Спектральный анализ сердечного ритма. Техника спектрального анализа

Обновлено: 13.05.2024

Анализ вариабельности сердечного ритма вызывает большой интерес у исследователей и практических врачей. Возросшее внимание к этой довольно старой методике [1, 2, 3] связано как с появлением новых точек приложения метода - оценки прогностического значения снижения общей вариабельности ритма (например, после перенесенного инфаркта миокарда, в диагностике диабетической полинейропатии), оценки парасимпатических влияний и вагосимпатического баланса, так и с возможностью применения методик анализа вариабельности при холтеровском мониторировании [4].

Анализ последовательности RR-интервалов на базе суточного мониторирования ЭКГ позволяет получить много дополнительной информации, в частности о циркадной динамике, связи с жизнедеятельностью пациента (покой, физическая активность, умственное напряжение, прием пищи, сон) [5, 6]. С другой стороны, именно эти особенности, связанные с двигательной активностью обследуемого, невозможностью стандартизации условий обуславливают трудности при интерпретации результатов.

Клиницисту для использования методики необходимы представления о диапазонах нормальных колебаний. В зарубежной литературе имеется ряд работ, посвященных обследованию здоровых лиц и выработке нормативов [7, 8, 9, 10], однако в связи с выраженной зависимостью от возраста, большими межиндивидуальными колебаниями необходимы большие выборки. В отечественной литературе вопрос освещен менее подробно [11]. Как уже говорилось выше, особенность холтеровского мониторирования состоит в возможности получения не только общих, но и циркадных характеристик. В то же время работ, посвященных суточной динамике показателей вариабельности ритма сердца, и особенно во взаимосвязи с ЧСС и АД практически нет.

Целью настоящего исследования явилось оценить показатели вариабельности ритма сердца и циркадную динамику у здоровых обследуемых и сформулировать пределы их нормальных колебаний.

Материалы и методы

Обследовано 37 человек (32 мужчины и 5 женщин) в возрасте от 15 до 60 лет - сотрудники и студенты. Для участия в исследовании отбирались лица без сердечно-сосудистой патологии и любых других хронических заболеваний в анамнезе, не предъявляющие жалоб, не принимающие медикаментов, влияющих на функцию сердечно-сосудистой системы и вегетативный статус. Необходимыми условиями для включения в исследование были отсутствие патологических находок при физикальном исследовании и регистрации стандартной 12-канальной ЭКГ в покое, нормальное АД (не превышающее 140/90). Обследуемые были разделены на три возрастные группы: к молодой (15-29 лет) отнесены 16 человек, к средней (30-45 лет) - 14 человек, старшей (46-60 лет) - 7 человек.

Суточное мониторирование ЭКГ и АД проводилось с использованием кардиомониторов “Кардиотехника 4000 АД” “Инкарт” Санкт-Петербург. Обследуемые придерживались привычного режима дня, отмечая основные моменты в дневнике наблюдения. Необходимое для всех выполнение в ходе мониторирования нагрузочных (лестничных) проб по методике, описанной нами ранее [12, 13] представляло попытку создания условий сходной двигательной активности обследуемых. Длительность мониторирования составляла 24 часа, за период “ночи” принималось время ночного сна.

Запись и обработка сигнала осуществлялась в соответствии с требованиями к коммерческому оснащению и оборудованию для анализа вариабельности ритма сердца [4]. Последовательность RR-интервалов подвергалась автоматическому анализу на предмет наличия аритмий и артефактных участков, которые затем исключались из рассмотрения. Расчет вариабельности сердечного ритма производился на базе последовательности RR синусового происхождения по всей записи в последовательно взятых окнах длительностью 300 секунд с вычислением стандартных временных и спектральных характеристик. Из показателей анализа во временной области рассчитывались SDNN (мс)-среднеквадратичное отклонение интервалов RR, SDNN index (мс)- среднее 5-минутных стандартных отклонений по всей записи, SDANN(мс)-среднеквадратичное отклонение, вычисленное на базе интервалов RR, усредненных за каждые 5 минут записи, RMSSD (мс)- среднеквадратичное отклонение межинтервальных различий, pNN50 - доля смежных RR интервалов, межинтервальные различия между которыми превосходят 50 мсек. Спектральный анализ осуществлялся при помощи быстрого преобразования Фурье с расчетом спектральной плотности мощности (мс2) по следующим частотным диапазонам: очень низких частот (VLF) -0,0033-0,04 Гц, низких частот (LF) - 0,04-0,15 Гц , высоких частот (HF) - 0,15-0,4 Гц, а также общей мощности спектра (мс2). Вычислялись также значения мощности низкочастотного и высокочастотного компонентов спектра, выраженные в нормализованных единицах (LFnu, HFnu) и отражающие относительный вклад каждого из компонентов в общую мощность. Результаты обрабатывались с применением параметрических и непараметрических методов математической статистики с использованием стандартных пакетов программного обеспечения «Matlab», «Excel».

Результаты и обсуждение

Результаты временного и спектрального анализа вариабельности ритма сердца представлены в табл. 1, 2. Как видно из таблиц, все значения спектральных компонентов мощности, выраженные в абсолютных единицах, имели четкую обратную зависимость от возраста. Так, величина мощности низкочастотного компонента в младшей возрастной группе была в 3 раза выше, чем в старшей, а мощность высокочастотного компонента спектра в младшей возрастной группе в 4 раза превышала значения, определенные в старшей возрастной группе. Это согласуется и с литературными данными [7, 8, 9]. В исследовании Bigger [7] c увеличением возраста на каждые 10 лет мощность колебаний спектра в диапазонах VLF, LF, HF снижалась соответственно на 12%, 22% и 10%.

