Основы ССХ, пороки (Бокерия Л.А

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИАГНОСТИКИ

ИЛЕЧЕНИЯ НАРУШЕНИЙ КРОВООБРАЩЕНИЯ

В.А. ЛИЩУК

III

Предисловие

«Индивидуальное лечение ни в коей мере не отрицает современного научного средне­ статистического подхода к оценке лекарственных средств и результатов терапии и не по­ вторяет принцип врачебного искусства: "лечить не болезнь, а больного". Напротив, опира­ ется на эти положения и развивает их. Однако самый главный, самый серьезный барьер, который остается непреодолимым, - это представление о том, что индивидуальность мо­ жет быть понята на основе общих, повторяющихся и устойчивых характеристик. Поиск за­ конов (которые и есть устойчивые, повторяющиеся и общие характеристики) - сам по себе очень важный, сегодня - основной стержень науки, главное направление вчерашнего и се­ годняшнего дня. Но как только законы становятся всем, как только они заслоняют от нас весь горизонт, а индивидуальные, неповторяющиеся явления объявляются несуществую­ щими, тогда абсолютизация науки как системы законов становится главным препятстви­ ем нашего продвижения в мир медицинской культуры завтрашнего дня».

Из предисловия В. И. Бураковского к руководству «Компьютерная технология интенсивного лечения: контроль, анализ, диагностика, лечение, обучение».

Введение

Кардиохирургическая интенсивная терапия имеет дело с острыми, тяжелыми расстрой­ ствами кровообращения, такими как шок различной этиологии, острая недостаточность ле­ вого желудочка, кардиогенный отек легких, полиорганная недостаточность и т.п. [20, 21, 26]. Характеристика «острые нарушения» говорит о том, что меры должны быть приняты немед­ ленно в реальном времени. Термин «тяжелые» отражает непосредственную угрозу жизни больного. При тяжелых расстройствах сердечной деятельности врач вынужден взять управ­ ление жизненно важными функциями больного на себя. В ситуации обычной терапии на­ значение лекарств и другие лечебные мероприятия помогают организму справиться с болез­ нью: усиливают функцию, активизируют защитные реакции, повышают иммунитет. Сами функции и их регуляция обеспечиваются организмом самостоятельно в соответствии с теку­ щими потребностями. Врач интенсивной терапии имеет дело с замещением функции (ИВЛ, ИК, гемофильтрация и др.), осуществляет ее регуляцию (обеспечивая необходимые величины сердечного индекса, артериального давления, потребления кислорода и т.п.), полностью оп­ ределяет условия жизни больного во время лечения, допустимые нагрузки и т.п. В прямом

83

РАЗДЕЛ I

смысле берет в свои руки управление жизнедеятельностью организма пациента, причем проводит это управление, это интенсивное лечение on-line в реальном времени. В этом суть интенсивной терапии. Эта суть непосредственно смыкается с основными задачами киберне­ тики, в рамках которой разрабатывается инструментарий интеллектуального обеспечения решений: научные основы адаптации, on-line контроль, управление в реальном времени, те­ ория и инженерные средства взаимодействия технических автоматов и живых организмов.

Вместе с тем нельзя не подчеркнуть, что задача интеллектуального обеспечения состо­ ит не в диагностике вместо врача, а в помощи врачу в той степени, в которой она нужна ему. Для этой цели важно иметь не отрывочные фрагментарные знания по патофизиоло­ гии и методам обеспечения решений (как это допустимо при обучении), а непротиворечи­ вую и целостную систему таких знаний. В лекции, которую автор много лет читает орди­ наторам и аспирантам НЦССХ им. А. Н. Бакулева, излагаются наиболее актуальные фрагменты такой системы.

Актуальные фрагменты патофизиологии (клинической физиологии) сердечно-сосудистой системы

Рассмотрим фрагменты патофизиологии сердечно-сосудистой системы, которые нуж­ ны для изложения темы лекции.

