Способ пьезопульсометрической оценки характера автономной регуляции сердечно-сосудистой системы у человека
Владельцы патента RU 2712045:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ФИЗИОЛОГИИ И БИОХИМИИ ИМ. И.М. СЕЧЕНОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИЭФБ РАН) (RU)
Изобретение относится к медицине, а именно к способам пьезопульсометрической оценки характера автономной регуляции мышечных эффекторов сердечно-сосудистой системы у человека. При этом используют пьезодатчик и преобразователь для осуществления интерфейса между датчиком и персональным компьютером. Для оценки вариабельности величины пульсового артериального давления крови используют разброс по ординате абсолютного положительного экстремума пульсовой волны артериального давления крови на дифференциальной сфигмограмме. Для оценки вариабельности сердечного ритма по длительности кардиоцикла используют разброс по абсциссе этого же абсолютного положительного экстремума пульсовой волны артериального давления крови на дифференциальной сфигмограмме. Обеспечивается пьезопульсометрическая оценка характера автономной регуляции мышечных эффекторов сердечно-сосудистой системы у человека при развитии различных патологий и в процессе естественного старения его организма. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники
Изобретение относится к кардиологии и нейрофизиологии человека, и может быть использовано для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний в клинике, в частности для проведения профилактического медицинского обследования различных групп населения, с целью оценки тенденций развития функциональных доклинических изменений в сердечно-сосудистой системе.
Предшествующий уровень техники
Разработка и совершенствование методологии и технических средств ранней диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека является чрезвычайно актуальной задачей в современных условиях, поскольку эта система наиболее уязвима по отношению к физическим и эмоциональным, в т.ч. стрессовым, нагрузкам часть организма и именно сердечно-сосудистая патология в структуре заболеваемости, инвалидизации и смертности занимает устойчивое первое место в развитых странах мира, в том числе и в России. Важнейшую роль в регуляции мышечных эффекторных структур сердечнососудистой системы и в адаптации их функций к меняющимся условиям внешней и внутренней среды играют вегетативная нервная и гуморальная эндокринная системы.
Известно, что до настоящего времени неинвазивные способы оценки характера вегетативной (автономной) регуляции сердечно-сосудистой системы ограничивались вариационно-статистическим и спектральным анализом кардиоинтервалограмм [1-3], выполняемым с помощью методов электрокардиографии, например, такие системы, как "Инкарт" («Инкарт» - Стационарный компьютерный кардиограф высокого разрешения «Кардиотехника-экг-8» (электронное депонирование - источник информации: https://www.incart.ru/production/kt-ekg-8/), "Holter for windows" (холтеровская система, производитель: ООО «Крафт медицинские системы»), и другие. Однако, метод электрокардиографии, несмотря на его высокую информативность при изучении динамики электрического возбуждения сердца и широкую применяемость при проведении спектрального анализа вариабельности сердечного ритма, не может оценивать гемодинамику, сократительную способность миокарда и состояние сосудистого тонуса. Поэтому в последние годы активно разрабатывались системы, в которых использовались и другие способы неинвазивного изучения состояния сердечно-сосудистой системы.
Одним из перспективных направлений является разработка пульсометрических методов. Были созданы специализированные системы диагностики сердечно-сосудистой системы, в основе которых лежит регистрация амплитудно-временных параметров пульсовых волн артериального давления крови в виде электрических сигналов, возникающих в результате преобразования специальными датчиками механических сигналов от стенок артерий, перемещающихся под воздействием пульсовых волн артериального давления - сфигмография (СФГ), или от изменяющихся объемов тканей, вызванных воздействием пульсирующего притока крови - плетизмография. Для этого на основе разных датчиков были созданы такие системы, как "Finapres" (Finapres Medical Systems | Finometer PRO, электронное депонирование, источник информции: http://www.finapres.com/Products/Finometer-PRO), "Portapres" (Finapres Medical Systems | Portapres - электронное депонирование, источник информции: http://www.finapres.com/Products/Portapres), "SphygmoCor Рх" (SphygmoCor® Рх - электронное депонирование источника информации: https://www.yumpu.com/en/document/view/29016937/sphygmocor-px-atcor-medical) и другие, во многом объединяющие плетизмографию со сфигмографией, а сам метод получил название объемной сфигмографии (ОСФГ) [4-6]. Недостатком этого метода является то, что регистрируемый при этом сигнал отражает пульсовые изменения и артериального, и капиллярного, и венозного кровенаполнения тканей, по разному изменяющих объем ткани под датчиком. Это приводит к демпфированию сигнала, сглаживанию контура графика кардиоцикла и к потере ряда существенных деталей на регистрируемой кривой. Дифференцирование такой пульсограммы облегчает процедуру временного анализа графика по «кодирующим» точкам, но не повышает точность и информативность обследования.