Таблица 1. Временные характеристики вариабельности сердечного ритма у здоровых обследуемых различных возрастных групп.

Таблица 2. Спектральные характеристики вариабельности сердечного ритма у здоровых обследуемых различных возрастных групп.

В работах D.Ziegler [9], K.Jensen-Urstad [8] также была продемонстрирована обратная корреляция с возрастом для VLF, LF, HF. При этом по данным [8] показатель LF/HF практически не изменялся. В работе [9], напротив, отмечают некоторое увеличение LF/HF и LFnu с возрастом, что находится в соответствии с данными нашего исследования, продемонстрировавшего возрастание LFnu и снижение HFnu. С возрастом активность парасимпатических модуляций снижается в большей степени, нежели симпатических, что и обуславливает изменение нормализованных показателей мощности, однако нормализованные показатели меняются значительно меньше, чем абсолютные, что связано с общей гомеостатической тенденцией поддержания вагосимпатического баланса.

Из временных показателей, четкая обратная зависимость от возраста получена нами для SDNNindex, SDANN, pNN50, RMSSD. Это согласуется и с литературными данными: [8, 9], показавшим негативные корреляции с возрастом для SDNN index, RMSSD, PNN50. В работе [14] не было отмечено снижения RMSSD с возрастом, что было удивительно и для самих авторов, поскольку RMSSD ассоциируется с “быстрыми” изменениями RR, высоко коррелирует с мощностью высокочастотного компонента [15] и считается маркером парасимпатической активности, которая с возрастом уменьшается. Поскольку данное исследование [14] не было проспективным, авторы допускают, что лица со сниженным значением RMSSD могли умереть или быть исключенным из исследования в связи с наличием сердечно-сосудистой патологии.

По впечатлениям от нашего исследования следует также отметить значительные межиндивидуальные различия значений показателей вариабельности сердечного ритма, что приводит к большим разбросам даже в пределах отдельных возрастных групп. Эту особенность отмечали и другие исследователи [7, 8]. Поэтому наши данные скорее можно считать некими ориентирами, а в перспективе необходимы более детальные исследования с большим количеством наблюдений и выделением более узких возрастных и половых диапазонов. Вероятно, оправданно было бы получение отдельных нормативов для групп нетренированных и тренированных здоровых обследуемых, поскольку в нашем исследовании значения показателей вариабельности у них отличаются очень значительно, для некоторых параметров - в 2,5-3 раза.

Результаты временных и спектральных показателей вариабельности сердечного ритма по периодам день/ночь представлены в табл. 1, 2. Хотя при анализе индивидуальных 24-часовых записей для некоторых показателей определяется четкая циркадная динамика, при усреднении данных для группы в связи с большими межиндивидуальными различиями диапазоны значений для дня и ночи в значительной степени перекрываются. Так при представлении данных в виде среднее ± 2 сигмы, например, мощность высокочастотных колебаний в группе молодого возраста днем будет находиться в пределах от 0 до 311 мс2, а ночью -от 0 до 1012 мс2. Понятно, что в таких условиях сформулировать представление о нормальных пределах циркадной динамики этих величин невозможно. Поэтому нами был осуществлен расчет циркадных индексов показателей вариабельности, результаты которого представлены в табл. 3. Из таблицы видно, что некоторые величины, как то общая мощность спектра, эквивалентный ей по физиологическому смыслу SDNN index, а также спектральная плотность мощности колебаний в диапазонах VLF, LF не изменялись сколь-нибудь значимо от дня к ночи. В то же время мощность в диапазоне высоких частот, статистические показатели pNN50, RMSSD имели выраженную циркадную динамику.

Таблица 3. Циркадные индексы (cоотношение день/ночь) временных и спектральных показателей вариабельности сердечного ритма у здоровых обследуемых различных возрастных групп.

Спектральный анализ сердечного ритма. Техника спектрального анализа

Небольшие случайные колебания длительности сердечного цикла (называемые также аритмия, ВРС- вариабельность ритма сердца, HRV- heart rate variability) в норме наблюдаются как у человека, так и у животных. Эти колебания вызваны сложным взаимодействием гемодинамических, электрофизиологических и химических процессов, происходящих в организме. В норме амплитуда колебаний составляет 5 ¸ 10% от длительности кардиоцикла и зависит от времени суток и состояния пациента. В настоящее время установлено, что анализ ВРС позволяет провести раннюю диагностику патологического состояния плода, обнаружить вегетативную невропатию у больных диабетом, оценить риск летального исхода инфаркта миокарда и т.д. Уменьшение степени ВРС у здорового человека рассматривают как признак напряженного состояния регуляторных процессов (стресса).

Ритм сердца определяется свойством специализированных клеток проводящей системы сердца спонтанно активироваться, так называемым свойством сердечного автоматизма. Регуляция сердечного ритма осуществляется вегетативной нервной системой, центральной нервной системой и рядом гуморальных и рефлекторных воздействий.

Ритмические сокращения сердца возникают под действием импульсов, зарождающихся в нем самом. Это свойство называется автоматизмом. В нормальных условиях процессы спонтанной диастолической деполяризации, определяющие свойства автоматизма, наиболее быстро протекают в синусовом узле, который и задает ритм сердца. Обычная частота синусового импульсообразования - 60…100 импульсов в минуту, однако она может изменяться под влиянием медиаторов вегетативной нервной системы.