Функция сердечно-сосудистой системы. Основной функцией сердечно-со­ судистой системы (ССС) является доставка крови к тканям и органам. Оценивается следу­ ющими показателями: объемной скоростью крови, перфузирующей ткани (общей или в от­ дельных органах), давлением и/или объемом крови в основных резервуарах (артериальном, венозном, легочном артериальном, легочном венозном) и, если необходи­ мо, то в других органах или сосудистых участках (табл. 1).

* Пример количественных оценок взят из данных реального мониторно-компьютерпого контроля в ран­ нем послеоперационном периоде больного после АКШ и резекции аневризмы левого желудочка.

84

Структура. В соответствии с реальным клиническим контролем в подавляющем большинстве случаев приходится в настоящее время ограничиваться 8-элементной схе­ мой, представленной на рис. 1. Отдельно могут быть приняты во внимание элементы более детальной структуры (коронарный и мозговой кровотоки, функция предсердий, влияние гравитации и т.п. [24]). В конкретной ситуации это бывает полезным. В общем случае не удается, опираясь на реальный контроль, объединить их в целостную систему и включить в конструктивную структуру знаний. На рис. 2 представлена схема ССС, оценку парамет­ ров которой можно выполнить в современном физиологическом эксперименте.

Элементы. При 8-элементном рассмотрении кровообращение представляется од­ ним замкнутым кругом (см. рис. 1), который объединяет следующие элементы (резервуа­ ры): левое сердце, артериальный резервуар, микроциркуляторное ложе, венозный резерву­ ар, правое сердце, легочные артерии, капилляры легких, легочные вены.

Связи между элементами отражают градиенты давлений (между артериальным и ве­ нозным резервуарами, легочной артерией и легочной веной) и объемные скорости крово­ тока (дуги на схеме между элементами представляют соответствующие объемные скоро-

и давлений (подробнее см. раздел «Образы»).

85

РАЗДЕЛ I

сти). При детальном отображении можно учесть саморегуляцию элементов, спинальную, а также гуморальную и центральную регуляцию (см. рис. 2).

Свойства. Функцию кровообращения обеспечивают свойства ее элементов. Контрактильная способность, диастолическая податливость и частота сокращений (ЧСС) ле­ вого и правого желудочков сердца определяют их насосные способности (КЛ и КП), созда­ ют поток и давление крови. Сопротивление и разветвление сосудов, их эластические свойства (ЭВ, ЭА, ЭЛВ, ЭЛА), податливость, вязкие свойства крови вместе с сечением и длиной сосудистого русла создают препятствие кровотоку (ОПС, ОЛС). Эти же свойства обеспечивают возможность управления величиной и распределением потока между орга­ нами и тканями. Функция сердечно-сосудистой системы определяется также объемом циркулирующей крови (ОЦК) (в табл. 2 даны количественные оценки свойств ССС, их раз­ мерности и ориентировочные значения).

оценками свойств и функциями определяются физиологическими соотношениями (зако­ номерностями), в той или иной мере строго установленными для сердечно-сосудистой си­ стемы человека. Например, закон Старлинга устанавливает, что выброс правого сердца при одинаковых всех прочих условиях тем больше, чем больше конечный диастолический объем сердца.

* Пример количественных оценок взят из данных реального мониторно-компьютерного контроля в ран­ нем послеоперационном периоде больного после АКШ и резекции аневризмы левого желудочка.

86

Система закономерностей. Один закон или произвольно выбранный набор закономерностей кровообращения ни в коей мере не определяет функцию сердца и сосу­ дов. Ниже приведен перечень полной и непротиворечивой системы закономерностей, ори­ ентированной на кардиохирургичсскую интенсивную терапию.

-Гетеро- и гомеометрическая зависимости по Н. М. Амосову с соавторами [1,8, 57, 59]. При исследовании собственно сердца (относительно ударного объема и при возможности контроля объемов желудочков) нужно опираться на закон Э. Старлинга (1899, 1911-1918 гг.).