Известно изобретение, по своим техническим характеристикам взятое за первый прототип, - патент РФ с названием «Способ пульсометрической оценки функционального состояния и характера вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы человека» (RU 2268639 от 14.04.2004 г.; авторы: Нестеров В.П., Бурдыгин А.И. и Нестеров С.В.). Из описания патента известно, что используются высокочувствительные и малогабаритные звуковые преобразователи с широкой полосой рабочих частот и высокой собственной резонансной частотой (более 2600 Гц) в качестве датчиков для преобразования механических воздействий на них непосредственно в электрический сигнал, который может быть зарегистрирован графически в виде кривой скорости изменения силы воздействия, что приводит к возможности проведения анализа больших массивов пульсометрической информации, через непрерывный мониторинг изменений амплитудно-временных параметров пульсограммы, и получение расчетных данных практически в реальном масштабе времени.
Недостатком заявленного способа является то, что в описании этого патента подробно излагался способ неинвазивного определения функционального состояния миокарда у человека и лишь кратко констатировалась принципиальная возможность использования этого метода для оценки других важных показателей, характеризующих свойства и особенности регуляции структур сердечно-сосудистой системы.
Известно также еще одно изобретение, которое по своим техническим характеристикам взято за второй прототип, где разработан двухканальный метод артериальной пьезопульсометрии (АПП-2) с названием «Способ определения скорости распространения пульсовой волны артериального давления крови и устройство для его осуществления» (RU 2511453 от 09.07.2012 г. [7]). В АПП-2 были применены два синхронно функционирующих пьезодатчика и специально сконструированный преобразователь, осуществляющий интерфейс между датчиками и персональным компьютером [7]).
Задачей заявляемого технического решения являлась инновационная разработка способа пьезопульсометрической оценки характера автономной регуляции мышечных эффекторов сердечно-сосудистой системы у человека при развитии различных патологий и в процессе естественного старения его организма, которая решается за счет новых технологических усовершенствований в виде алгоритмов обследования параметров пульсовых волн артериального давления крови.
Раскрытие сущности технического решения
Технический результат вышеприведенной задачи достигается за счет разработки способа пьезопульсометрической оценки характера автономной регуляции мышечных эффекторов сердечно-сосудистой системы у человека, включающий в себя использование по меньшей мере одного пьезодатчика, преобразователь, осуществляющий интерфейс между датчиком и персональным компьютером, и отличающийся тем, что
для оценки вариабельности величины пульсового артериального давления крови используется разброс по ординате абсолютного положительного экстремума пульсовой волны артериального давления крови на дифференциальной сфигмограмме,
а для оценки вариабельности сердечного ритма (по длительности кардиоцикла) используется разброс по абсциссе абсолютного положительного экстремума пульсовой волны артериального давления крови на дифференциальной сфигмограмме. Указанные признаки технического решения обеспечивают получение новых технологических усовершенствований в виде алгоритма обследования параметров пульсовых волн артериального давления крови.
Возможен вариант технического решения, где используют абсолютный положительный экстремум дифференциальной сфигмограммы, на который никогда не накладывается волна артериального давления крови, отраженная от периферического сосудистого сопротивления, что увеличивает точность оценки вариабельных параметров пульсовых волн артериального давления крови.