В ритмической деятельности синусового узла выделяют синусовую тахикардию, брадикардию, нормокардию и аритмию. При синусовой тахикардии частота сердечных сокращений (ЧСС) превышает 90 ударов в минуту у взрослых и 160 ударов в минуту у детей. Причинами синусовой тахикардии может быть физическое или эмоциональное напряжение, воздействие медикаментозных препаратов и т.д. Синусовая брадикардия с частотой ритма менее 60 ударов в минуту может возникнуть в ответ на психогенные воздействия вследствие страха или боли. Синусовая брадикардия развивается также во время сна, у тренированных спортсменов, у лиц физического труда, при патологиях мозга, инфекционных заболеваниях и др. Синусовая аритмия устанавливается при различии между самым коротким и самым длинным интервалами сердечных сокращений в 0,15-0,16 секунд. Выделяют циклическую синусовую аритмию, связанную с актом дыхания, и синусовую недыхательную, нециклическую аритмию, которая может быть вызвана сердечной патологией, повышением внутричерепного давления, плевроперикардиальными спайками, гликозидами.

Первым уровнем системы регуляции работы сердца является механизм внутрисердечного регулирования. Он связан с особыми свойствами самого миокарда и действует даже в условиях изолированного сердца по закону Франка-Старлинга: изолированное сердце при постоянной частоте сокращений может самостоятельно приспосабливать свою деятельность к возрастающей нагрузке, отвечая на нее увеличенным выбросом. Этот механизм включается при перемене положения тела, сопровождающейся изменением венозного возврата крови, остром увеличении объема циркулирующей крови (при переливаниях крови) и повышении периферического сопротивления.

Экстракардиальные уровни регуляции работы обеспечиваются вегетативной и эндокринной системами. По скорости развития адаптивных процессов и их продолжительности механизмы регуляции сердечно-сосудистой системы делят на:

механизмы кратковременного действия (барорефлексы, хеморефлексы, действие гормонов: адреналина, норадреналина, вазопрессина),
механизмы промежуточного (по времени) действия (изменения транскапиллярного обмена, релаксация напряжения сосудов, ренин-ангиотензиновая система),
механизмы длительного действия (регуляция внутрисосудистого объема крови и емкости сосудов).

Так как сердце обладает собственным автоматизмом, то влияние вегетативной нервной системы (ВНС) на ритм сердца является модулирующим, а не управляющим. Сердце иннервируется как симпатическими, так и парасимпатическими отделами ВНС. Симпатические воздействия обычно приводят к повышению ритма сердца, парасимпатические - к его понижению. Более подробно вопросы иннервации сердца изложены в [1].

Афферентная (чувствительная, центростремительная) иннервация сердца осуществляется в основном миелинизированными волокнами, идущими в составе блуждающего нерва. Эти волокна начинаются в предсердиях и желудочках чувствительными окончаниями, реагирующими на активное напряжение ( a -рецепторы) или пассивное растяжение ( b -рецепторы). a -рецепторы возбуждаются при сокращении предсердий, а b -рецепторы в конце систолы желудочков. Возбуждение b -рецепторов предсердий приводит к торможению симпатического и активации парасимпатического отделов продолговатого мозга. Сигналы от a -рецепторов, наоборот, ведут к повышению симпатического тонуса.

Другим типом афферентных систем, активно участвующих в регуляции ритма сердца, являются баро- и хеморецепторы. Барорецепторы расположены в стенках крупных внутригрудных и шейных артерий (область дуги аорты и каротидного синуса), а хеморецепторы - в аортальных (дуга аорты) и синокаротидных (разветвление общей сонной артерии) тельцах. Реакция на раздражение барорецепторов заключается в изменении ритма сердца и тонуса кровеносных сосудов таким образом, чтобы компенсировать изменение внутрисосудистого давления. Одним из проявлений барорефлекторной реакции является влияние фаз дыхания на частоту сокращений сердца: вдох сопровождается понижением давления в каротидном синусе и ускорением ритма, выдох - замедлением ритма.

К хеморецепторным механизмам воздействия на сердечно-сосудистый центр можно отнести гуморальные изменения крови и геморецепторный рефлекс. Повышение парциального давления углекислого газа, понижение парциального давления кислорода и ацидоз приводят к повышению ритма сердца, обратные явления - к его понижению.

Медиатором симпатического нерва является норадреналин, взаимодействие которого с клетками сердца (кардиоцитами) ведет к повышению ЧСС. Воздействие может осуществляться либо непосредственно (через волокна, иннервирующие сердце), либо посредством катехоламинов (адреналина, норадреналина), выделяющихся в кровь из мозгового слоя надпочечников. Латентный период развития реакции на симпатические воздействия составляет 1-3 с, но для окончательного достижения новой ЧСС требуется 30-60 с. Так же медленно происходит и возврат к прежней ЧСС. В целом можно сказать, что симпатические влияния на сердце реализуются относительно медленно, но они относительно стойки и генерализованы.

Парасимпатическая иннервация осуществляется блуждающим нервом. Медиатором блуждающего нерва является ацетилхолин (АХ). Латентный период реакции на раздражение блуждающего нерва значительно короче симпатического - 200 мс, а постоянный уровень ЧСС достигается быстро - через несколько сердечных циклов. Восстановление ЧСС после прекращения стимуляции происходит в течение 15…20 с, что объясняется быстрой гидролизацией АХ в синусовом узле. Влияние блуждающего нерва на клетки синусового узла зависит от силы раздражения: при сильном — возникает эффект торможения, а при слабом — “парадоксальный эффект” (увеличение ЧСС). В целом, парасимпатические влияния характеризуются относительно быстрым эффектом и относительно скорым возвращением ЧСС к исходному уровню, а также большей избирательностью действия.