-Закон Пуазейля (1846 г.) для произвольного участка сосудистого русла (часто по аналогии с электрической цепью ссылаются на закон Ома). При исследовании ди­ намики нужно, как правило, учитывать инерционность.

-Модель Франка (1885 г.) для артериального резервуара, адаптированная к про­ извольному эластическому сосудистому участку.

-Баланс объема крови в ССС.

-Закон изменения объема крови в участке (элементе) ССС.

-Саморегуляция тканевого кровотока.

-Гомеостаз кровяного давления.

-Закон Лапласа для представления тонкостенной и толстостенной полостей сердца, в зависимости от детализации.

-Структура рабочего элемента (полоски) мышцы сердца [27].

-Зависимость возбуждения от состояния миокарда [44].

-Сопряжение возбуждения с сокращением [65].

-Соотношение градиента давления и потока через клапаны сердца.

-Условия статики.

Перечень включает закономерности и характеристики кровообращения, общерегуляторные отношения. Жирным шрифтом обозначены характеристики, которые, безус­ ловно, необходимо учитывать при построении 8-элементной модели, ориентированной на кардиохирургическую интенсивную терапию. С использованием этих характерис­ тик и схемы, приведенной на рис. 1, в следующем разделе построена модель кровообра­ щения.

очевидных и глубоко содержательных предположений. Сердце выбрасьгоает тем больше крови в аорту (легочную артерию), чем: а) лучше его насосная способность; б) больше подпор из вен; в) чаще оно сокращается, а при низкой сократительной функции - ниже (в физиологических пределах) давление в аорте и/или легочной артерии (см. рис. 2), т.е. СИ=1Ш»ЛВД=КП»ВД, где КЛ=КП=К(ЧСС, АД, ЛАД). В своей сущности эти зависимости соот­ ветствуют результатам исследований Э. Старлинга, С. И. Сарнова, Е. Н. Зонненблика, II. М. Амосова, К. Сагавы.

87

РАЗДЕЛ I

В клинике отношения СИ(ВД), СИ(АД), СИ(ЛАД) или СИ(ЛВД) соответствуют отмечен­ ным выше экспериментальным статистическим зависимостям только при условии посто­ янства или несущественной вариации инотропиой функции сердца и ЧСС [7].

Если согласиться с тем, что давление заполнения полости желудочка пропорционально конечио-диастолическому объёму, то насосный коэффициент можно принять пропорцио­ нальным фракции изгнания.

Чрезмерное снижение насосной способности сердца (уменьшение КЛ и/или КП) приво­ дит к тому, что увеличение венозного подпора уже не даёт эффекта, а при очень тяжелом состоянии может приводить к уменьшению сердечного выброса. С другой стороны, суще­ ственное снижение венозного подпора не позволяет поднять сердечный индекс путём уве­ личения насосной способности сердца (увеличением К), например, с помощью кардиотоников. При венозном давлении, близком к нулю, стимуляция сердца может давать отрицательный эффект, увеличивая нагрузку но не увеличивая сердечный выброс. Этими условиями определяются границы линейной интерпретации экспериментов Э. Старлинга [1]. При необходимости более детальных исследований (например динамики) закон Стар­ линга должен быть, в соответствии с результатами Н. М. Амосова [57, 59, 60], дополнен ди­ намическими отношениями.

Все сказанное относится как к левому, так и к правому желудочкам, но количественные оценки будут иными. В некоторых ситуациях в модели правого или левого сердца прихо­ дится вносить структурные изменения. Например, при анализе состояния больных после операции Фонтена, при значительной гипертонии, аритмии и т.п. Однако и в этих состоя­ ниях качественные характеристики влияния венозного подпора, артериального давления и частоты на работу сердца сохраняются.