Возможен вариант технического решения, где синхронно используют два пьезодатчика и положительные экстремумы на соответствующих дифференциальных сфигмограммах с проведением одновременного спектрального анализа вариабельности и величины пульсового артериального давления крови, и сердечного ритма (по длительности кардиоциклов) в двух разных артериях. Указанные признаки технического решения обеспечивают сравнительную оценку степени участия симпатической и парасимпатической систем в автономной регуляции кардиогемодинамики, а также в поддержании миогенного тонуса стенок этих артерий.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1. Представлен пример реализации технического решения - артериальная пьезопульсограмма (I) усредненного кардиоцикла, зарегистрированная с лучевой артерии мужчины 72 лет и, для сравнения, - соответствующая обычная сфигмограмма (II), зарегистрированная с помощью комплекса "SphygmoCor Рх";
На фиг. 2. Представлен пример реализации технического решения, где А - график усредненного кардиоцикла с расчетными точками, построенный на основе пьезопульсограммы, зарегистрированной с a. carotis пожилого (83 г.) мужчины, где по оси ординаты Y отложены значения VPP - скорости изменения пульсового артериального давления крови, а по оси абсциссы X - время t (s). Б - объединенный (вспомогательный) график пульсовой волны АД этого же мужчины, полученный путем наложения графиков всех отдельных кардиоциклов этой пьезопульсограммы и их выравнивания по абсциссе экстремальной точки «В» для компьютерного построения и анализа графика - «А». Вариабельность величины VmaxPP отражается в вертикальном разбросе точек «В» на графике «Б».
На таблице 1: показана возрастная зависимость показателей кардиогемодинамики и спектральной мощности колебаний параметров VmaxPP и TNN пульсовых волн АД крови в диапазоне 0,003 - 0,4 Гц,
где n - число обследованных лиц данного возрастного этапа (общее число = 116), m - число сеансов обследования на данном этапе (общее число = 167); HF, LF, VLF и ULF - спектральная мощность колебаний параметров пульсовых волн АД в соответствующих частотных диапазонах (см. описание); размерность показателей: для параметра VmaxPP - [(mm Hg/s)2] и для параметра TNN - [ms2].
Осуществление изобретения
Разработанный способ осуществляется следующим образом. По меньшей мере один пьезодатчик накладывается и закрепляется на пульсирующих участках тела над близко прилегающими центральными эластическими или периферическими мышечно-эластическими артериями. Локальные механические толчки преобразовываются этим пьезодатчиком непосредственно в электрические сигналы, которые непрерывно регистрируются и визуализируются графически на экране монитора персонального компьютера в виде волнообразной кривой. Дифференциальный график пьезопульсограммы отражает скорость изменения пульсового артериального давления крови на разных этапах сердечного цикла в течение всего периода обследования и представляет каждый кардиоцикл в виде волнообразного контура с характерными перегибами. Это позволяет с помощью специально разработанного ранее компьютерного алгоритма выделять на графике расчетные точки (нулевые, экстремальные и точки перегиба) и с высокой точностью оценивать их амплитудно-временные параметры (см. фиг. 1 и 2). На фиг. 1 представлены два графика волны пульсового артериального давления одного кардиоцикла, построенные в виде артериальной пьезопульсограммы - I, где по оси ординаты Y отложена скорость изменения пульсового артериального давления (ПАД) крови - VPP=dPP/dt [mm Hg/s] (ПАД=РР=САД-ДАД, где РР - англ. pulse pressure, САД - систолическое