Постоянное взаимодействие симпатических и парасимпатических влияний происходит на всех уровнях сегментарного отдела вегетативной нервной системы, однако оно не является простой суммой тормозящих и ускоряющих воздействий: при различной степени активности одного из отделов эффект другого отдела также будет различен. Такой тип взаимодействия принято называть “функциональной синергией”. В нормальных условиях симпатическая и парасимпатическая системы постоянно находятся в динамическом взаимодействии, согласованно регулируя работу сердца для достижения полезного приспособительного результата. При функциональном рассогласовании данных отделов, принято говорить о внутрисистемной и/или межсистемной дезинтеграции

Анализ вариабельности ритма сердца состоит в оценке тем или иным способом изменчивости длительности последовательных кардиоциклов на выбранном промежутке времени. Длительность кардиоциклов можно определить, например, по сигналу ЭКГ. Для этого выбирается характерная, хорошо различимая точка (R-зубец, максимум производной и т.п.), и определяется расстояние между этими точками для последовательных кардиоциклов (Рис. 1). Поскольку наиболее часто для этой цели используют R-зубец на ЭКГ, то полученные данные также называют RR интервалами. В работе [

9 ] было показано, что местоположение выбранной точки должно определяться с точностью не хуже 0.01 с, иначе результаты анализа будут искажены.

Последовательность RR интервалов называют ритмограммой. Ритмограмма является типичным дискретным сигналом: она существует только в определенные моменты времени, принимая произвольные значения по амплитуде. Расстояние между отсчетами ритмограммы является неравномерным по времени, поэтому в некоторых методиках ритмограмма интерполируется и передискретизируется с равномерным шагом. На практике результаты расчетов диагностических параметров в обоих случаях совпадают с точностью до случайной погрешности, однако данная процедура вносит дополнительную систематическую ошибку, связанную с выбором метода интерполяции.

В идеале анализ вариабельности ритма сердца должен проводиться на не зашумленных участках ЭКГ, при синусовом ритме и отсутствии аритмий. В реальных условиях получить такие участки необходимой длины довольно сложно. Поэтому проводят предобработку ритмограммы, в ходе которой удаляют из рассмотрения участки, соответствующие нарушениям ритма, шумам и артефактам на ЭКГ.

Иногда в ходе предобработки проводится коррекция ритмограммы, заключающаяся в удалении из нее одного или нескольких отсчетов, не характерных для рассматриваемого участка, и постановки на их место усредненных (или интерполированных) значений. Как правило, подобной процедуре подвергается пара, состоящая из короткого интервала RR (отвечающего экстрасистоле) и следующего за ним длинного интервала (Рис. 2).

Разумеется, коррекция ритмограммы допустима лишь при определенных условиях. Так замена экстрасистол допустима если их не слишком много (не более 5% от общего количества интервалов) и на участке отсутствуют куплеты и пароксизмы тахикардии. В противном случае нарушения ритма становятся гемодинамически значимыми, меняют характер работы всей сердечно-сосудистой системы и искажают ритмографическую картину. В этом случае рассматриваемый участок просто признается негодным для дальнейшего анализа. Необходимо также помнить, что исключение участков записи и последующая “сшивка” соседних участков искажает ритмическую картину RR интервалов, что влияет на результаты спектрального анализа ритмограммы.

Существуют два основных подхода к предобработке ритмограммы: выделение непригодных для анализа участков на стадии анализа ЭКГ и формирования ритмограммы, и предобработка сформированной ранее ритмограммы при помощи логического анализа величин интервалов RR. Первый подход более предпочтителен, т.к. для анализа может быль использована вся информация об ЭКГ, и не только об RR интервалах.

Статистический анализ ритма сердца

В настоящее время существует много методов количественного анализа вариабельности ритма сердца. Их можно разбить на две основные группы: методы анализа во временной области (time domain ) и методы анализа в частотной области ( frequency domain ). Все методы, как правило, базируются на результатах измерения RR интервалов между последовательными QRS комплексами нормального синусового ритма (так называемые NN-интервалы) и реализуются на отфильтрованных ритмограммах.

Среди методов анализа во временной области можно выделить два направления: статистические методы, основанные на оценке различных статистических характеристик последовательности RR интервалов, и геометрические методы, заключающиеся в оценке формы и параметров гистограммы распределения RR интервалов. Распространен анализ как коротких (5-10 минут), так и длительных (сутки) участков ритмограммы.

Спектральные методы применяются для выявления характерных периодов в динамике RR интервалов, оценки вклада тех или иных периодических составляющих в общую динамику изменения сердечного ритма. В этих методах анализируемый участок рассматривается как единое целое, поэтому требования к качеству исходной последовательности гораздо выше, чем для временных методов. Поскольку подходящие участки ритмограммы длительностью более 5 минут удается получить довольно редко, распространен анализ коротких (2-5 минут) записей.

При проведении анализа необходимо рассматривать ритмограмму как одномерный случайный процесс. Основной характеристикой одномерного случайного процесса является его функция распределения F(x ), определяемая как вероятность того, что случайная величина X имеет значение, меньшее чем x: F(x) = P(X < x).

Функция распределения F(x) обладает следующими свойствами:

Функция распределения полностью характеризует случайную величину. Например, вероятность попадания Х в заданный интервал [a, b) определяется выражением: P(a ≤ X < b) = F(b) - F(a).

