ЭКГ, а также в исследовании модуляции параметров электрической активности сердца в различных функциональных состояниях [1], [4], [18].
Одним из важнейших параметров ЭКГ является продолжительность интервала QT, которая зависит от протекания процессов реполяризации и деполяризации миокарда [11]. Временные характеристики интервалов QT меняются при различных функциональных состояниях [3], [9], [10]. Так, было показано, что повышение симпатического тонуса сопровождается усилением динамических изменений продолжительности интервала QT [7], [15]. Повышение вариабельности интервалов QT отмечается у людей, страдающих приступами паники и депрессии. Введение изопротеренола (В-адреномиметика) и проба с пассивным переходом в вертикальное положение (тилт) оказывают существенное влияние на продолжительность и вариабельность интервалов QT [21]. Хотя исследование влияния дыхания на интервалы QT берет свое начало с пионерской работы Davidovsky и Wolf (1984) [9], до настоящего момента не проводилось изучение влияния дыхания с заданной частотой на продолжительность QT. Наиболее близко к этой теме подошли Haapalahti и соавт. [10], которые изучали влияние глубокого дыхания на дисперсию интервалов QT.
Дыхание с заданной частотой является особым функциональным состоянием, при котором происходит существенное изменение сердечного ритма и вегетативной активности [20]. Изучение респираторной синусовой аритмии традиционно осуществляется посредством оценки спектральных характеристик вариабельности интервалов RR [3]. Эти исследования показали наличие выраженных изменений амплитуды волн колебаний RR-интервалов, совпадающих по частоте с дыханием. В основе этого феномена лежит циклическое изменение активности парасимпатического отдела ВНС, который способен оказывать влияние и на длину интервала QT [12]. Отсюда можно сделать вывод о том, что дыхание с заданной частотой способно изменять динамические характеристики интервала QT. Совершенствование методов анализа RR-интервалов привело к появлению новых подходов к изучению кардиоинтервалограммы как сложного биологического сигнала, которые нашли применение и при изучении интервалов QT [8], [13].
Исходя из вышесказанного, целью настоящей работы является исследование вариабельности интервалов QT при дыхании с заданной частотой.
Материал и методика исследований. В исследовании принимали участие 33 студента факультета естественнонаучного образования ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева» в возрасте от 18 до 23 лет, из них женщин - 25, мужчин - 8. Все обследованные не страдали хроническими заболеваниями сердечно-сосудистой системы, системы дыхания, заболеваниями вегетативной нервной системы, т. е. относились к I-II группам здоровья. Исследование проводилось в первой половине дня с 9 до 12 часов в помещении при температуре воздуха 21 оС в положении лежа. Испытуемый находился в состоянии покоя не менее 5 мин до начала регистрации кардиоинтервалов. Вариабельность сердечного ритма (ВСР) изучалась на основе 5-минутных записей ЭКГ, сделанных в два этапа: при дыхании со свободной и с заданной частотой 6 раз в минуту. Регистрация сердечного ритма осуществлялась с помощью программно-аппаратного комплекса «Нейрософт» согласно рекомендациям Европейской ассоциации кардиологии [19].
На основе временной последовательности интервалов QT были вычислены следующие показатели:
1) временные параметры ВСР, отражающие дисперсию кардиоинтервалов: SDQT -стандартное отклонение всех QT-интервалов при нормальном синусовом ритме, квадратный корень дисперсии QT-интервалов. Определяется по формуле (1):
SDQT =
N * >
УУТ.-ОТ
¿-1 Ж- 1 ii avg > ,ц
1=1_ (!)
