УДК 612.179:615.471.03

Экспериментальные исследования на животных с использованием экг сверхвысокого разрешения как этап создания методологии и инструментария функциональной электрокардиографии ишемии

М.М. Галагудза^1,2, К.В. Зайченко³

1Федеральный Центр сердца, крови и эндокринологии им. В.А. Алмазова Министерства здравоохранения Российской Федерации

2 Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. Акад. И.П.Павлова

3 Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Experimental animal studies using ultrahigh-resolution ECG as a prerequisite for development of the methodology and equipment for functional electrocardiography of ischemia

М.М. Galagudza^1,2, К.V. Zaichenko³

¹ V.A. Almazov Federal Heart, Blood and Endocrinology Centre

² I.P. Pavlov Federal Medical University

³ St-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation

Аннотация. В работе проведено исследование возможности получения дополнительной информации о развитии ишемической болезни сердца из ЭКГ-сигналов, регистрируемых с использованием компьютеризированного электрокардиографа сверхвысокого разрешения, при проведении экспериментов по моделированию ишемии миокарда у подопытных животных. Эти модели выполнялись на наркотизированных крысах–самцах линии Wistar на целостном организме с сохраненными нейрогуморальными влияниями на сердце, путем перевязки левой коронарной артерии. Был проведен анализ характеристик полученных ЭКГ-сигналов. При этом зафиксированы значительные изменения высокочастотных составляющих этих сигналов в процессе развития ишемии, в частности существенное снижение их спектральной плотности мощности. Показано значение такого анализа ЭКГ-сигналов для создания методологии и инструментария функциональной электрокардиографии ишемии.

Abstract. In the present study, the potential of getting additional information about the characteristics of ischemic heart disease from ECG signal registered using computer-based electrocardiograph of ultrahigh resolution was assessed in the animal model of myocardial ischemia. Myocardial ischemia was elicited in the anesthetized male Wistar rats retaining systemic neurohumoral influences on the heart by means of left coronary artery ligation. The characteristics of thus obtained ECG signals were analyzed. The significant changes in the high-frequency components of these signals, including a substantial decrease in their spectral density, were detected during early phases of ischemia. The role of such an analysis of ECG signal in the development of methodology and equipment for functional detection of ischemia is demonstrated.

Ключевые слова: функциональная электрокардиография, сверхвысокое разрешение, ишемия миокарда, моделирование, экспериментальные исследования, спектральный анализ

Keywords: functional electrocardiography, ultrahigh-resolution, myocardial ischemia, modeling, experimental studies, spectral analysis.

Реферат

Исследована возможность совершенствования ЭКГ–диагностики ишемии, в том числе верификации диагноза ишемической болезни сердца (ИБС), на основе дополнительной информации, получаемой из ЭКГ-сигнала, в частности о стадии развития ишемического повреждения. Изучение параметров ЭКГ-сигнала на разных этапах экспериментов по моделированию ишемии миокарда производились с использованием метода электрокардиографии сверхвысокого разрешения (ЭКГ СВР), позволяющего регистрировать низкоамплитудные и высокочастотные (ВЧ) составляющие электрокардиосигналов (ЭКС). Модели ишемии миокарда выполнялись на наркотизированных животных (крысах–самцах линии Wistar) на целостном организме с сохраненными нейрогуморальными влияниями на сердце, путем перевязки левой коронарной артерии. В ходе опытов применялась искусственная вентиляция легких и микрохирургическая техника. С целью верификации факта возникновения ишемии миокарда проводилась оценка размеров анатомической зоны риска и зоны инфаркта. В ходе эксперимента у животных регистрировались электрокардиограммы с помощью экспериментального компьютеризированного электрокардиографа «СВР-2К», реализующего метод ЭКГ СВР и контрольного электрокардиографа «Кардиотехника–8». На всех этапах моделирования ишемии-реперфузии миокарда регистрировались ЭКС в низкочастотном- (НЧ) и ВЧ-каналах «СВР-2К». Были исследованы их количественные и качественные характеристики с целью поиска параметров электрокардиограммы (ЭКГ-маркеров), коррелирующих с начальными фазами ишемии, и для подтверждения наличия диагностически значимых и информативных признаков ишемии в НЧ- и ВЧ-областях спектра ЭКС. Проводилось сравнение электрокардиограмм и спектральных составов ЭКС, полученных до перевязки левой коронарной артерии (в норме) и на различных этапах ишемии миокарда. В ходе анализа компонентов спектра ЭКС в ВЧ-канале в процессе развития ишемии зафиксированы их значительные изменения. С развитием ишемии спектральная плотность мощности ВЧ-составляющих ЭКС существенно снижается. При этом на первой минуте после перевязки левой коронарной артерии, когда процесс развития ишемии уже начался, в ЭКС на выходах НЧ-каналов обоих электрокардиографов отсутствуют видимые изменения сигналов по сравнению с нормой, а анализ спектрального состава ВЧ-составляющих ЭКС по методу ЭКГ СВР уже фиксирует заметное снижение уровня спектральной плотности мощности ВЧ-компонентов ЭКС. Описанные изменения спектральных характеристик ЭКС воспроизводились у всех животных экспериментальной группы. Таким образом применение методики ЭКГ сверхвысокого разрешения с последующим спектральным анализом в ВЧ-канале позволяет надежно верифицировать признаки ишемии миокарда уже спустя 60 секунд после перевязки коронарной артерии в эксперименте.