артериальное давление крови и ДАД - диастолическое АД крови), а по оси абсциссы X - время - t [s], и, для сравнения, на этой же фиг. 1 представлена сфигмограмма в виде графика - II, построенного традиционным способом (ОСФГ), где по оси ординаты Y отложены значения РР [mm Hg], а по оси абсциссы X - время t [s]. Видны явные преимущества метода артериальной пьезопульсометрии для выполнения более точной экспресс-диагностики функционального состояния мышечных эффекторов сердечно-сосудистой системы у обследуемых. На фиг. 2 представлены два вида дифференциальных графиков пульсовых волн артериального давления крови, объединяющих все зарегистрированные кардиоциклы одной пьезопульсограммы: А - график усредненного кардиоцикла с расчетными точками, где по оси ординаты Y отложена скорость изменения пульсового артериального давления - VPP, а по оси абсциссы X - время - t, и Б - набор вспомогательных графиков волн пульсового артериального давления всех зарегистрированных отдельных кардиоциклов этой же пьезопульсограммы, полученный путем их наложения и выравнивания по абсциссе экстремальной точки «В» для компьютерного построения и анализа графика «А». Использование точки «В» -абсолютного положительного экстремума, наибольшего по амплитуде и четко выделяемого на дифференциальном графике волны пульсового артериального давления крови, является отличительной особенностью нашей разработки. На эту точку, как это можно видеть на фиг. 1(I) и 2(A), никогда не накладывается отраженная от периферического сосудистого сопротивления пульсовая волна (ОПВ) и, следовательно, ОПВ не оказывает влияния на параметр «В», что существенно повышает точность оценки исследуемых показателей, по сравнению с большинством пульсометрических методов, использующих плетизмографические датчики и иные алгоритмы анализа, как на фиг. 1 (кривая II).
На фиг. 1 и 2 можно видеть, что абсцисса точки «В» точно фиксирует момент достижения максимальной скорости прироста пульсового артериального давления во время систолы, а ее ордината определяет величину максимальной скорости прироста пульсового артериального давления в этот момент - VmaxPP. Эту величину использовали в качестве меры при неинвазивной количественной сравнительной оценке сократительной способности миокарда левого желудочка сердца у людей, отличающихся по состоянию своего здоровья и возрасту. Применение величины максимальной скорости развития силы при одиночном сокращении препаратов фазных мышц животных в опытах in vitro является признанным способом оценки сократительной способности мышц [8]. Нормированная по времени (t) относительная величина параметра VmaxPP [mmHg/s], отражая сократимость или, другими словами, - инотропное состояние миокарда левого желудочка сердца, в условиях стандартной процедуры обследования была использована и для оценки эффективности выполнения миокардом левого желудочка сердца инотропной, т.е. силовой, направленной на выброс ударного объема крови в аорту, функции миокарда в целом. Анализ графиков пульсовых волн артериального давления крови, отражающих в основном фазные сокращения миокарда левого желудочка сердца, циклично выбрасывающего ударный объем крови в аорту, подтвердил правомочность применения методического приема, использующего точку «В». Далее осуществляют автоматическую расстановку точек на графике каждой распознанной пульсации с учетом их положения на усредненном графике. Момент регистрации точки «В» на графиках каждого кардиоцикла с помощью разработанного программного обеспечения уверенно оценивается с точностью ±1 дискрет, что составляет ±1 мс при частоте дискретизации сигнала равной 1 кГц.
