STATISTICAL ANALYSIS OF THE RESULTS OF SYNCHRONIZATION OF THE CONTOURS OF AUTONOMIC CONTROL OF CARDIOVASCULAR SYSTEM DURING THE FUNCTIONAL TEST WITH BREATHING OF VARIABLE FREQUENCY

Full Text

ВВЕДЕНИЕ Изучению индивидуальной динамики низкочастотных контуров регуляции частоты сердечных сокращений (СРЧСС) и барорефлекторного контроля тонуса артериальных сосудов (СКТА) уделяется значительное внимание в силу их значимости для развития современной медицинской диагностики [1-4]. В частности, показано, что колебания с частотой, близкой к 0.1 Гц, обнаруживаемые при анализе КИГ и ФПГ, играют важ- ную роль в системе вегетативного управления сердечнососудистой системы (ССС) и имеют существенные различия у здоровых людей и у людей с заболеваниями сердца и сосудов [1-4]. На основании экспериментальных результатов, представленных в работах [5, 6], также априори известно, что процесс дыхания воздействует как на СРЧСС, так и на СКТА. Однако вопрос о характере индивидуальной динамики этих контуров и особенностях их взаимодействия остается открытым. Наиболее распространенной гипотезой является представление о том, что СКТА является автоколебательной системой, динамика которой может наблюдаться в сигналах СРЧСС, которая лишь демонстрирует пассивный отклик на активность СКТА [7-10]. Следуя таким представлениям, коллеги ранее получили результаты, свидетельствующие о том, что ритм с характерной частотой около 0.1 Гц, выделяемой из сигнала СРЧСС, может быть синхронизован по фазе и частоте сигналом дыхания, частота которого меняется по линейному закону [5, 6]. Однако ряд экспериментальных результатов свидетельствует о том, что СРЧСС демонстрирует колебания в случае фармакологической или механической изоляции от СКТА [11]. Для сопоставления этих гипотез особенности индивидуальной динамики СРЧСС и СКТА исследуются в условиях проведения активного эксперимента. В работе представлены результаты статистического анализа синхронизации дыханием низкочастотных Рисунок 1. Результаты диагностики синхронизованности в ходе обработки записей испытуемого А. Левый столбец - результаты применения методов диагностики синхронизованности для сигнала КИГ, правый - для ФПГ. (а, б) - диаграммы частотного захвата. Значения, лежащие вблизи линии изменения частоты внешнего сигнала (диагональная пунктирная линия), соответствуют синхронному поведению. Точечными вертикальными пунктирными линиями отмечены границы частотного захвата; (в, г) - значения коэффициента фазовой когерентности, рассчитанного в скользящих окнах. Горизонтальные пунктирные линии отмечают полные 95%-е уровни значимости, рассчитанные с помощью суррогатных данных: длинный пунктир - путем случайной перестановки кусков временных реализаций, короткий пунктир - путем случайного выбора пар сигналов от разных испытуемых. Таким образом, значения, превышающие эту линию, с вероятностью 0.95 указывают на наличие значимой синхронизации; (д, е) - динамика разности фаз на временных масштабах, соответствующих частоте дыхания. Линейное изменение разности фаз на п указывает на фазовую синхронизацию. СРЧСС и СКТА в активном эксперименте по экспериментальным временным рядам фотоплетизмограммы (ФПГ), кардиоинтерваллограммы (КИГ) и дыхания. ■ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Объект исследования Осуществлялась одновременная регистрация сигналов ЭКГ, ФПГ и сигнала дыхания в ходе функциональной пробы с дыханием, линейно меняющимся по частоте. Специально разработанная программа обеспечивала генерацию звуковых сигналов, частота следования которых нарастала по линейному закону от 0.05 Гц до 0.25 Гц в течение 25 минут. По каждому звуковому сигналу испытуемый осуществлял форсированный вдох, выдох осуществлялся произвольно. Были зарегистрированы записи 25 добровольцев без признаков сердечной патологии со средним уровнем физической активности (6 женщин и 19 мужчин) в возрасте от 18 до 32 лет. Средний возраст составил 22 года. Одновременная регистрация сигналов ЭКГ, ФПГ и дыхания проводилась с частотой дискретизации 250 Гц при 14-разрядном разрешении с полосой пропускания 0.05-100 Гц стандартным сертифицированным прибором-регистратором ЭЭГА-21/26 «Энцефалан-131-03». Запись ФПГ, характеризующая колебания кровенаполнения сосудов, осуществлялась при помощи инфракрасного пульсоксиметрического датчика отраженного света, помещенного на дистальной фаланге указательного пальца. Запись ЭКГ регистрировалась в II стандартном отведении по Эйнтховену. Сигнал дыхания регистрировался стандартным ороназальным датчиком. Методы обработки данных Диагностика синхронизации проводилась с помощью