СТАТИСТИЧЕСКИМ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ СИНХРОНИЗАЦИИ КОНТУРОВ РЕГУЛЯЦИИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ В ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБАХ С ДЫХАНИЕМ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Полный текст

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].

Об авторах

Е И Боровкова

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»

Email: rubanei@mail.ru
ассистент кафедры динамического моделирования и биомедицинской инженерии ФГБОУ ВО «СГУ им. Н.Г. Чернышевского».

Э А Манафова

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»

Email: manafova_1996@mail.ru
магистрант кафедры динамического моделирования и биомедицинской инженерии ФГБОУ ВО «СГУ им. Н.Г. Чернышевского».

А А Зазуля

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»

магистрант кафедры динамического моделирования и биомедицинской инженерии ФГБОУ ВО «СГУ им. Н.Г. Чернышевского».

А С Караваев

Саратовский филиал ФГБУН ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН

Email: karavaevas@gmail.com
к.ф-м.н, старший научный сотрудник Саратовского филиала ФГБУН ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН; доцент кафедры динамического моделирования и биомедицинской инженерии ФГБОУ ВО «СГУ имени Н.Г.Чернышевского».

А Р Киселев

ФГБОУ ВО «Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского» Минздрава России

Email: kiselev@cardio-it.ru
д.м.н., ведущий научный сотрудник отдела продвижения новых кардиологических информационных технологий НИИ кардиологии ФГБОУ ВО «Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского»; профессор кафедры динамического моделирования и биомедицинской инженерии ФГБОУ ВО «СГУ имени Н.Г. Чернышевского».

Список литературы

Дополнительные файлы