N
где QTi - значение ьго интервала, QTavg - среднее по QTi всей записи, N - число интервалов;
2) RMSSD - квадратный корень из среднего квадрата разности QT [19]. Квадратный корень из суммы квадратов разности величин последовательных пар QT-интервалов. Определяется по формуле (2):
RMSSD =
N-1 . ^
(2)
«Г-1
3) частотные параметры. Посредством спектрального анализа, основанного на быстром преобразовании Фурье, были получены значения спектральной мощности двух волновых компонентов: с низкой частотой (LF: 0,04-0,15 Гц) и высокой частотой (HF: 0,15-0,4 Гц). Значения LF и HF также вычислялись в нормализованных единицах: nLF и nHF, представляющих собой отношение спектральной мощности каждого из этих компонентов к общей спектральной мощности за вычетом спектральной мощности очень низкочастотных колебаний VLF (ниже 0,04 Гц). Вычислялось отношение мощности низкочастотных колебаний к мощности высокочастотных колебаний (LF/HF) [19];
4) нелинейные параметры. Оценка уровня сложности ВСР проводилась посредством вычисления выборочной энтропии (Sample Entropy - SampEn). Этот показатель отражает непредсказуемость колебаний серии временных рядов QT-интервалов [17]. SampEn вычислялась по формуле (3):
SampErim,r,N) = -In , (3)
Bm(r)
где Bm(r) - вероятность того, что две последовательности из m точек будут совпадать друг с другом, Am(r) - вероятность того, что две последовательности из m+1 точек будут совпадать друг с другом, m - длина отрезков (размерность формируемых векторов) (m=2), r - величина порога фильтрации шумов (r=0,2*SDQT), N - длина анализируемой выборки.
Нами был проведен детрендный флуктуационный анализ (ДФА), являющийся одним из методов количественной оценки фрактальных свойств коротких временных рядов кардиоритма [14].
Процедура ДФА состоит из двух этапов. Вначале серия экспериментально полученных QT-интервалов интегрируется согласно формуле (4):
k _
Y (k) = £ QTiQTav
(4)
i=1
где Y(k) - ^е значение интегрированной серии ^=1, 2,..., ЭД, QT(i) - >е значение QT-интервалов, QTave - среднее значение QT-интервалов серии длиной N.
Затем У(к) делится на N непересекающихся отрезков равной длины п. После этого производится удаление тренда из последовательности У(к) путем вычитания локального тренда Уп(к) в каждом окне. Далее вычисляются значения колебаний, характерные для отрезка размером п, по формуле (5) для получения функции флуктуации:
F (n) =
1 N
■I ^t(k)" Yn(k)! . (5)
N K=1
F(n) указывает на среднюю разницу между двумя интервалами QT, разделенными временным лагом n. Затем флуктуация описывается при помощи коэффициента а, который рассчитывается с помощью линейной регрессии на основе логарифмированных данных. Для оценки динамики ритма сердца рассчитывались коэффициенты а1 и а2.
Статистическая обработка данных проводилась с использованием пакета профессиональной статистики «Statistica 6.0 for Windows» с применением критерия знаков - Z.
Результаты исследований и их обсуждение. Полученные в ходе исследования результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1
Средние значения временных, частотных и нелинейных показателей интервалов QT, полученных в ходе эксперимента
Параметры Свободное дыхание Дыхание 6 раз в минуту Z P
Среднее (мс) 389,349±4,431 382,652±4,297 2, 437 Р<0,01
SDQT (мс) 3,445±0,193 9,094±2,089 3,133 P<0,01
RMSSD (мс) 2,933±0,246 9,679±2,393 4,874 P<0,001
LF (мс2) 0,322±0,059 20,085±9,150 2,785 Р<0,01
HF (мс2) 2,012±0,323 149,409±89,622 5,570 P<0,001
nLF (%) 0,144±0,013 0,098±0,014 2,437 Р<0,01
nHF (%) 0,856±0,013 0,902±0,015 2,437 Р<0,01
LF/HF 0,177±0,019 0,122±0,025 2,298 P<0,05
SampEn 1,527±0,049 1,571±0,089 1,044 P>0,05
a 0,931±0,038 0,667±0,023 5,222 P<0,001
«1 0,815±0,023 0,959±0,023 3,830 P<0,001
a2 1,013±0,048 0,662±0,032 5,222 P<0,001
В ходе эксперимента произошло достоверное (2=2,437; Р<0,01) снижение продолжительности интервала QT. При дыхании с заданной частотой достоверно увеличились статистические показатели временной области интервала QT-QTSDQT (2=3,133; Р< 0,01) и QTRMSSD (2=4,874; Р<0,001).