Для непрерывной случайной величины (какой является длительность RR интервала) функцию распределения можно представить в следующем виде: , при этом неотрицательную интегрируемую функцию f ( x ) называют функцией плотности распределения. Зная функцию плотности распределения, можно вычислить любые характеристики случайной величины X , например, математическое ожидание или первый начальный момент (при условии абсолютной сходимости интеграла) :

На практике чаще используют центральные моменты, когда учитывается не абсолютное значение Х, а его отклонение от математического ожидания E [ x ]. В этом случае в предыдущей формуле x n заменяют на

При анализе взаимосвязи нескольких случайных процессов (или нескольких копий одного процесса) X₁ , X₂ , …, X_N >, их совокупность необходимо рассматривать как N-мерный случайный вектор, который характеризуется N-мерной функцией распределения:

Соответственно N-мерная плотность распределения вектора X₁, …, X_N > (или совместная плотность распределения величин X₁, …, X_N) f(t₁, …, t_N) определяется как:

При помощи совместной функции распределения вычисляют второй начальный момент случайных величин, называемый также коэффициентом корреляции:

Коэффициент ковариации является вторым центральным моментом:

Часто используют нормированный коэффициент ковариации, диапазон изменения которого от -1 до +1:

Прежде чем перейти к дальнейшему изложению, необходимо сделать замечание, что по конечной выборке возможно произвести лишь оценку статистических параметров, достоверность которых оценивается по соответствующим статистическим критериям. Для более подробного ознакомления с характеристиками случайных величин и критериями оценки достоверности, рекомендуется обратиться к [3, 7].

Стационарные и нестационарные процессы в ритме сердца, эргодичность

Одним из важнейших вопросов при анализе случайных процессов является вопрос о стационарности, поскольку большинство методов анализа ориентировано именно на стационарные участки записи. Процесс называется стационарным в широком смысле, если его среднее значение не меняется во времени, а автокорреляционная функция (математическое ожидание произведения x(t₁) × x(t₂)) r_xx(t₁,t₂)=E[x(t₁) × x(t₂) ], зависит только от разности t = t₂-t₁ . Это процессы, протекающие приблизительно однородно и имеющие вид непрерывных колебаний вокруг некоторого среднего значения. На ритм сердца оказывают постоянное воздействие центральная и вегетативная нервные системы, насыщение крови кислородом и углекислым газом, различные рефлексы. Все эти влияния относят к стационарным влияниям на ритм сердца. В то же время, существуют преходящие факторы, связанные с функционированием системы кровообращения (например, при изменении положения тела). Эти изменения относят к нестационарным. Нестационарный или переходный процесс характеризуется тем, что имеет определенную тенденцию развития во времени, его характеристики зависят от времени. При проверке стационарности случайного процесса обычно поступают следующим образом: исходную последовательность разбивают на N непересекающихся участков, для каждого из участков вычисляют среднее и автокорреляционную функцию и проверяют статистическую гипотезу о равенстве вычисленных характеристик. Если гипотеза не отвергается, то участок сигнала считают стационарным.

В математической статистике существует также понятие эргодичности. Стационарный процесс называют эргодическим, если при вычислении его статистических характеристик усреднение по ансамблю реализаций в фиксированный момент времени можно заменить усреднением по времени для одной реализации. Поскольку для одного пациента невозможно одновременно получить несколько реализаций ритмограммы, то принимается предположение об эргодичности её стационарных участков.

Существуют два подхода к статистическому анализу ритмограммы: анализ абсолютных значений RR интервалов и анализ разностей между смежными RR интервалами. В обеих случаях результат получается сходным. Простейшими характеристиками ритмограммы являются средняя длительность RR-интервала, (связанная с частотой сердечных сокращений как ЧСС=60/

N - количество RR-интервалов в записи (размер выборки).

Замечание: при вычислении по конечной выборке SDRR получается смещенным, поэтому рекомендуется использовать

При 24-часовой записи часто используют SDARR -среднеквадратичное отклонение величин

, вычисленных по 5-минутным интервалам и SDRR_index - среднее значение стандартных отклонений по тем же интервалам. Можно также использовать статистические характеристики более высоких порядков, например, асимметрию ( As ) и эксцесс ( Ex ), однако на практике они не получили большого распространения:

: как и для величины SDRR , при конечных значениях N рекомендуется использовать несмещенные оценки асимметрии и эксцесса, вычисляемые по формулам:

При анализе разностей длительностей последовательных RR интервалов используют следующие показатели:

- стандартное отклонение разностей соседних RR интервалов.

Следует отметить, что до сих пор не разработаны единые стандарты нормальных значений для вышеперечисленных показателей. Многие исследователи разрабатывают собственные критерии нормы и патологии (Таблица 1).

Диапазоны нормальных и патологических значений характеристик RR -интервалов (по Bigger , ИБС- ишемическая болезнь сердца, М- среднее значение параметра, SD - его среднеквадратичное отклонение)

Геометрические методы анализа ВРС и спектральный анализ

Последовательность NN интервалов может быть преобразована в геометрическую структуру, например, распределение плотности длительности NN интервалов; распределение плотности разницы между смежными NN интервалами; лоренцовское распределение и т. д.

При геометрическом анализе используются три основных подхода:

основные параметры модели (например, ширина гистограммы распределения на определенном уровне) конвертируются в показатели вариабельности ритма сердца;
математически интерполируется геометрическая модель и далее анализируются коэффициенты, описывающие эту математическую форму;
геометрическая форма классифицируется, выделяется несколько категорий ее образцов, представляющих различные классы вариабельности ритма сердца (эллиптическая, линейная, треугольная форма кривой Лоренца).

Триангулярный индекс - интеграл плотности распределения (а это общее количество NN интервалов), отнесенный к ее максимуму.

Треугольная интерполяция гистограммы NN интервалов (TINN) - это ширина основания распределения, измеренная как основание треугольника, полученного при аппроксимации распределения NN интервалов методом наименьших квадратов. Оба параметра выражают общую вариабельность ритма сердца, измеренную за 24 ч, и более зависимы от низкочастотных, нежели высокочастотных составляющих.

Другие геометрические методы находятся еще на стадии разработки.