Summary

The potential for refinement of ECG-diagnostics of ischemia, including early verification of ischemic heart disease and determination of the stage of the ischemic injury, was investigated in the present study. The characterization of the ECG signal parameters at the different stages of the experiment was performed using the technique of ultrahigh resolution electrocardiography (UHR-ECG). This technique enables to register both low-magnitude and high-frequency (HF) components of the electrogram (EG). Myocardial ischemia was elicited in the anesthetized male Wistar rats retaining systemic neurohumoral influences on the heart by means of left coronary artery ligation. Experiments were performed using mechanical lung ventilation and microsurgical technique. For verification of the reproducibility of ischemia, both anatomical area at risk and infarct size were determined after the end of the experiment. During the experiments, the ECG was registered by the prototype computer-assisted electrocardiograph “SVR-2K” for UR-ECG and control electrocardiograph “Cardiotechnika-8”. The electrocardiogram was registered in low- (LF) and high-frequency (HF) channels of “SVR-2K” during the entire period of myocardial ischemia-reperfusion injury. We assessed both quantitative and qualitative characteristics of the ECG in order to identify the parameters of ECG (or ECG-markers) which are most closely correlated with the early phases of ischemia, and also for confirmation of the presence of predictive and informative signs of schemia in the HF and LF areas of the ECG spectrum. A comparison of ECG and spectral characteristics of ECG obtained prior to left coronary artery ligation (normal state) was done with the postischemic values. The analysis of the components of ECG spectrum in the HF channel has revealed significant changes during ischemia. The spectral power of the HF components of ECG has been significantly attenuated starting from the beginning of ischemia. It should be noted that on the first minute after coronary artery ligation the LF channels of both electrocardiographs failed to detect any visible changes of the signals as compared with baseline while the analysis of the spectral composition of the HF components according to the technique of the UR-ECG has revealed the substantial decrease in the spectral power of the HF-components of ECG. The described changes in the spectral characteristics of ECG were reproducible among all animals of the experimental group. In conclusion, the application of the UHR-ECG with subsequent spectral analysis in the HF-channel gives the opportunity for decisive verification of the signs of myocardial ischemia already after 60 seconds after coronary artery ligation in the experimental settings.

Несмотря на огромный прогресс в разработке новых методов диагностики и терапии, ишемическая болезнь сердца (ИБС) остается ведущей причиной смертности и инвалидизации трудоспособного населения в большинстве стран мира. В основе лечения острого коронарного синдрома сегодня лежит экстренная реваскуляризация миокарда, то есть максимально быстрое восстановление кровотока к сердечной мышце с помощью различных методик. Однако для выполнения подобного вмешательства требуется не менее скорая верификация диагноза инфаркта миокарда. В настоящее время диагноз инфаркта устанавливается на основе клинических, биохимических и электрокардиографических (ЭКГ) критериев.