Разработанный метод артериальной пьезопульсометрии позволил использовать вариабельность точки «В» для определения и частотно-, и амплитудно-временных параметров, характеризующих функциональную активность периферических механизмов автономной регуляции мышечных эффекторов сердечно-сосудистой системы. На фиг. 2 (график «Б») можно видеть вертикальный разброс точек «В», наглядно отражающий вариабельность параметра VmaxPP. Как показала проверка, чувствительность определения амплитудно-временных параметров данным способом с помощью точки «В» составляет менее 1 mm Hg/s. При оценке вариабельности сердечного ритма через колебания длительности отдельных кардиоинтервалов пьезопульсограммы (параметра TNN - нашего аналога интервала RR комплекса QRS ЭКГ), их графики также накладываются, но выравниваются по ординате точки «В», что отражается в горизонтальном разбросе этих точек. Проводится одновременно спектральный анализ вариабельности этих параметров с целью оценки особенностей автономной регуляции и сердечного ритма (по TNN), и инотропной функции миокарда ЛЖС (по VmaxPP) в двух разных артериях - эластической центральной (a.carotis или aorta) и мышечно-эластической периферической (a. radialis). Это позволяет по различиям величин измеренных показателей VmaxPP количественно оценивать степень участия симпатической и парасимпатической систем в автономной регуляции величины пульсового артериального давления, а также миогенного тонуса стенок в этих артериях. Величины спектральной мощности {power spectral density (PSD)} вариабельности параметров TNN и VmaxPP пульсовых волн артериального давления, как функции частоты их колебаний, определяли по частотным диапазонам, рекомендованным Международными стандартами для оценки вариабельности сердечного ритма по TNN [1,2]. Анализировали 4 частотных диапазона: высокочастотный (HF; 0.15-0.4 Гц), низкочастотный (LF; 0.04-0.15 Гц), очень низкочастотный (VLF; 0.015-0.04 Гц), а также ультранизкочастотный (ULF), ограниченный частотами 0,003-0,015 Гц с периодами колебаний приблизительно от 1 до 6 мин. При этом исходили из собственных, а также ранее установленных данных литературы [4], свидетельствующих о сходстве волновой структуры колебаний сердечного ритма и пульсового артериального давления. В данной работе в соответствии с данными мировых литературных источников большее внимание уделено диапазонам HF и LF, которые в краткосрочных периодах обследования (short-term regulation of the cardiovascular system) лучше изучены и вместе составляют основную (при расчетах их сумму принимают за 100%) волновую спектральную мощность колебаний параметров пульсовых волн артериального давления крови, вызванную регуляторным воздействием вегетативной (автономной) нервной системы (ВНС) на сердечно-сосудистую систему. Исследовали относительную величину - индекс симпатовагального баланса - SVIx=[LF]n/[HF]n, где [LF] n и [HF] n - нормализованные спектральные мощности. Нормализация, т.е. исключение непериодических эктопических и случайных волновых колебаний артериального давления на графиках, выполнялась путем выбора фрагментов пульсограмм для анализа с минимумом видимых нарушений нормальной (т.е. «beat-to-beat») последовательности пульсовых волн, характерных для пожилых и больных людей. С этой же целью использовали метод математического преобразования по Lomb-Scargle (Lomb-Scargle periodogram, LSP) [9]. Этот метод позволил более точно, по сравнению с распространенным методом Фурье (Fast Fourier transform), судить об относительной вовлеченности симпатического и парасимпатического отделов ВНС в процесс автономной регуляции сердечно-сосудистой системы.
Способ иллюстрируется чертежами (фиг. 1 и фиг. 2) и цифровыми результатами, представленными в таблице 1 в виде средних величин ± стандартная ошибка среднего. В таблице в качестве наглядного примера практического использования результатов разработки нового способа пьезопульсометрической оценки характера автономной регуляции сердечно-сосудистой системы у человека, приводятся данные, выявляющие формирование у пожилых людей эндогенного кардиопротекторного функционального механизма путем перестройки паттерна симпатоадреналовой автономной регуляции мышечных эффекторов сердечно-сосудистой системы в сторону усиления относительного влияния гуморальных катехоламинов, главным образом адреналина (Аг) и норадреналина (НАг), порциями выделяющихся в кровь из хромаффинных клеток мозгового вещества надпочечников. Видно, что в процессе онтогенеза по мере увеличения возраста обследованных лиц снижается активность симпатических периферических эфферентов вегетативной нервной системы в частотном диапазоне LF, увеличивается активность парасимпатических эфферентов в диапазоне HF и возрастает регуляторная активность гуморальных катехоламинов (колебания в частотном диапазоне ULF). Гуморальные катехоламины сердечно-сосудистой системы, как и НАн - нейромедиатор симпатического отдела вегетативной нервной системы, входят в состав единой симпатоадреналовой системы и при всех условиях реализуют свое регуляторное действие на мышечные эффекторы сердечно-сосудистой системы через те же адренорецепторы на поверхности клеток-мишеней, которые используются и симпатическими эфферентами вегетативной нервной системы, но действуют значительно эффективнее последних. Полученные результаты свидетельствуют о том, что гуморальные катехоламины могут играть важную роль в обеспечении работоспособности сердца пожилых людей в условиях естественного возрастного нарастания у них кислородной недостаточности, а также для эндогенной кардиопротекции - снижения вероятности возникновения тахиаритмий, стенокардии и других патологических состояний сердца, при воздействии психоэмоциональных и физических стрессовых факторов.