известных методов, основанных на расчете диаграмм частотного захвата fjf), рассчитываемых с помощью оценки в скользящих окнах Фурье-спектров мощности [4]. Ширина скользящего окна выбиралась равной 10 характерным периодам, сдвиг - 5 характерным периодам. Также проводился расчет широко используемого коэффициента фазовой когерентности y, основанного на оценке первой фурье-моды распределения свернутой разности мгновенных фаз [12]. Кроме того, использовался перспективный метод, основанный на вейвлет-анализе Дф, который развивается в статьях [5, 6]. Выделение ритмов исследуемых систем и их мгновенных фаз осуществлялось в соответствии с методическими рекомендациями [13] и с использованием подходов, развиваемых в работах [1]. Для всех статистических тестов использовали уровень значимости p=0.05 [14]. ■ РЕЗУЛЬТАТЫ На рисунке 1 представлены результаты диагностики синхронизованности на примере испытуемого А. Из рисунка 1 (а, б) видно, что метод ff позволил идентифицировать синхронизацию СРЧСС на частотах 0.07-0.14 Гц, СКТА на частотах 0.08-0.12 Гц, 0.14 0.19 Гц. Рисунок 2. Результаты статистического анализа длительностей участков частотного и фазового захвата. (а, б, точки) - разности суммарной длительности интервалов синхронизации дыханием КИГ и ФПГ для всех испытуемых, оцененные с помощью методов fx(f) и y соответственно; (короткий пунктир) - среднее значение; (длинный пунктир) - удвоенное стандартное отклонение. Метод оценки позволил идентифицировать фазовый захват СРЧСС на частотах 0.08-0.21 Гц, 0.22-0.24 Гц (рис. 1(в)) и СКТА на частотах 0.08-0.10 Гц, 0.14-0.18 Гц, N d1> с d1> с А 340 439 Б 520 587 В 1260 540 Г 383 248 Д 405 162 Е 405 450 Ё 315 423 Ж 470 - З 562 473 И 675 472 К - - Л 383 247 М 990 584 Н - - О - - П - - Р - - С 383 135 Т - - У 337 248 Ф 293 243 К 600 500 Ц 320 720 Ч 550 600 Ш 650 600 Таблица 1. Результаты диагностики синхронизованности для 25 исследованных испытуемых 0.20-0.21 Гц (рис. 1(г)). Количественный анализ результатов включал исследование длительностей интервалов, на которых был диагностирован захват фаз и частот методами ff и у . Вейвлет-анализ использовался для качественного сопоставления результатов. На панели 1 (е) наблюдается участок линейного падения разности фаз, соответствующий области фазового захвата, согласно работам [5, 6]. На панели 1 (д) такой участок не выявлен. В Таблице 1 приведены суммарные длительности интервалов синхронизации, выявленные с помощью методов ff и у, d1 соответствует захвату СРЧСС, d2 - СКТА. Из таблицы 1 видно, что при анализе ff 14 записей продемонстрировали более длинные интервалы синхронизации в КИГ и 11 в ФПГ, а при использовании метода с контролем значимости соотношение составило 13 и 6 записей соответственно (при этом результаты для 7 записей оказались незначимы). Для статистического анализа полученных результатов были оценены разности длин интервалов синхронизации Дd=d1-d2. Результаты представлены на рисунке 2. Горизонтальные пунктирные линии отмечают удвоенное стандартное отклонение. Видно, что для обоих методов наблюдаются ситуации, когда Ad превышает удвоенное стандартное отклонение. В предположении нормальности распределения величин Ad эти отклонения не могут быть объяснены случайными флуктуациями. Качественная оценка фазового захвата с помощью расчета Аф дает следующие результаты. По 3 записям можно сделать вывод о том, что ширина интервала захвата в СРЧСС шире, чем в СКТА, в 3 записях длительность участков была одинакова. В остальных случаях диагностировать интервалы синхронизации одновременно в СРЧСС и СКТА не удалось. ■ ОБСУЖДЕНИЕ В ходе анализа таких экспериментальных сигналов впервые выявлены длительные интервалы захвата сигналом дыхания частоты и фазы сигналов СКТА, выде ляемых из пальцевой ФПГ. Длительность таких интервалов составила от 20 до 840 секунд (среднее значение и стандартное отклонение: 428+193 секунд). Качественный и количественный анализы показали, что интервалы синхронизации СРЧСС и СКТА смещены относительно друг друга во времени и в ряде случаев длительность таких интервалов для СРЧСС значимо превышает таковую для СКТА. Такие результаты не могут быть объяснены в рамках гипотезы о том, что ритмы с характерными частотами около 0.1 Гц, наблюдаемые в сигналах СРЧСС, являются пассивным проведением сигналов автоколебательной СКТА. Это свидетельствует в пользу гипотезы о том, что СРЧСС и СКТА могут рассматриваться как независимые взаимодействующие автогенераторы, каждый из которых находится под воздействием процесса дыхания. Это подкрепляет результаты ряда известных экспериментальных исследований [11].

