Основная часть

1 Обоснование направления исследования. Анализ ритмов сердцебиения, дыхания, давления крови, ЭЭГ и других процессов свидетельствует о существенных отличиях указанных процессов от периодических. Исследование нерегулярных, апериодических колебаний физиологических процессов сдерживалось, во многом, отсутствием должного математического аппарата для описания нелинейных систем, к которым относятся многие, в том числе и биологические, системы. В настоящее время описание фундаментального явления детерминированного хаоса проводится в рамках нелинейной динамики – науки, изучающей структуру и свойства эволюционных процессов в нелинейных динамических системах. Нелинейно-динамический анализ биологических систем позволяет глубже понять механизмы и принципы их функционирования, более тонко описывать различные состояния и пути переходов между ними. Показано, что наличие детерминированной хаотической компоненты характерно для нормальной жизнедеятельности практически любого живого объекта от отдельной клетки до целого организма. В то время как появление патологических изменений в функционировании физиологических систем приводит к снижению фрактальной размерности и степени нерегулярности динамики системных параметров.

Несмотря на большое количество методов анализа нелинейной динамики физиологических процессов, достоинства одних и недостатки других пока еще не очевидны. Диагностическая и прогностическая ценность показателей недостаточно исследована, и не удивительно, что нелинейные методы являются далекими от того, чтобы быть использованными в клинической практике. К тому же в настоящее время не решены значительные методологические проблемы вычисления нелинейных показателей.

Многие системы постоянно балансируют на грани хаоса и порядка. В представлении о явлении детерминированного хаоса мы сталкиваемся со специфическим соотношением категорий “порядок” и “хаос”. Здесь они выступают не в качестве взаимоисключающих противоположностей, но как аспекты единого целого, здесь они неразрывно связаны между собой, и именно эта связь определяет сущность данного явления. В связи с этим представляется, что линейные и нелинейные методы анализа физиологических процессов органически дополняют друг друга и весьма важны для понимания процессов саморегуляции и адаптации в биологических системах, для прогнозирования и профилактики возможных нарушений в их деятельности.

Материалы и методы

Объект исследования. В работе использовались записи 534 кардиоинтервалограмм и 192 электроэнцефалограмм практически здоровых лиц возрастных групп 8-13, 14-17, 18-21, 22-35, 36-55 и более 55 лет в покое и при функциональных нагрузках. Для анализа нелинейных показателей сердечного ритма при некоторых нарушениях сердечной деятельности использовались данные из архива физиологических сигналов для биомедицинских исследований «PhysioBank» - всего 177 кардиоинтервалограмм.

Регистрация электрофизиологических сигналов. Электрокардиограмма регистрировалась в II стандартном отведении в покое (положение «лежа») в течение 5 минут и при функциональных нагрузках, использовался ЭКГ канал энцефалографа ЭЭГ-16S «Медикор» (Венгрия).

Исследования биоэлектрической активности головного мозга проводились при отведении биопотенциалов монополярно через скальп от конвекситальной поверхности мозга с помощью неполяризующихся электродов, симметрично охватывающих лобные, теменные и затылочные области обоих полушарий (Fp1, Fp2, C3, C4, O1, O2).

Аналоговый сигнал ЭКГ и ЭЭГ, получаемый с выхода электроэнцефалографа, преобразовывался в цифровой посредством установленной в компьютере измерительной платы АЦП. Выделение кардиоинтервалограммы и последующий анализ КИГ и ЭЭГ реализованы программно.

Применялись широко распространенные функциональные тесты в виде ортостатической пробы, теста РДО, биоуправления с обратной связью, электроэнцефалографические пробы с открыванием и закрыванием глаз, фотостимуляция и гипервентиляция. Для оценки функционального резерва сердечно-сосудистой системы проводили ортоклиностатическую пробу по методике, предлагаемой А.М. Вейном и соавт. (1991).

Методы анализа вариабельности сердечного ритма. Для исследования линейных показателей вариабельности сердечного ритма была создана программа Puls.KZ (свидетельство о регистрации объекта интеллектуальной собственности №131, выданное 26.04.2006). Программа позволяет получать статистические, геометрические (вариационные), спектральные, авторегрессионые и энтропийные характеристики вариабельности сердечного ритма – всего более 80 параметров, т.е. это наиболее полное отражение всех известных методов анализа кардиоинтервалограммы [Р.М. Баевский и соавт., 2001].

Расчет энтропийных показателей матрицы вероятности переходов кардиоритмов. Для построения матрицы взаимных переходов каждый временной ряд длительностей R-R -интервалов делится на каналы (классовые интервалы) по 50 мс и каждый кардиоинтервал (КИ) временного ряда регистрируемой ЭКГ кодируется (обозначается) номером канала, соответствующего его длительности. Полученный временной ряд преобразовывается в матрицу переходов КИ из i-го канала в (i+n)-канал, где последовательности строк составляют номера каналов предшествующих КИ, а ячейки на их пересечении содержат количество переходов определенного предшествующего КИ к соответствующему последующему.

Из матрицы вероятности взаимных переходов вычисляются: Н(Э) - энтропия части матрицы ниже диагонали (характеризует эрготропные влияния на сердечный ритм), Н(Т) - энтропия части матрицы выше диагонали (характеризует трофотропные влияния на сердечный ритм), Н(Д) - энтропия диагонали матрицы (характеризует стабилизирующие влияния на сердечный ритм), Н(М) – энтропия всей матрицы (характеризует суммарный эффект всех влияния на сердечный ритм), Н(М/Д) – отношение энтропии матрицы к энтропии диагонали, Н(Т/Э) – отношение Н(Т) к Н(Э) (Меницкий Д. Н. и соавт., 1978).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Расчет нелинейных показателей системы регуляции сердечного ритма

Исследование нелинейной динамики сердечного ритма с применением новых параметров для расчета корреляционной размерности, корреляционной энтропии и показателя Ляпунова сердечного ритма

Сложность поведения динамических систем можно оценить с помощью целого ряда показателей. Среди них наиболее распространенными являются корреляционная размерность, корреляционная энтропия, старший показатель Ляпунова. Расчет этих показателей применительно к конкретным физиологическим системам, в том числе по отношению к сердечному ритму, сталкивается с проблемами методического характера.

Для исследования возможности расчета нелинейных показателей сердечного ритма с применением новых параметров был проведен анализ 70 кардиоинтервалограмм. Результаты позволяют обосновать методику расчета корреляционной размерности и корреляционной энтропии по коротким (пятиминутным) реализациям кардиоинтервалограммы, что особенно важно при проведении массовых обследований внелабораторных условиях. Для этого временной ряд кардиоинтервалов длительностью 5 минут представляется в виде непрерывной функции x(t). Эта функция преобразуется в новый дискретный временной ряд посредством квантования этой функции с шагом dt=100 мс. Далее проводится реконструкция фазовой траектории по методу временных задержек. Рассчитывается корреляционная размерность, корреляционная энтропия по изложенному алгоритму c параметрами r=20% от SDRR , m=9.

Для расчета показателя Ляпунова необходимо использовать следующие параметры: ε = 6% от (RRmax-RRmin) , m=7.