Источники информации
[1]. Heart rate variability. Standards of measurements, physiological interpretation, and clinical use // Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology // Circulation. - 1996. - Vol. 93. - P. 1043.
[2] P.M. Баевский, Г.Г. Иванов, Л.В. Чирейкин и др. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем - Москва. 2002. 50 с.
[3]. Котельников С.А., Ноздрачев А.Д., Одинак М.М. и др. Вариабельность ритма сердца: представления о механизмах // Физиология человека. 2002. Т. 28. №1, С. 130-143.
[4] Taylor J.A., Eckberg D.L. Fundamental relations between short-term RR interval and arterial pressure oscillations in humans // Circulation. 1996. V. 93. P. 1527.
[5] Wojciechowska W, Staessen JA, Nawrot T, Cwynar M, , Stolarz K, Gasowski J, 
, Richart T, Thijs L, Grodzicki T, Kawecka-Jaszcz K, 
Reference values in white Europeans for the arterial pulse wave recorded by means of the SphygmoCor device. // Hypertens Res. 2006. 29(7):475-83.
[6] Laitinen Tomi., Hartikainen Juha, Niskanen Leo, Ghislaine Geelen, Lansimies Esko. Sympathovagal balance is major determinant of short-term blood pressure variability in healthy subjects // Am. J. Physiol. (Heart Circ. Physiol. 45): 1999.- H1245-H1252.
[7] Нестеров В.П., Бурдыгин А.И., Конради А.О., Нестеров С. В. Способ определения скорости распространения пульсовой волны артериального давления крови и устройство для его осуществления // Бюллетень «Изобретения. Полезные модели». 2014. №10, С. 1-13. УДК 347.77.
[8] Nesterov V.P. The significance of Na+ in E.-C. Coupling in muscle //Adv. Exp. Med. Biol. 1992. V. 311. P. 19-29.
[9] Skotte J.H., Kristiansen J. Heart rate variability analysis using robust period detection // BioMedical Engineering, OnLine. 2014. V. 13. P. 138.
[10] Ferrara Nicola, Klara Komici, Graziamaria Corbi, et al. β-adrenergic receptor responsiveness in aging heart and clinical implications // Front Physiol. 2014. V. 4. P. 1-10.
1. Способ пьезопульсометрической оценки характера автономной регуляции мышечных эффекторов сердечно-сосудистой системы у человека, использующий по меньшей мере один пьезодатчик, преобразователь, осуществляющий интерфейс между датчиком и персональным компьютером, и отличающийся тем, что для оценки вариабельности величины пульсового артериального давления крови используется разброс по ординате абсолютного положительного экстремума пульсовой волны артериального давления крови на дифференциальной сфигмограмме, а для оценки вариабельности сердечного ритма (по длительности кардиоцикла) используется разброс по абсциссе этого же абсолютного положительного экстремума пульсовой волны артериального давления крови на дифференциальной сфигмограмме.
2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что используют абсолютный положительный экстремум дифференциальной сфигмограммы, на который никогда не накладывается волна артериального давления, отраженная от периферического сосудистого сопротивления, что увеличивает точность оценки вариабельных параметров пульсовых волн артериального давления крови.
3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что синхронно используются два пьезодатчика и единый положительный экстремум на соответствующих дифференциальных сфигмограммах с проведением одновременного спектрального анализа вариабельности и величины пульсового артериального давления крови, и сердечного ритма (по длительности кардиоциклов) в двух разных артериях.