Параметры	ИБС (n = 140) М ± SD
Длительность нормальных RR, мс	812 ± 22
SDNN, мс	99,4 ± 10,8
SDNN5, мс	90,9 ± 10,2
RMSSD, мс	19,7 ± 2,0
pNN50,%	3,7 ± 0,9

Для оценки прогноза после инфаркта миокарда в основном используются характеристики временной области при 24-часовом наблюдении. Наиболее значимы среди них SDNN < 50 мс и триангулярный индекс < 15 либо < 100 и < 20 соответственно.

Спектральный анализ

В настоящее время считается, что более точно определить тип вегетативной регуляции и вегетативного дисбаланса позволяет спектральный анализ вариабельности ритма сердца с оценкой его частотных показателей (TP, VLF, LF, HF, LF/HF).

TP - общая спектральная мощность записи во всех диапазонах (0,003-0,4 Гц). Увеличение параметра указывает на усиление автономной регуляции, а уменьшение связано с активацией симпатического звена.
VLF - мощность в диапазоне очень низких частот (0,003-0,04 Гц), характеризующая активность симпатического отдела ВНС.
LF - медленные волны, мощность в диапазоне низких частот (0,04-0,15 Гц), отражающая активность поэтической ВНС. По данным П. Я. Довгалевского и др., снижение LF < 40% может служить дополнительным критерием преходящей ишемии миокарда.
HF - быстрые волны, дыхательные волны, мощность в диапазоне высокой частоты (0,15-0,40 Гц), характеризующая активность парасимпатического звена ВНС. По мнению некоторых авторов, существует связь между повышением данного параметра и возникновением наджелудочковой аритмии.
Соотношение LF/HF отражает вагусно-симпатический баланс.

Таблица 4.
Мощность спектра вариабельности интервалов NN в группе здоровых лиц, полученная Т. Bigger с использованием быстрого преобразования Фурье

Показатели	Значение (мс 2 )	Логарифм натуральный
ULF (0,003 Гц)	16592 ± 10525	9,54 ± 0,61
VLF (0,0033-0,04 Гц)	1913 ± 1328	7,37 ± 0,6
LF (0,04-0,15 Гц)	913 ± 719	6,58 ± 0,7
HF (0,15-0,4 Гц)	291 ± 454	5,19 ± 0,88
TP (< 0,4 Гц)	19710 ± 12248	9,72 ± 0,58

Lombard et al. установили, что через две недели после острого инфаркта миокарда низкочастотная составляющая спектра была значительно выше, а высокочастотная - ниже по сравнению с показателями здоровых лиц того же возраста.

Таблица 5.
Мощность спектра вариабельности интервалов NN после перенесенного инфаркта миокарда, полученная Т. Bigger с использованием быстрого преобразования Фурье

Показатели	Значение (мс 2 )	Значение (мс 2 )
ULF (0,003 Гц)	< 1600	< 5000
VLF (0,0033-0,04 Гц)	< 160	< 600
LF (0,04-0,15 Гц)	< 35	< 120
HF (0,15-0,4 Гц)	< 20	< 35
TP (< 0,4 Гц)	< 2000	< 6000
LF/HF	< 0.95	< 1,6

Примечание. Первая колонка - исследование выполнено через 2 недели после инфаркта миокарда; вторая - через 12 месяцев.

В исследованиях различных лет М. Malik et ai. оценивали прогностическое значение вариабельности ритма сердца после острого инфаркта миокарда. Было установлено, что именно суточная вариабельность ритма может служить фактором прогноза; характеристики были более низкими у лиц с высоким риском внезапной смерти. Показана информативность длительной записи ритма сердца по сравнению с анализом коротких участков ритмограммы.

Таким образом, вариабельность ритма сердца после инфаркта миокарда характеризуется выраженным снижением показателей как во временной, так и спектральной области. В свою очередь, уменьшение параметров является мощным предиктором внезапной смерти и аритмических осложнений после инфаркта миокарда, что имеет большое практическое значение для определения тактики лечения.

=================
Вы читаете тему:
Особенности вариабельности ритма сердца у больных с инфарктом миокарда

Вариабельность сердечного ритма

Вариабельность сердечного ритма (ВСР) (используется также аббревиатура - вариабельность ритма сердца - ВРС) является быстро развивающимся разделом кардиологии, в котором наиболее полно реализуются возможности вычислительных методов. Это направление во многом инициировано пионерскими работами известного отечественного исследователя Р.М. Баевского в области космической медицины, который впервые ввел в практику ряд комплексных показателей, характеризующих функционирование различных регуляторных систем организма. В настоящее время стандартизация в области Вариабельности сердечного ритма осуществляется рабочей группой Европейского кардиологического общества и Северо-американского общества стимуляции и электрофизиологии.

Вариабельность - это изменчивость различных параметров, в том числе и ритма сердца, в ответ на воздействие каких-либо факторов, внешних или внутренних.

Вариабельность сердечного ритма и построение кардиоинтервалограммы

Сердце в идеале способно реагировать на малейшие изменения в потребностях многочисленных органов и систем. Вариационный анализ ритма сердца дает возможность количественной и дифференцированной оценки степени напряженности или тонуса симпатического и парасимпатического отделов ВНС. Оценивается их взаимодействие в различных функциональных состояниях, а также деятельности подсистем, управляющих работой различных органов. Поэтому программа-максимум этого направления состоит в разработки вычислительно-аналитических методов комплексной диагностики организма по динамике сердечного ритма.

Методы ВСР не предназначены для диагностики клинических патологий. Там хорошо работают традиционные средства визуального и измерительного анализа. Преимущество данного метода состоит в возможности обнаружить тончайшие отклонения в сердечной деятельности. Поэтому его применение особенно эффективно для оценки общих функциональных возможностей организма. А также ранних отклонений, которые в отсутствие необходимой профилактики постепенно развиваются в серьезные заболевания. Методика ВСР широко используется и во многих самостоятельных практических приложениях. В частности, в холтеровском мониторинге и при оценке тренированности спортсменов. А также в других профессиях, связанных с повышенными физическими и психологическими нагрузками.