Дыхание с заданной частотой достоверно изменяет значения частотных параметров (рис. 1). Так, значительно увеличилась спектральная мощность низкочастот-
ных волн (0,04-0,15 Гц) ЬБ (2=2,785; Р<0,01) и высокочастотных волн (0,15-0,4 Гц) ИБ (2=5,570; Р<0,001). Также в ходе исследования произошло достоверное увеличение значения нормализованных единиц спектральной мощности высокочастотных волн пИБ (2=2,437; Р<0,01) и снижение нормализованных единиц спектральной мощности низкочастотных волн пЬБ (2=2,437; Р<0,01). Кроме того, снизился показатель индекса вегетативного баланса - ЬБ/ИБ (2=2,294; Р<0,05).
Рис. 1. Значения частотных параметров при свободном дыхании (слева) и при дыхании с заданной частотой (справа)
Дыхание с заданной частотой вызвало изменения нелинейных показателей вариабельности QT-интервалов (рис. 2). С значительной долей достоверности (2=5,222; Р<0,001) снизился уровень показателей а и а2, в то же время повысилось значение а1 (2=3,83; Р<0,001) детрендного флуктуационного анализа. В ходе эксперимента недостоверно увеличилось значение 8ашрБп (2=1,04; Р>0,05).
Рис. 2. Примеры графиков БЕЛ при свободном дыхании (слева) и при дыхании с заданной частотой (справа)
Дыхание с заданной частотой оказывает существенное влияние на продолжительность и вариабельность интервалов QT. При этом отмечается увеличение как общей вариабельности, так и краткосрочной вариабельности последовательных интервалов QT. Дыхание с заданной частотой сопровождается существенными перестройками спектральных характеристик, которые приводят к уменьшению относительного вклада низкочастотных колебаний и повышению вклада высокочастотных колебаний в общую спектральную мощность. При этом на спектрограмме отмечается выраженный пик, соответствующий дыхательной частоте. Несмотря на существенные изменения вариабельности QT, нами не было выявлено достоверного повышения информационной энтропии в ряду последовательных значений интервала QT. В то же время дыхание с навязанной частотой сопровождается существенным увеличением сложности сигнала в виде интервала QT на коротком отрезке и с тем же выраженным снижением сложности на более длинных отрезках. Продолжительность интервалов QT отражает сумму продолжительности электрических процессов, происходящих в клетках миокарда. Из этого следует, что дыхание с заданной частотой вызывает усиление вариабельности электрических процессов, происходящих в клетках миокарда, что сопровождается усилением укорочения и удлинения интервалов QT.
Известно, что продолжительность интервала QT моделируется активностью вегетативной нервной системы, при этом повышение тонуса симпатического отдела сопровождается увеличением вариабельности интервала QT [8]. Однако наблюдаемый нами феномен нельзя отнести к повышению симпатической активности, поскольку при смещении вегетативного баланса в симпатическую сторону отмечается снижение продолжительности интервала QT, а мы наблюдаем обратное.
Все вышесказанное свидетельствует о том, что дыхание с заданной частотой представляет особое функциональное состояние, для которого характерны выраженные изменения временных паттернов электрической активности кардиомиоцитов.
Резюме. Воздействие дыхания с заданной частотой привело к усилению вариабельности QT-интервалов, что сопровождается значительными изменениями характеристик временных паттернов процессов реполяризации и деполяризации кардиомиоцитов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бочаров, М. И. Биоэлектрические процессы сердца при вызванной системной вазодилатации у мужчин в условиях Севера России / М. И. Бочаров, Б. Ф. Дерновой // Физиология человека. - 2005. - Т. 31. - № 1. - С. 49-58.
2. Зудбинов, Ю. И. Азбука ЭКГ / И. Ю. Зудбинов. - Ростов-н/Д. : Феникс, 2003. - 160 с.
3. Лышова, О. В. Внешнее дыхание и ритм сердца (атлас динамических реопневмограмм и электрокардиограмм) / О. В. Лышова, В. М. Проворотов. - СПб. : ИНКАРТ, 2006. - 271 с.
4. Петрова, Т. С. Реакция центральной нервной системы на невербальное психотерапевтическое воздействие: вегетативное звено регуляции / Т. С. Петрова, И. В. Проничев, Е. Н. Гречишникова // Физиология человека. - 2003. - Т. 29. - № 1. - С. 77-80.