Перейдём теперь к рассмотрению артериального резервуара. Давление в артериаль­ ном резервуаре отвечает представлениям, развитым О. Франком (1895 г.) и усовершенст­ вованным многими исследователями, например X. Р. Уорнером [63]. Будем считать, в со­ гласии с этими представлениями, что АД тем выше, чем меньше эластичность

артериального резервуара и чем больше объём (VA) растягивающей резервуар крови:

^(t)=[VA(t)-UA]/3A. UA - объём крови, заполняющий, но не растягивающий сосуды арте­ риального резервуара.

Нелинейные отношения и динамические составляющие могут быть учтены, если того требует задача. Это было сделано многими авторами [24, 40, 54, 66]. На рис. 1 величина ар­ териального давления соответствует расстоянию от центра к кругу, отображающему арте­ риальный резервуар. Состояние артериального резервуара (размер кружка на схеме) опре­ деляется эластичностью (ЭА). Эластичность определяется линейными, а при необходимости учесть нелинейность - экспоненциальными либо логистическими отноше­ ниями между давлением и объёмом. Прежде чем рассмотреть следующую подсистему (пе­ риферические сосуды), отметим, что аналогично артериальному описываются и отображаются венозный, лёгочный артериальный и лёгочный венозный резервуары. Роль нелинейности особенно существенна для венозного резервуара, и адекватность линейных отношений здесь должна тщательно контролироваться.

Перейдем к периферическому сосудистому руслу. Представления о прямой зависимо­

сти минутного объема крови (МОК) от разности между артериальным (АД) и веноз­ ным (ВД) давлениями и об обратной пропорциональности дренирующего ткани кро­ вотока (из артерий в вены) величине общего периферического сопротивления (ОПС) давно используются в клинике: МОК = (АД - ВД)/ОПС. Почти так же часто использу­ ют величину общелёгочного сопротивления: МОК = (ЛАД - ЛВД)/ОЛС для характери­ стики сопротивления кровотоку капиллярной системы лёгких. На схеме рис. 1 радиу­ сы соответствующих кружков (расположены сверху и снизу вертикального диаметра)

88

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ СЕРДЕЧНОСОСУДИСТОЙ ХИРУРГИИ

характеризуют величины сопротивлений. Радиусы, составляющие вертикальный диа­ метр, отражают кровоток, дренирующий капилляры большого круга и лёгких.

Мы рассмотрели соотношения оценок функции и свойств для всех восьми подсистем

ССС. Каждая из них описана крайне упрощённо. По сути, дана лишь качественно верная характеристика процесса. Однако это описание имеет то преимущество, что относительно функции кровообращения в нём учтены все составляющие систему элементы и отноше­ ния. Это преимущество имеет для нашей задачи решающее значение перед детальными, но не системными исследованиями.

Чтобы получить замкнутую (полную) систему, учтём уравнение, относящееся ко всем восьми элементам. Объём циркулирующей крови (V) равен сумме объёмов всех резер­ вуаров: артериального (VA), венозного (VB), лёгочного артериального (VJIA) и лёгочного ве­ нозного (VJIB): V = VA + VB + VJIA + VJ1B. Дополнительно нужно учитывать кровопотерю, крововосполнение, обмен жидкостью сосудистой системы с интерстицием и диурез. В клинической практике принято учитывать вес и площадь поверхности тела больного. Для этого МОК и оценки свойств относят к поверхности тела (S) (см. табл. 1, 2). Поверхность тела принято вы­ числять исходя из роста (Н) и веса (W) больного, по формуле S = 0,007124 • W0 4 2 5 • Н 0 7 2 3 [50].

«Вычисляемые показатели, индивидуализация»).