Исходными материалом для анализа вариабельности сердечного ритма являются непродолжительные одноканальные записи ЭКГ (по стандарту Северо-американского общества стимуляции и электрофизиологии различают кратковременные записи - 5 минут, и длительные - 24 часа), выполняемые в спокойном, расслабленном состоянии или при функциональных пробах. На первом этапе по такой записи вычисляются последовательные кардиоинтервалы (КИ), в качестве реперных (граничных) точек которых используются R-зубцы, как наиболее выраженные и стабильные компоненты ЭКГ. Метод основан на распознавании и измерении временных интервалов между R-зубцами ЭКГ (R-R-интервалы) (Рис. 1) , построении динамических рядов кардиоинтервалов - кардиоинтервалограммы и последующего анализа полученных числовых рядов различными математическими методами.

Рис. 1. Принцип построения кардиоинтервалограммы (ритмограмма отмечена плавной линией на нижнем графике), где t — величина RR-интервала в миллисекундах, а n— номер (число) RR-интервала.

Методы анализа

Методы анализа ВСР обычно группируются в следующие четыре основные раздела:

кардиоинтервалография;
вариационная пульсометрия;
спектральный анализ;
корреляционая ритмография.

Принцип метода: анализ ВСР является комплексным методом оценки состояния механизмов регуляции физиологических функций в организме человека, в частности, общей активности регуляторных механизмов, нейрогуморальной регуляции сердца, соотношения между симпатическим и парасимпатическим отделами вегетативной нервной системы.

Два контура регуляции

Можно выделить два контура регуляции сердечного ритма: центральный и автономный с прямой и обратной связью.

Рабочими структурами автономного контура регуляции являются: синусовый узел, блуждающие нервы и их ядра в продолговатом мозгу. Автономный контур — это по существу контур парасимпатической регуляции вегетативной нервной системы в состоянии покоя. Различные нагрузки на организм требуют включения в процесс управления сердечным ритмом центрального контура регуляции. При этом происходит смещение вегетативного гомеостаза в сторону преобладания симпатической нервной регуляции.

Центральный контур регуляции сердечного ритма - это сложная многоуровневая система нейрогуморальной регуляции физиологических функций:

1-й уровень обеспечивает взаимодействие организма с внешней средой. К нему относится центральная нервная система, включая корковые механизмы регуляции. Она координирует деятельность всех систем организма в соответствии с воздействием факторов внешней среды.

2-й уровень осуществляет взаимодействие различных систем организма между собой. Основную роль играют высшие вегетативные центры (гипоталамо-гипофизарная система), обеспечивающие гормонально-вегетативный гомеостаз.

3-й уровень обеспечивает внутрисистемный гомеостаз в разных системах организма, в частности в кардиореспираторной системе. Здесь ведущую роль играют подкорковые нервные центры. В частности сосудодвигательный центр, оказывающий стимулирующее или угнетающее действие на сердце через волокна симпатических нервов.

Как изменяются параметры вариабельности при сердечно-сосудистых заболеваниях подробно описано в статье «Изменение ВСР при ССЗ».

Анализ ВСР используют для оценки вегетативной регуляции ритма сердца у практически здоровых людей с целью выявления их адаптационных возможностей и у больных с различной патологией сердечно-сосудистой системы и вегетативной нервной системы. В частности для предупреждения инфаркта миокарда.

Математический анализ вариабельности сердечного ритма

Математический анализ вариабельности сердечного ритма включает применение статистических методов, методов вариационной пульсометрии и спектральный метод.

1. Статистические методы

По исходному динамическому ряду R-R интервалов вычисляются следующие статистические характеристики:

— RRNN— математическое ожидание (М) — среднее значение продолжительности R-R интервала, обладает наименьшей изменчивостью среди всех показателей сердечного ритма, так как является одним из наиболее гомеостатируемых параметров организма; характеризует гуморальную регуляцию;

— SDNN (мс) — среднее квадратическое отклонение (СКО), является одним из основных показателей вариабельности СР; характеризует вагусную регуляцию;

— RMSSD (мс) — среднеквадратичное различие между длительностью соседних R-R интервалов, является мерой ВСР с малой продолжительностью циклов;

— рNN50 (%) — доля соседних синусовых интервалов R-R, которые различаются более чем на 50 мс. Является отражением синусовой аритмии, связанной с дыханием;

— CV — коэффициент вариации (КВ), КВ=СКО / М х 100, по физиологическому смыслу не отличается от среднего квадратического отклонения, но является показателем, нормированным по частоте пульса.

2. Метод вариационной пульсометрии

— Мо — мода — диапазон наиболее часто встречающихся значений кардиоинтервалов. Обычно в качестве моды принимают начальное значение диапазона, в котором отмечается наибольшее число R-R-интервалов. Иногда принимается середина интервала. Мода указывает на наиболее вероятный уровень функционирования системы кровообращения (точнее, синусового узла) и при достаточно стационарных процессах совпадает с математическим ожиданием. В переходных процессах значение М-Мо может быть условной мерой нестационарности. А значение Мо указывает на доминирующий в этом процессе уровень функционирования;

— АМо — амплитуда моды — число кардиоинтервалов, попавших в диапазон моды (в %). Величина амплитуды моды зависит от влияния симпатического отдела вегетативной нервной системы и отражает степень централизации управления сердечным ритмом;