5. Симонова, О. Н. Оценка коронарного резерва по результатам динамической электрокардиографии / О. Н. Симонова, Е. Н. Розе, Е. В. Шляхто // Физиология человека. - 2004. - № 30 (1). - С. 95-98.
6. Соколова, И. В. Роль пейсмекерной активности в механизме формирования электрокардиограммы с позиции теории активной диастолы / И. В. Соколова // Физиология человека. - 2006. - № 32 (5). - С. 65-74.
7. Baumert, M. Multiscale entropy and detrended fluctuation analysis of QT interval and heart rate variability during normal pregnancy / M. Baumert, M. Javorka, A. Seeck, R. Faber, P. Sanders, A. Voss // Computers in biology and medicine. - 2012. - Vol. 42.3. - P. 347-352.
8. Baumert, M. Relation between QT interval variability and cardiac sympathetic activity in hypertension / M. Baumert, M. P. Schlaich, E. Nalivaiko, E. Lambert, C. I. Sari, D. M. Kaye, G. Lambert // American Journal of Physiology: Heart and Circulatory Physiology. - 2011. - Vol. 300(4). - P. H1412-H1417.
9. Davidowski, T. A. The QT interval during reflex cardiovascular adaptation / T. A. Davidowski, S. Wolf // Circulation. -1984. - Vol. 69 (1). - P. 22-25.
10. Haapalahti, P. Effects of cardiovascular autonomic function tests on QT dispersion in the 12-lead electrocardiogram of healthy patients / P. Haapalahti // Journal of electrocardiology. - 2000. - Vol. 33.4. - P. 321-327.
11. Malik, M. Relation between QT and RR intervals is highly individual among healthy subjects: implications for heart rate correction of the QT interval / M. Malik, P. Farbom, V. Batchvarov, K. Hnatkova, A. J. Camm // Heart. - 2002. - Vol. 87 (3). - P. 220-228.
12. Malliani, A. Cardiovascular neural regulation explored in the frequency-domain / A. Malliani, M. Pagani, F. Lombardi // Circulation. - 1991. - Vol. 84. - P. 1482-1492.
13. Pelchovitz, D. J. QT-RR hysteresis is caused by differential autonomic states during exercise and recovery / D. J. Pelchovitz, J. Ng, A. B. Chicos, D. W. Bergner, J. J. Goldberger // American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. - 2012. - Vol. 302(12). - P. H2567.
14. Peng, C. K. Quantification of scaling exponents and crossover phenomena in nonstationary heartbeat time series / C. K. Peng, S. Havlin, H. E. Stanley, A. L. Goldberger // Chaos. - 1995. - Vol. 5. - P. 82-87.
15. Piccirillo, G. QT-interval variability and autonomic control in hypertensive subjects with left ventricular hypertrophy / G. Piccirillo, G. Germano, R. Quaglione, M. Nocco, F. Lintas, M. Lionetti, A. Moise, M. Ragazzo, V. Marigliano, M. Cacciafesta // Clinical Sciense. - 2002. - Vol. 102. - P. 363-371.
16. Randall, D. C. ECG Interpretation / D. C. Randall. - Raleigh, North Carolina: Hayes Barton Press, 2004. - 123 p.
17. Richman, J. S. Physiological time-series analysis using approximate entropy and sample entropy / J. S. Richman, J. R. Moorman // American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. - 2000. -Vol. 278.6. - P. H2039-H2049.
18. Silva, J. R. Voltage-Gated Channels and the Heart / J. R. Silva, Y. Rudy // Molecular Machines. -2011. - P. 273.
19. Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Elec-trophysiology. Heart rate variability: standard of measurement, physiological interpretation and clinical use // Circulation. - 1996. - Vol. 93. - № 5. - P. 1043-1065.
20. Vaschillo, E. Characteristics of resonance in heart rate variability stimulated by biofeedback / E. Vaschil-lo, B. Vaschillo, P. Lehrer // Applied Psychophysiology and Biofeedback. - 2006. - Vol. 31. - P. 129-142.
21. Yeragani, V. K. Effect of posture and isoproterenol on beat-to-beat heart rate and QT variability / V. K. Yeragani, R. Pohl, V. C. Jampala, R. Balon, J. Kay, G. Igel // Neuropsychobiology. - 2000. - Vol. 41 (3). -P. 113-123.