Здесь дан окончательный вид математического описания для 8-элементной модели ста­ тики ССС:

CH = B.V.S-i.A-i,

АД = В • V • S-i • A-i • (КП-1 + ОПС), ВД=В.У.8-1 .А-1.КП-1 , ЛВД = В.У.8-1.А-1.КЛ1 ,

ЛАД = В • V • S-i • A-i • (КЛ-1 + ОЛС),

А= ЭА • ОПС + ЭВ • КП1 + ЭЛВ • КЛ1 + ЭЛА • ОЛС + ЭЛА • КЛ-i + ЭА • КПЛ

В- коэффициент размерности. В зависимости от доступного контроля модель может быть упрощена или расширена до любого количества элементов. Ниже приведено такое общее описание ССС:

V = RT . [Е • (V-U)+T+G]+Qo, V- производная

Р=Е. (V-U)+T+G

Q=n.RRT.n,

жирным шрифтом обозначены матрицы V, R, E, U, Т, G, Q, соответственно, объемов, проводимостей, эластичностей, ненапряженных объемов, тканевых давлений, сил тяжес­ ти и кровотоков; Р, Q0 - n-мерпые столбцы давлений и кровопотерь (восполнений); П = diag

| P l t . . . , Pn] - матрица nxn.

При необходимости могут быть использованы математические описания общих регуляторных отношений, детальной кардиодинамики и легких (например [24]).

Взаимоотношения функции и свойств. Оценки общепериферического и об­ щелёгочного сосудистых сопротивлений, насосных коэффициентов левого и правого серд­ ца могут быть вычислены из измеряемых величин, характеризующих функцию ССС по принятым формулам (табл. 3).

89

РАЗДЕЛ I

Здесь: с - систола, д - диастола, S - поверхность тела, Н - рост и W - вес больного, В - коэффициент раз­ мерности.

Первые приближения значений эластичности также можно высчитать по формулам, (табл. 3, пункты 6-9), отражающим линейную интерпретацию закона Гука для эластичес­ кого резервуара, предложенного О. Франком в 1895 г. Это описание используют многие ав­ торы [36, 37, 39, 62].

Для уточнения оценок свойств мы используем метод оптимизации невязки измеряемых и получаемых по модели показателей функции кровообращения. При этом КЛ, КП, ОПС и ОЛС выбирают в пределах погрешности измерения, а ЭА, ЭВ, ЭЛА, ЭЛВ и ОЦК - ищут в пределах ошибки среднего. В целом невязка будет определяться функционалом

90

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ СЕРДЕЧНОСОСУДИСТОЙ ХИРУРГИИ

Для оптимизации используются методы n-мерной решётки, приведённого градиента, Ньютона и Симплекс-метод (наша технология позволяет использовать по выбору любой из них либо применять последовательно, используя диалог с ЭВМ).

При возможности гиповолемии или дилатации емкостных сосудов можно, опираясь на гемогидробалапс, выяснить вклад нарушения тонуса венозной системы и кровопотери в изменение величины эластичности вен, т.е. разделить истинно волемическую и сосудис­ тую гиповолемию. Для тех ситуаций, когда количественные оценки имеют решающее зна­ чение, подбор эластичностей и оценок ОЦК может быть выполнен на основе более адекват­ ного описания сосудистых резервуаров, а также дополнительной оптимизации оценок параметров [32, 47, 54, 55]. В процессе диагностики нужно учитывать не только индивиду­ альные количественные оценки и их системы, но, в первую очередь, непосредственный клинический опыт, как и обобщенные статистические показатели.

Воздействия. Измеряемые показатели зависят не только от состояния контролируе­ мой системы организма, но и от тех воздействий, которые приложены извне и изнутри. К ним относятся крововосполнение и кровопотеря, действие лекарственных препаратов, анестезия, ИК, ИВЛ, операционная травма, внутрипищеводная эхография, контрпульса­ ция, санация легких, изменение состава крови, аллергены, почечная и дыхательная недо­ статочность, гипотермия, кардиоплегия и др.

