экзамен / Билеты по синергетике

этом случая период наблюдения за сигналом T N t N RRNN .

Спектральные методы анализа ВСР получили в настоящее время очень широкое распространение, причем наиболее часто используются Фурье преобразование и ауторегрессионный метод (AM). Анализ спектральной плотности мощности колебаний дает информацию о распределении этой величины в зависимости от частоты колебаний. Применение спектрального анализа позволяет количественно оценить многие частотные составляющие колебаний сигнала кардиограммы и наглядно графически представить соотношения разных компонентов сердечного ритма, отражающих активность определенных звеньев регуляторного механизма.

При использовании спектрального анализа выделяют 4 основных диапазона частот: высокочастотный спектр (HF – high frequency) с частотой 0,15-0,40 Гц, низкочастотный спектр (LF – low frequency) с частотой 0,04-

0,15 Гц, очень низкие частоты (VLF –very low frequency, 0,0033-0,04 Гц) и

сверхнизкие частоты (ULF –ultra low frequency, с частотой менее 0,0033 Гц). Как и другие методы оценки вариабельности сердечного ритма, спектральный анализ является прежде всего математическим методом, поэтому основной проблемой использования его в медицинской практике является оценка физиологического и клинического значения полученных параметров.

Предлагаемое ограничение диапазона VLF до 0,015 Гц обусловлено тем, что при анализе 5-минутных записей мы фактически надежно можем определять только колебания с периодом в 3-4 раза меньшим, чем длительность регистрации сигналов (т.е. порядка 1-й минуты). Поэтому предлагается все колебания с периодом более минуты относить к диапазону ULF и уже в нем выделять соответствующие поддиапазоны.

Спектральный анализ вариабельности сердечного ритма используется и для анализа долговременных 24 часовых записей. В этом случае помимо VLF,LF и HF составляющих выделяют ультранизкий ULF компонент. Казалось бы, большой объем информации, полученный за большой

263

промежуток времени, должен давать более достоверные результаты, однако при этом подходе возникает проблема стационарности. Характерное время нейрогуморальной системы и ответа сердечно-сосудистой системы на изменившиеся условия внешней среды составляет от долей до нескольких секунд. За время записи, значительно превосходящее характерное время реакции нейрогуморальной системы, будут накоплены и усреднены записи реакций сердечных сокращений на целый ряд различных воздействий, не связанных с исследуемыми явлениями (реакция пациента на слуховые, зрительные воздействия, влияние внутренней среды – желудочно кишечного тракта и т.д). Помимо того, измерения длительного времени страдают более низкой достоверностью из-за влияния на спектр внешних шумов, и, наконец, накопление 1/f шума (фундаментальный шум, интенсивность которого обратно пропорциональная частоте). Методика, в которой из 24-часовой записи извлекают и обрабатывают 5-минутные отрезки, а затем исследуют средний по этим записям спектр, частично решает проблему накопления шума, но, как и анализ всей 24-часовой записи, теряет данные о динамике вегетативной регуляции изменения ритмов сердца.

При оценке стационарных кратковременных выборок гораздо больше экспериментальной и теоретической информации содержится в физиологической интерпретации частотных показателей по сравнению с временными, следовательно, методы Фурье-анализа имеют некоторое преимущество для анализа работы сердца. Говоря о стабильности записей, следует отметить, что показатели ВСР для коротких выборок достаточно быстро возвращаются к исходным значениям после таких возмущений как легкая физическая нагрузка или введение вазодилататоров кратковременного действия. Максимальная физическая нагрузка или введение препаратов длительного действия могут вести к более долгому возврату к исходному значению.