About the authors

EI I Borovkova

Saratov State University

Email: rubanei@mail.ru
assistant at the Department of Dynamical Modeling and Biomedical Engineering of Faculty of Nano-and Biomedical technologies Faculty of Nano- and Biomedical Technology of Saratov State University, 83 Astrakhanskaya st., Saratov, Russia, 410012

EA A Manafova

Saratov State University

Email: manafova_1996@mail.ru
Master’s degree student at the Department of Dynamical Modeling and Biomedical Engineering of Faculty of Nano- and Biomedical technologies Faculty of Nano- and Biomedical Technology of Saratov State University, 83 Astrakhanskaya st., Saratov, Russia, 410012

AA A Zazulya

Saratov State University

Master’s degree student at the Department of Dynamical Modeling and Biomedical Engineering of Faculty of Nano- and Biomedical technologies Faculty of Nano- and Biomedical Technology of Saratov State University, 83 Astrakhanskaya st., Saratov, Russia, 410012

AS S Karavaev

Saratov branch of V.A. Kotel’nikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS

Email: karavaevas@gmail.com
PhD, senior researcher, Saratov branch of Institute of Radioengineering and Electronics of RAS; associate professor of the Department of Dynamical Modeling and Biomedical Engineering of Faculty of Nano-and Biomedical technologies Faculty of Nano- and Biomedical Technology of Saratov State University, 83 Astrakhanskaya st., Saratov, Russia, 410012

AR R Kiselev

Saratov Research Institute of Cardiology

Email: kiselev@cardio-it.ru
PhD, associate professor of Saratov Research Institute of Cardiology; professor of the Department of Dynamical Modeling and Biomedical Engineering of Faculty of Nano- and Biomedical technologies Faculty of Nano- and Biomedical Technology of Saratov State University, 83 Astrakhanskaya st., Saratov, Russia, 410012

References

Supplementary files