К сожалению, следует констатировать, что при использовании применяемых в практической медицине ЭКГ методик возможности диагностики острой ишемии миокарда по ЭКГ-критериям в настоящее время ограничиваются алгоритмом «да-нет» и приблизительным суждением о протяженности очага поражения миокарда – субэндокардиальная или трансмуральная ишемия. При этом нереализованной, но весьма актуальной задачей совершенствования ЭКГ–диагностики ишемии является получение дополнительной информации из ЭКГ-сигнала, в первую очередь, о стадии развития, а затем и о степени ишемического повреждения, его локализации, потенциальной обратимости и других параметрах. Поэтапное решение перечисленных задач может способствовать существенному улучшению результатов диагностики и лечения ишемии на разных стадиях ее развития, в том числе, инфаркта миокарда.

Можно утверждать, что данная область инструментальной диагностики будет революционизирована при обнаружении параметров электрокардиограммы, отражающих выраженность ишемии и состояние адаптации миокарда к ней. Извлечение информации из ЭКГ о подобных взаимосвязях и их верификация ознаменуют эру функциональной электрокардиографии ишемии.

Существует острая необходимость в разработке методов профилактического повышения устойчивости миокарда к ишемии, поскольку не всегда достижимо выполнение экстренной реваскуляризации миокарда в течение 90 минут после возникновения загрудинной боли. К таким методам относятся различные варианты кондиционирования миокарда, когда перед началом продолжительной ишемии или непосредственно после нее выполняются кратковременные эпизоды ишемии (по 3-5 мин.) с последующим столь же кратковременным восстановлением кровотока (реперфузией), предотвращающие те или иные проявления повреждения миокарда, вызванные тестовой ишемией. Разработка подобных подходов и изучение их механизмов требует проведения предварительных экспериментальных исследований на лабораторных животных. Подобные эксперименты направлены, в частности, на выработку оптимального протокола индукции кондиционирования миокарда, включая продолжительность и кратность кондиционирующих ишемических эпизодов.

Отдельную актуальную задачу представляет собой поиск параметров электрокардиограммы, коррелирующих с объемом ишемии и с ее выраженностью. К сожалению, сегодня приходится констатировать, что основной критерий ишемии - девиация сегмента ST - не всегда четко коррелирует с ее выраженностью (Birincioglu et al., 1999) [1].

Для решения указанных задач с 2010 года коллективом сотрудников кафедры медицинской радиоэлектроники ГУАП, кафедры патофизиологии Санкт-Петербургского государственного медицинского университета им. акад. И. П. Павлова и Института экспериментальной медицины Федерального Центра сердца, крови и эндокринологии им. В. А. Алмазова проводятся совместные исследования, посвященные поиску новых ЭКГ-маркеров процесса развития ишемического повреждения миокарда у подопытных животных.

Исследования параметров ЭКГ на разных этапах экспериментов производились на нескольких, специально разработанных в Научно-образовательном центре «Биомедицинской радиоэлектроники и информатики» (НОЦ БРЭИ, ГУАП, СПб), лабораторных макетах, реализующих метод электрокардиографии сверхвысокого разрешения (ЭКГ СВР) [2], [3](нс)^* для регистрации низкоамплитудных и высокочастотных (ВЧ) составляющих электрокардиосигналов (ЭКС) в расширенных амплитудном и частотном диапазонах (АЧД). В качестве контрольного прибора использовался электрокардиограф «Кардиотехника–8» (ЗАО «Инкарт», СПб). Экспериментальные исследования проводились на основе моделирования ишемии миокарда по схеме, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Схема эксперимента

Модели ишемии миокарда можно разделить на те, что выполняются на наркотизированных животных и на изолированном сердце. Модели in vivo¹ имеют особенно большое значение, поскольку они выполняются на целостном организме с сохраненными нейрогуморальными влияниями на сердце. Модель ишемии миокарда у крыс путем перевязки левой коронарной артерии была впервые предложена Г. Селье с соавторами в 1960 г. К настоящему времени данная модель усовершенствована благодаря применению искусственной вентиляции легких и микрохирургической техники. Модель ишемии миокарда является одной из наиболее часто используемых хирургических моделей заболеваний человека.