Практически с начала изучения вариабельности сердечного ритма не прекращается дискуссия о связи спектральных характеристик с различными звеньями нейрогуморальной регуляции. Существует несколько гипотез о физиологических механизмах, стоящих за «медленными волнами» модуляции сердечного ритма. Некоторые исследователи связывали происхождение низкочастотных волн Майера (низкочастотные колебание с частотой LF 0.04-0.15 гц) с разными периодическими физиологическими воздействиями: влиянием барорецептоных механизмов, медленными волнами артериального давления, т.е волнами III порядка, следствием миогенных реакций артериальных сосудов, симпато-парасимпатическими процессами. Все перечисленные механизмы связаны с рефлекторными, вторичными влияниями. Другие исследователи полагают, что медленные волны являются центрогенными: их порождает нейрогенная сеть ствола

264

головного мозга, которая определяет колебания импульсов как симпатического так и парасимпатического потока. Некоторые исследователи считают, что участие парасимпатической системы в формировании медленных колебаний представляется несомненным [ХЛ], [EDB].

При спектральном анализе обычно для каждого из компонентов вычисляют абсолютную суммарную мощность в диапазоне, среднюю мощность в диапазоне, значение максимальной гармоники и относительное значение в процентах от суммарной мощности во всех диапазонах (Total Power – TP). При этом ТР определяется как сумма мощностей в диапазонах HF, LF и VLF. По данным спектрального анализа сердечного ритма вычисляются следующие показатели: индекс централизации - (IC, Index of centralization, IC = (HF+LF)/VLF) и индекс вагосимпатического взаимодействия LF/НF. В большинстве работ спектральная мощность отображается в миллисекундах в квадрате (мс2). Отметим, что согласно формуле (S.22) полный спектр мощности TP совпадает c выборочной дисперсией величины RR интервалов.

Кроме этого, показатели LF и HF могут описываться в так называемых нормализованных единицах, которые представляют собою долю каждого показателя в общей 5-минутной мощности за вычетом VLF.

Стандарты для спектральный методов Фурье должны включать частоту дискретизации интерполяционной кривой, число точек, использованных для вычисления спектра, а также указывать какие спектральные окна при этом применяются (наиболее часто применяются окна Ханна, Хэмминга, треугольные окна). Также необходимо указывать метод вычисления мощности в зависимости от используемого окна. В дополнение к требованиям, изложенным в других частях документа, каждое исследование, использующее непараметрические методы спектрального анализа ВСР, должно ссылаться на все эти параметры.

К сожалению, данные полученные разными исследователями значительно различаются. Так, например, диапазон средних значений полной

265

мощности TP (total power) в группах больных ишемической болезнью сердца по данным разных авторов составляет от 1651 до 3637 мс2. В основе этих расхождений может лежать целый ряд причин в том числе: многие физиологические факторы, температура кожных покровов, эмоциональное состояние, зависимость показателей о времени суток и исходного значения частоты сердечных сокращений, возрастные и половые различия.

Существенный разброс индивидуальных средних значений и большие значения стандартных отклонений показателей мощности вариабельности сердечного ритма ограничивают диагностические и прогностические возможности однократного определения показателей ВСР. Важное значение при оценке результатов исследований имеет сравнение полученных данных с показателями нормы. Представление о норме как о некоторой статистической совокупности значений, полученных при обследовании группы специально отобранных здоровых людей, требует уточнения применительно к анализу ВРС. Поскольку речь идет не об оценке относительно стабильных параметров гомеостаза, а о весьма изменчивых показателях вегетативной регуляции, в данном случае более приемлемым является представление о норме как о функциональном оптимуме [БКК, БИЧ]. Здесь следует иметь в виду, что индивидуальный оптимум организма не всегда совпадает со среднестатистической нормой, поскольку однотипные адаптационные реакции протекают по разному в соответствии с условиями, в которых находится человек, и в зависимости от его индивидуальных функциональных резервов.

Тем не менее, попытаемся дать некоторую интерпретацию полученных результатов.

Высокие частоты (HF – High Frequency): 0.15 – 0.40 Гц. При формировании колебаний в данном диапазоне частот преимущественная роль отводится работе парасимпатического отдела вегетативной нервной системы. Мощность в этом диапазоне частот увеличивается во время дыхания с определенной частотой и глубиной, при воздействиях холода. У спортсменов и хорошо натренированных людей мощность HF также значительно превышает таковую у нетренированных, и должна преобладать над мощностью низких частот. Снижение у спортсменов мощности HF может свидетельствовать о напряжении регуляторных систем сердца, о перетренированности, хотя чрезмерное ее увеличение говорит об опасности нарушения синусового ритма. Часто мощность высокочастотных колебаний используют как меру интенсивности парасимпатического воздействия на

симпатического отдела отражено в возбуждении LF вариациях сердечного ритма, а спектр мощности HF отражает изменения активности парасимпатического отдела нервной системы. А.Malliani утверждает, что одним из фундаментальных положений для понимания динамики нервной регуляции сердечного ритма является концепция баланса симпатического и парасимпатического отделов нервной системы, и доказывает, что в физиологических условиях активации одного из отделов вегетативной нервной системы по механизму обратной связи сопровождается торможением другого отдела. Эта концепция получила название симпатовагального баланса.

Низкие частоты (Low Frequency – LF): 0.04 – 0.15 Гц.

Физиологическая интерпретация данного показателя неоднозначна. Считается, что на мощность в этом диапазоне частот влияют как изменение тонуса парасимпатического, так и симпатического отделов нервной системы. Некоторые исследователи считают [БИЧ], что низкочастотная составляющая спектра (LF) характеризует, в основном, состояние симпатического отдела вегетативной нервной системы. Согласно другим исследователям, соотношение симпатических и парасимпатических влияний характеризуется с помощью отношения мощностей LF/HF. При этом, при повышении тонуса симпатического отдела данный показатель значительно возрастает, при ваготонии - наоборот. Отмечено значительное увеличение мощности LF при ортостатической пробе, психологическом стрессе, умеренной физической нагрузке у здоровых лиц. Поэтому в последнее время распространена точка зрения, что мощность в диапазоне LF, как и показатель LF/HF, могут служить показателем активности симпатического отдела вегетативной нервной системы.

Очень низкие частоты (Very Low Frequency – VLF): 0,003 – 0, 04 Гц и сверхнизкие частоты (Ultra Low Frequency – ULF) – менее 0,003Гц.

Физиологическое значение данных диапазонов частот не выяснено. Однако существует мнение, что мощность данных диапазонов значительно возрастает при истощении регуляторных систем организма. По мнению многих исследователей спектральная составляющая сердечного ритма в этом диапазоне характеризует активность симпатического отдела вегетативной нервной системы. Однако в данном случае речь идет о более сложных влияниях со стороны надсегментарного уровня регуляции, поскольку амплитуда VLF тесно связана с психоэмоциональным напряжением и функциональным состоянием коры головного мозга. Показано, что VLF отражает церебральные эрготропные влияния на нижележащие уровни и позволяет судить о функциональном состоянии мозга при психогенной и

267

органической патологии мозга [БИЧ]. Высокий по сравнению с нормой уровень VLF можно трактовать как гиперадаптивное состояние; сниженный уровень VLF указывает на энергодефицитное состояние. Мобилизация энергетических и метаболических резервов при функциональных воздействиях может отражаться изменениями мощности спектра в VLFдиапазоне. При увеличении мощности VLF в ответ на нагрузку можно говорить о гиперадаптивной реакции, при ее снижении о постнагрузочном энергодефиците. Несмотря на условный и во многом еще спорный характер подобной интерпретации изменений VLF, она может быть полезной при исследованиях как здоровых людей, так и пациентов с различными состояниями, связанными с нарушением метаболических и энергетических процессов в организме. Таким образом, мощность VLF-колебаний ВСР является чувствительным индикатором управления метаболическими процессами и хорошо отражает энергодефицитные состояния. VLF может использоваться как надежный маркер степени связи автономных (сегментарных) уровней регуляции кровообращения с надсегментарными, в том числе с гипофизарно-гипоталамическим и корковым уровнем. В норме мощность VLF составляет 15-30% суммарной мощности спектра.

Полный спектр частот (Total Power) в диапазоне 0─0,4 Гц. Данный показатель является интегральным и отражает воздействие и симпатического и парасимпатического отделов автономной нервной системы. При этом усиление симпатических воздействии приводит к уменьшению общей мощности спектра, а активация блуждающего нерва (вагуса) приводит к обратному воздействию. Данный показатель эквивалентен среднеквадратичному отклонению и вариационному размаху.

По видимому, постоянное взаимодействие симпатических и парасимпатических влияний происходит на всех уровнях их воздействия на вариабельность сердечного ритма. Действительные отношения между двумя системами сегментарного отдела вегетативной нервной системы достаточно сложны. Их взаимодействие заключается в различной степени активности одного из отделов при изменении активности другого. Это означает, что реальный ритм сердца может временами быть простой суммой симпатической и парасимпатической стимуляции, а временами симпатическая и парасимпатическая стимуляция могут сложно взаимодействовать друг с другом в зависимости от исходного уровня парасимпатической и симпатической активности [Aно], [Вей],[Уде].

Функциональная схема сердечной регуляции представляет собой многоконтурную, иерархически организованную систему, в которой функциональные соотношения между различными звеньями определяется

268

текущими потребностями организма. Наиболее часто предлагается простая двухконтурная модель регуляции сердечного ритма (см. параграф 3.7), в которой система регуляции синусового узла представляется в виде двух взаимосвязанных уровней (контуров): центрального и автономного с прямой и обратной связью. При этом воздействие автономного контура, оказывающего парасимпатическую регуляцию, идентифицируется с дыхательной, а центрального – с недыхательной аритмией (преимущественно с симпатоадреналовыми влияниями). Напомним, что сигнал дыхательной аритмии регистрируется в высокочастотном диапазоне (HF), а с центральным уровнем регуляции связывают вариабельность сердечного ритма в низкочастотном (LF) и сверхнизкочастотном (VLF) диапазонах. Таким образом, в двухконтурной модели регуляции сердечного ритма высокочастотные компоненты HF связываются с модуляциями парасимпатического тона автономного контура, а низкочастотные LF – как с вариациями симпатического сигнала автономного контура, так и влияниями центрального происхождения и VLF c центральными механизмами.

Различные нагрузки на организм, требующие включения в процесс управления сердечным ритмом центрального контура регуляции, ведут к ослаблению дыхательной компоненты синусовой аритмии и к усилению ее недыхательного компонента. Общая закономерность состоит в том, что более высокие уровни управления тормозят активность более низких уровней. При оптимальной регуляции имеет место минимальное участие высших уровней с небольшим вкладом центральных механизмов.

269

Рис. R1. Тахограмма (a) и спектр фурье (e) сердечного ритма в состоянии покоя.

В спектре мощности, изображенном на рис. R1, ярко выражены колебания HF диапазона, что свидетельствует от преобладании парасимпатического влияния на ритмику сердца.

270

Рис. R2. Тахограмма (b) и спектр фурье (f) сердечного ритма при тилт-тесте.

В спектре мощности ярко выражены колебания LF и VLF диапазона, что свидетельствует от преобладании симпатического влияния на ритмику сердца.

271

Рис. R3. Спектральный анализ вариабельности сердечного ритма у больных острым инфарктом миокарда [ТПМБ].

Показатель LF/HF, отражающий суммарную активность вегетативных воздействий на сердечный ритм (см. рис. R3), свидетельствовал о значительном преобладании симпатических влияний в группе больных с острым инфарктом миокарда.

Отметим, что для здоровых людей, активно занимающихся спортом, при интерпретации данных временного анализа динамики ритмов сердца необходимо учитывать, что значительное преобладание парасимпатических влияний на синусовый ритм является для них нормальным явлением. Поэтому, необходима корректировка границ нормы числовых значений статистических показателей при проведении обследования спортсменов.

272