Процессы в смежных системах организма. Особо должны быть выявлены и уч­ тены физиологические реакции и патологические процессы в смежных подсистемах: дыха­ ния, ЦНС, гормональной системе, системе крови, почках, системе терморегуляции, иммун­ ной и др. Фундаментальное решение состоит в использовании математических моделей этих систем. Сейчас такие модели созданы для дыхания, терморегуляции и, частично, для цент­ ральной и гормональной регуляции сердечно-сосудистой системы. Однако комплексное ис­ следование этих систем пока ограничено (см. работы Цховребова С. В., Потёмкиной Н. С, Газизовой В. Ш., Амосова Н. М.). При невозможности использования моделей нужно учитывать те влияния, которые оказывают смежные системы на непосредственно исследуемые.

Возмущения и помехи (дыхание, аритмия, положение тела, судороги, спазмы, из­ мерительные помехи, неопределённости времени, обработки и фильтрации). Желательно, чтобы они не допускались (например, не допускать тромбирования катетеров, ухудшения контакта электродов с кожей, измерения во время изменения положения тела и т.п.). Если это не удаётся, то помехи, возникшие во время измерений, необходимо указывать (фикси­ ровать изменения положения тела, влияние дыхания и волн третьего порядка на гемоди­ намику и т.п.). Затем измерения, производимые во время возмущающих воздействий, учи­ тывать (исключать) при определении показателей, характеризующих норму.

Клинико-математическая классификация нарушений кровообращения.

При классификации остроразвивающихся процессов необходимо учитывать скорость, тя­ жесть, причинно-следственные связи, степень компенсации, а также прогноз [6]. Для реше­ ния этих задач предложены и используются классификации Стражеско-Василенко-Ланге (1926-1940 гг.), классификация Нью-Йоркской ассоциации кардиологов (1973 г.), алгоритм Д. Кирклина (1970 г.), клиническая классификация острой недостаточности кровообраще­ ния после операций на сердце В. И. Бураковского (1967 г.), классификация послеоперацион­ ной недостаточности кровообращения Р. Н. Лебедевой (1979 г.), подразделение острых состо­ яний больных после операций на сердце М. В. Бреймбриджа (1981 г.), подразделение острой сердечной недостаточности Г. М. Соловьева (1982 г.) и др. Само количество их показывает от­ сутствие конструктивного принципа выделения классов и форм нарушения кровообраще­ ния. Главные недостатки предложенных на сегодня классификаций состоят в следующем:

-неполнота выделяемых классов:

-наличие области пересечения между ними и, как следствие, противоречивость;

91

РАЗДЕЛ I

- отсутствие различия между базисными классами и их сочетаниями.

Разработанная в НЦССХ обобщающая уже известные клинико-математическая класси­ фикация непротиворечива и полна относительно системы законов кровообращения. Каж­ дый вид базисных нарушений соответствует такому свойству сердечно-сосудистой систе­ мы, изменение которого внесло наибольший вклад в нарушение функции (рис. 3).

Классификация выделяет три наиболее крупные независимые причины патологичес­ ких изменений в ССС:

-нарушения сердечной деятельности;

-изменение состояния сосудов;

-изменение состава и количества крови.

Внутри этих классов имеет место видовое подразделение причин нарушений кровооб­ ращения. Нарушения, обусловленные недостаточностью сердца, подразделяются на лево- и правожелудочковые. Количественной мерой является насосная способность.

Патологические изменения эластичности артериального резервуара, легочных артерий, а также венозного ложа большого круга кровообращения и легочных вен обуславливают развитие нарушений кровообращения сосудистого генеза (оценивается эластичностью).

Изменение сопротивления сосудистого русла большого и малого кругов кровообраще­ ния, как и изменение эластичности, определяет нарушения сосудистого генеза. Эти нару­ шения оцениваются соответственно общим периферическим и общим легочным сопро­ тивлением (см. рис. 3).

Рис. 3. Классификация острых нарушений кровообращения.

Каждому базисному виду нарушений соответствует одно его обуславливающее свойство ССС.

92