— DX — вариационный размах (ВР), DX=RRMAXx-RRMIN — максимальная амплитуда колебаний значений кардиоинтервалов, определяемая по разности между максимальной и минимальной продолжительностью кардиоцикла. Вариационный размах отражает суммарный эффект регуляции ритма вегетативной нервной системой в значительной мере связанный с состоянием парасимпатического отдела вегетативной нервной системы. Однако, в определенных условиях при значительной амплитуде медленных волн вариационной размах зависит в большей мере от состояния подкорковых нервных центров, чем от тонуса парасимпатической системы;

— ВПР — вегетативный показатель ритма. ВПР = 1 /(Мо х ВР); позволяет судить о вегетативном балансе с точки зрения оценки активности автономного контура регуляции. Чем выше эта активность, т.е. чем меньше величина ВПР, тем в большей мере вегетативный баланс смещен в сторону преобладания парасимпатического отдела;

— ИН — индекс напряжения регуляторных систем [Баевский Р.М., 1974]. ИН = АМо/(2ВР х Mo), отражает степень централизации управления сердечным ритмом. Чем меньше величина ИН, тем больше активность парасимпатического отдела и автономного контура. Чем больше величина ИН, тем выше активность симпатического отдела и степень централизации управления сердечным ритмом.

У здоровых взрослых людей средние показатели вариационной пульсометрии составляют: Мо — 0.80 ± 0.04 сек.; АМо — 43.0 ± 0.9%; ВР — 0.21 ± 0.01 сек. ИН у хорошо физически развитых лиц колеблется в пределах от 80 до 140 усл.ед.

3. Спектральный метод анализа ВСР

В анализе волновой структуры кардиоинтервалограммы и выделяют действие трех регуляторных систем: симпатического и парасимпатического отделов автономной нервной системы, и действие центральной нервной системы, которые влияют на вариабельность сердечного ритма.

Применение спектрального анализа позволяет количественно оценить различные частотные составляющие колебаний ритма сердца и наглядно графически представить соотношения разных компонентов сердечного ритма, отражающих активность определенных звеньев регуляторного механизма. Выделяют три главных спектральных компонента (см. рис. выше):

— HF (s - волны) — дыхательные волны или быстрые волны (Т=2,5-6,6 сек., v=0,15-0,4 Гц.), отражают процессы дыхания и другие виды парасимпатической активности, на спектрограмме отмечены зеленым цветом ;

— LF (m - волны) — медленные волны I порядка (MBI) или средние волны (Т=10-30сек., v=0.04-0.15 Гц) связаны с симпатической активностью (в первую очередь вазомоторного центра), на спектрограмме отмечены красным цветом ;

При спектральном анализе определяют суммарную мощность всех компонентов спектра (ТР). Также определяется абсолютная суммарная мощность для каждого из компонентов. При этом ТР определяется как сумма мощностей в диапазонах HF, LF и VLF.

Все вышеперечисленные параметры отражаются в отчете по кардиотестированию.

Как проводить математический анализ вариабельности сердечного ритма

О том, как влияют лекарства на вариабельность сердечного ритма можно прочитать в заметке «Влияние лекарственных препаратов на вариабельность сердечного ритма».

Результаты лучше всего занести в таблицу и сопоставить с нормальными значениями. Затем проводят оценку полученных данных и делают вывод о состоянии вегетативной нервной системы, влиянии автономного и центрального контуров регуляции и адаптационных возможностях испытуемого.

Таблица «Вариабельность сердечного ритма».

Исследование проводилось в положении (лежа/сидя).

Длительность в мин.___________. Общее количество R-Rинтервалов___________. ЧСС:________

VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СЕРДЕЧНОГО РИТМА МУЖЧИН В УСЛОВИЯХ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Актуальность. В современных условиях человек соприкасается с большим числом химических соединений. В процессе трудовой деятельности, при неблагоприятных производственных условиях и нарушении технологического процесса химические вещества могут оказывать вредное действие на работоспособность и здоровье работающих, вызывая профессиональные отравления.

В экологической физиологии и гигиене труда вопросы оценки действия новых химических соединений на организм работающих, их нормирования в воздухе производственных помещений, а также профилактики вредного действия химических факторов относятся к области промышленной токсикологии, направленной на создание безвредных и безопасных условий труда для здоровья человека [1].

В соответствии с указанным, особую актуальность приобретают исследования, направленные на изучение нормокинеза и патогенеза интоксикаций, что позволяет определить маркеры для возможного выявления ранних признаков интоксикации.

Материалы и методы. В соответствии с разработанной программой исследования и соблюдением этических норм, в исследовании приняли участие 24 мужчины зрелого возраста второго периода онтогенеза (средний возраст - 47,2±1,2 лет). Сформировано две группы: первая - включала 12 мужчин, не работающих с вредными веществами; вторая - 12 мужчин работающих в цеху с вредными веществами (моно оксид углерода, формальдегид).

На добровольной основе проведено исследование механизмов регуляции кардиоритма у мужчин, работающих в цеху ОАО «Завод полиэтиленовых труб» г. Буденновска. Обработка материала с использованием метода спектрального анализа на диагностическом приборе «Варикард 2.5» с применением специализированного программного обеспечения «Иским 6.1» Осуществлена на базе Центра «Инновационные образовательные и научные технологии в медицине и фармации» ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» г. Ставрополь. [2]. Статистическая и биометрическая обработка материала осуществлена при помощи пакета анализа Microsoft Office Excel 2003 и STATISTIKA6.0.

Результаты и обсуждение. При анализе параметров спектральной плотности мощности колебаний ритма сердца установили, что в условиях физиологического покоя ведущую роль в регуляции кардиоритма как у мужчин, не работающих в цеху, так и у подверженных влиянию опасных для здоровья веществ (формальдегид, моно оксид углерода) играет 3 уровень центрального контура (LF волны). (табл. 1).

Читайте также: