Способ оценки функционального состояния человека на основе анализа вариабельности ритма сердца и вариабельности длительности дыхательного цикла - RU2195163C2

Чертежи

Показать все 13 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к медицинской технике, используемой при анализе состояния вегетативного баланса и функционального состояния организма человека.

Известен способ определения вегетативного тонуса /1/, заключающийся в определении вариабельности сердечного ритма и определении корреляционной связи этого показателя с показателями дыхательного цикла - длительностью вдоха и длительностью выдоха. Предложено использование показателей дыхательного цикла при оценке состояния тонуса вегетативной нервной системы в случаях, когда кардиоинтервалография не осуществима вследствие нарушений сердечного ритма. Данный способ не позволяет диагностировать десинхронизацию дыхательного и сосудодвигательного центров вегетативной нервной системы.

Известен способ оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы /2/, основанный на выделении RR-интервала, проведении спектрального анализа его огибающей, выделении в ней сердечной, легочной, сосудистой, метаболической системы и расчета показателя "количество информации", по величине которого судят о состоянии обратной связи регулятивных процессов.

Данный способ оценки состояния систем организма, выполняя свои основные функции, не лишен некоторых недостатков. Во-первых, при оценке легочной составляющей спектра огибающей используются косвенные (рассчитанные по спектральной плотности огибающей RR-интервала), а не фактически существующие показатели длительности дыхательного цикла. Во-вторых, применение способа связано с проведением сложных математических расчетов предложенного авторами математического показателя "количество информации".

Известен способ оценки мощности колебаний частоты сердцебиений /3/, который предложен для оценки влияния дыхания на изменчивость показателей электрокардиограммы (ЭКГ). Способ заключается в построении RR-интервалограммы, QRS-амплитудограммы, расчете спектров мощности, определении частоты дыхания, частоты сердечных сокращений и в корректировке результатов ЭКГ в найденных частотах, соответствующих дыхательным колебаниям частоты сердечных сокращений.

К недостаткам данного способа можно отнести определение параметров дыхательного цикла косвенным образом, достаточно громоздкую математическую обработку результатов испытаний, сложность интерпретации математических выкладок.

Наиболее близким к предлагаемому является способ оценки критерия эмоционального стресса /4/, основанный на одновременной регистрации частоты дыхания и частоты сердечных сокращений, определении коэффициента корреляции частоты сердцебиений и дыхания, по высокой величине которого судят о возможности возникновения стрессовых ситуаций при освоении новой специальности.

Предложенный в качестве прототипа способ использует связь между частотой сердечных сокращений и частотой дыхания, но не позволяет интерпретировать низкие величины коэффициента корреляции. При определении коэффициента корреляции учитываются и низко- и высокочастотные составляющие дыхательного цикла, что снижает достоверность результатов. Кроме того, определение коэффициентов корреляции требует предварительного подтверждения нормальности распределения обеих выборок, проведения расчета доверительных интервалов коэффициента корреляции и доказательства стационарности и эргодичности процессов, что для конечного и краткого времени обследования каждого пациента практически невозможно. Выбранный в качестве прототипа способ базируется на определении спектральных показателей в жестко заданных диапазонах высокочастотных (HF), низкочастотных (LF) и других (например, очень низкочастотных - VLF) колебаний сердечных сокращений. При этом многие количественные оценки, по которым производят диагностику, напрямую зависят от границ выбранных диапазонов и не учитывают индивидуальных особенностей паттерна дыхания каждого пациента, что может привести к ошибочным выводам.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в сокращении и упрощении процесса диагностики, обеспечении наглядности результатов, исключении из последовательности операций сложных математических расчетов коэффициентов корреляции и их значимости. Кроме того, использование предлагаемого способа позволяет уточнить границы между диапазонами высокочастотных и низкочастотных колебаний RR-интервалов и на этой основе достовернее определить спектральные мощности в каждом диапазоне с последующим уточнением влияния парасимпатического отдела вегетативной нервной системы на модуляцию сердечного ритма, диагностировать десинхронизацию дыхательного и сосудодвигательного центров вегетативной нервной системы, а при изменении паттерна дыхания (гистограмма длительности дыхательного цикла полимодального типа) и одновременном повышении мощности низкочастотной компоненты диагностировать состояние психоэмоционального напряжения.

Такой результат достигается тем, что способ оценки функционального состояния человека на основе анализа вариабельности ритма сердца и вариабельности длительности дыхательного цикла, включающий одновременную синхронную запись ЭКГ и пневмограммы, определение спектрограммы RR- интервалов, гистограммы длительности дыхательных циклов, дополняют тем, что осуществляют расчет и индикацию моды гистограммы длительности дыхательных циклов, на которую графически накладывают спектрограмму высокочастотной компоненты ритма сердца, и визуально по положению моды частоты дыхания относительно наиболее выраженного пика мощности высокочастотной компоненты ритма сердца судят о состоянии пациента, причем, если сдвиг пика максимальной мощности спектра в область низких частот сопровождается сдвигом в эту же область моды частоты дыхания, устанавливают границу низкочастотной компоненты сердечного ритма по левому краю моды частоты дыхания и пересчитывают вклад парасимпатического отдела вегетативной нервной системы в модуляцию сердечного ритма, если пик максимальной мощности высокочастотной компоненты ритма сердца отличается по частоте от моды частоты дыхания более чем на 0,06 Гц, диагностируют десинхронизацию дыхательного и сосудодвигательного центров вегетативной нервной системы, если же повышение мощности низкочастотной компоненты сопровождается изменением паттерна дыхания, диагностируют наличие у пациента состояния психоэмоционального напряжения.

На фиг. 1 изображена блок-схема прибора для осуществления предложенного способа. Для фиг.1 введены следующие обозначения: 1-4 R, L, F, N - датчики отведения на руках и ногах пациента соответственно; 5 - термодатчик, установленный у носовых отверстий для регистрации дыхательного цикла; 6 - усилители биопотенциалов; 7 - усилитель сигнала дыхательного цикла; 8 - активные фильтры по числу датчиков системы; 9 - аналоговый мультиплексор; 10 - аналого-цифровой преобразователь; 11 - устройство регистрации, обработки и индикации результатов (персональный компьютер). На фиг.2-7 представлены результаты исследований вариабельности ритма сердца и вариабельности длительности дыхательного цикла у пациентов, где изображены спектрограммы расшифровки записи ЭКГ с выделением высокочастотной (HF) компоненты вариабельности ритма сердца (левая ось, сплошные тонкие линии) и вариабельности длительности дыхательного цикла (правая ось, столбчатые диаграммы). На этих же фигурах приведены количественные оценки спектрального анализа спектрограммы:
- ТР - общая мощность спектра (мс^∧2);
- LF - мощность спектра в диапазоне низких частот (мс^∧2);
- HF - мощность спектра в диапазоне высоких частот (мс^∧2);
- VLF - мощность спектра в диапазоне очень низких частот (мс^∧2);
- LF/HF соотношение мощностей низких и высоких частот (относительные единицы).

На фиг.8-11 приведены результаты расшифровки спектрограммы ЭКГ и записи длительности дыхательного цикла для нескольких характерных примеров. На этих фигурах введены следующие обозначения: компоненты вариабельности ритма сердца изображены тонкими линиями, количественные значения указаны на левой оси; показатели вариабельности длительности дыхательного цикла изображены столбчатыми диаграммами, количественные оценки указаны на правой оси. На фиг. 12, 13 приведены результаты обработки спектрограммы ЭКГ для одного из примеров.

Способ осуществляют следующим образом. Производится одновременная синхронная запись ЭКГ, снимаемой от датчиков с первого по четвертый по стандартной методике, и пневмограммы от термодатчика 5 в течение 5 мин. Затем строится спектрограмма RR- интервалов, на которую накладывается гистограмма длительности дыхательных циклов. Производится расчет моды гистограммы длительности дыхательных циклов. Результаты расчетов выводятся на экран видеомонитора персонального компьютера 11. Визуально сравнивается мода гистограммы длительности дыхательных циклов и наиболее выраженный пик спектрограммы в области высокочастотной компоненты.

При проведении пробы с глубоким управляемым дыханием (6 дыхательных движений в 1 мин) обычно получают картину, представленную на фиг.2. В данной ситуации принудительно заданная частота дыхания 0,1 Гц "сдвинула" HF компоненту в область низких частот и, следовательно, функциональное состояние не может рассматриваться как гиперсимпатикотония.

Совместный синхронный анализ записи пневмограммы и ЭКГ позволяет правильно оценить показатели спектрограммы. Так, на фиг.3 представлен случай совпадения частоты дыхания 0,13-0,15 Гц и максимальной мощности спектра в этой же зоне. Это позволяет утверждать, что истинное состояние баланса отделов вегетативной нервной системы у пациента характеризуется более выраженной парасиматикотонией по сравнению с выводами, полученными при формальном анализе только результатов спектрограммы.

Анализ фиг.4, на которой приведены данные исследования другого пациента с аналогичной по форме спектрограммой, позволяет сделать вывод о том, что частота дыхания по пневмограмме в 0,35 Гц не оказывает влияние на значительный сдвиг максимальной мощности спектра в область 0,15 Гц, а значит, нет основания считать, что данный сдвиг обусловлен парасимпатическими влияниями.

Кроме этого совместная оценка вариабельности ритма сердца и вариабельности длительности дыхательного цикла позволяет диагностировать состояние пациентов в конкретных клинических ситуациях.

Так, при выраженной парасимпатикотонии у больной с вертеброгенным шейным радикулитом частотный диапазон частоты дыхания, подсчитанный по пневмограмме (0,34 Гц), совпадает с основным пиком спектрограммы, лежащим в диапазоне высокочастотных колебаний (фиг.5). В тоже время у больного с дисциркуляторной энцефалопатией смешанного (посттравматического и алкогольного) генеза (фиг. 6) наблюдается несовпадание пика частоты дыхания и максимального пика в диапазоне высоких частот (разница около 0,1 Гц). Очевидно, что в первом случае парасимпатикотония вызвана вертеброгенными влияниями и не затронула синхронную деятельность дыхательного и сосудодвигательного центра. Во втором случае имеет место десинхронизация в работе обоих вегетативных центров, что привело к расхождению между пиком вариабельности длительности дыхательного цикла и максимальной выраженностью высокочастотной компоненты спектрограммы.

У больных с выраженными психоэмоциональными сдвигами вообще не удается выявить доминирующий пик в диапазоне высоких частот, одновременно наблюдается выраженное преобладание низкочастотной компоненты. Характерным примером является гистограмма дыхания полимодального типа, которая отражает измененный паттерн дыхания и отчетливо выраженную десинхронизацию в работе дыхательного и сосудодвигательного центров (фиг.7). Тем самым сочетание повышения спектральной мощности низкочастотной компоненты сердечного ритма (гиперсимпатикотония) и изменение паттерна дыхания (полимодальный тип гистограммы длительности дыхательного цикла) имеет самостоятельное значение и может быть использовано при диагностике психоэмоционального напряжения.

Пример 1
Пациент С. , 52 года. Диагноз при направлении: остеохондроз. Спектрограмма (фоновая запись) и наложенные на нее результаты обработки гистограммы приведены на фиг.8. Показатели спектрального анализа:
ТР, мс^∧2 - 10582
VLF, мс^∧2 - 564
Lf, мс^∧2 - 3125
HF, мс^∧2 - 6895
LF/HF - 0,45
Общая мощность спектра нейрогуморальной модуляции - очень высокая. Состояние нейро-гуморальной регуляции - развитая, при высоком уровне вагальных и симпатических влияний в модуляции сердечного ритма. Баланс отделов вегетативной нервной системы характеризуется преобладанием активности парасимпатического отдела вегетативной нервной системы. Однако основная часть спектра находится на границе HF и LF диапазона (0,15 Гц). В этом случае затруднительно определить истинную мощность спектра как в диапазоне высокочастотных колебаний, отражающих парасимпатические влияния (HF-компонента), так и в области низкочастотных колебаний (LF-компонента или симпатическая активность). При наложении гистограммы вариабельности длительности дыхательного цикла отчетливо видно, что частота дыхания менее 0,15 Гц, что позволяет после уточнения границы LF-компоненты в 0,13 Гц (левый край столбчатой диаграммы) правильно определить мощность спектра в каждом диапазоне.

После перерасчета спектральная мощность в диапазоне HF, мс^∧2 = 8381, а в диапазоне LF, мс^∧2 = 1637 и соответственно соотношение LF/HF = 0,19. Полученные данные существенно отличаются от ранее приведенных.

Пример 2
Пациент С., 59 лет. Диагноз при направлении: дисциркуляторная энцефалопатия смешанного генеза Спектрограмма (фоновая проба) с наложенной гистограммой приведены на фиг.9.

Показатели спектрального анализа:
ТР, мс^∧2 - 109
VLF, мс^∧2 - 43
LF, мс^∧2 - 20
HF, мс^∧2 - 46
LF/HF - 0,44
Общая мощность спектра нейрогуморальной модуляции резко снижена. Состояние нейрогуморальной регуляции характеризуется низким уровнем вагальных, симпатических и гуморально-метаболических (церебральных эрготропных) влияний в модуляции сердечного ритма. Баланс отделов вегетативной нервной системы характеризуется преобладанием активности парасимпатического отдела вегетативной нервной системы. У данного больного с дисциркуляторной энцефалопатией смешанного (посттравматического и алкогольного) генеза наблюдается несовпадение моды гистограммы вариабельности длительности дыхательного цикла и максимального пика HF-компоненты в диапазоне высоких частот (разница около 0.08 Гц), т.е. имеет место десинхронизация в работе дыхательного и сосудодвигательного центров.

Пример 3
Пациентка П. , 33 г. Предъявляет жалобы на быструю утомляемость, слабость, головную боль, одышку при незначительной нагрузке. Считает "что бандиты угрожают убить ее мужа, украсть сына, так как муж работает в милиции". При общении выраженная эмоциональная лабильность. При кросс-анализе вариабельности длительности дыхательного цикла и вариабельности ритма сердца не удается выявить доминирующего пика в диапазоне высоких частот (HF), выраженное преобладание LF-компоненты, отражающей гиперсимпатикотонию. Приведенная на фиг.10 типичная гистограмма вариабельности длительности дыхательного цикла полимодального типа отражает нарушенный паттерн дыхания, а отсутствие связи между модой гистограммы вариабельности длительности дыхательного цикла и пиком HF-компоненты указывает на десинхронизацию в работе дыхательного и сосудодвигательного вегетативного центра.

Показатели спектрального анализа:
ТР, мс^∧2 - 167,32
VLF, мс^∧2 - 75,66
LF, мс^∧2 - 85,81
HF, мс^∧2 - 5, 85
LF/HF - 14,67
Общая мощность спектра нейрогуморальной модуляции резко снижена. Состояние нейрогуморальной регуляции характеризуется низким уровнем вагальных, симпатических и церебральных эрготропных влияний в модуляции сердечного ритма. Баланс отделов вегетативной нервной системы характеризуется выраженным преобладанием активности симпатического отдела вегетативной нервной системы. Гистограмма дыхания полимодального типа. Имеет место десинхронизация в работе дыхательного и сосудодвигательного центров.

Пример 4
Пациент К., 22 г. Проходит обследования перед призывом в армию по контракту. Жалоб не предъявляет. Спектрограмма обследуемого представлена на фиг. 11. Показатели спектрального анализа сведены в таблицу.

Общая мощность спектра нейрогуморальной модуляции низкая. Состояние нейрогуморальной регуляции характеризуется низким уровнем вагальных и умеренными симпатическими и гуморально-метаболическими влияниями в модуляции сердечного ритма. Баланс отделов вегетативной нервной системы характеризуется преобладанием активности симпатического отдела вегетативной нервной системы.

Как видно на фиг.11, гистограмма вариабельности длительности дыхательного цикла полимодального типа, что отражает нарушенный паттерн дыхания. Имеет место десинхронизация в работе дыхательного и сосудодвигательного вегетативного центра несовпадение пиков гистограммы дыхания и HF-компоненты вариабельности ритма сердца, что позволяет говорить о имеющей место вегетативной дисфункции. С целью уточнения состояния организма проведены функциональные пробы, результаты которых приведены на фиг.12 и в таблице.

Заключение по результатам ортостатической пробы таково: реактивность парасимпатического отдела вегетативной нервной системы при проведении ортостатической пробы сниженная, вегетативное обеспечение деятельности характеризуется избыточной активацией симпатического отдела вегетативной нервной системы (LF/HF = 23,2).

Данные, полученные при проведении ортостатической пробы, также подтверждают наличие вегетативной дисфункции, в связи с чем была проведена велоэргометрия (ВЭМ). Во время велоэргометрии, проведенной по стандартному протоколу, у пациента появилась слабость, тошнота, неадекватно низкий прирост артериального давления, что послужило причиной прекращения пробы. Спектрограмма после ВЭМ приведена на фиг.13. Как следует из фиг.13 и данных, представленных в вышеприведенной таблице (графа - после ВЭМ), имеет место выраженное нарастание отрицательной динамики показателей вариабельности ритма сердца. В частности, отмечается резкое снижение общей мощности спектра, а в структуре спектральной мощности - выраженное преобладание очень медленных частот (VLF компоненты), что отражает переход на более низкий, а следовательно, менее эффективный уровень регуляции сердечной деятельности. Таким образом, выявленные при кросс-анализе вариабельности ритма сердца и вариабельности длительности дыхательного цикла признаки вегетативной дисфункции подтвердились при проведении функциональных проб.

Предлагаемый способ диагностики состояния систем организма человека позволяет сократить время диагностики, исключить из процесса принятия решения трудоемкие и требующие значительных затрат времени процессы определения коэффициентов корреляции и их значимости, уточнить границы между низко- и высокочастотными диапазонами сердечного ритма, а после этого повторно оценить вклад парасимпатического отдела вегетативной нервной системы в структуру спектральной мощности, диагностировать десинхронизацию дыхательного и сосудодвигательного центров вегетативной нервной системы, диагностировать психоэмоциональное напряжение.

Источники информации
1. Козырев О.А., Богачев Р.С. Использование математического анализа ритма дыхания для определения вегетативного тонуса. Ж. "Вестник аритмологии", 1999, 11.

2. Патент Российской Федерации 2039523. Способ ранней диагностики функционального состояния систем организма. Блудов А.А., Кремсал А.Г. Информационный бюллетень "Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки", 1995, 20.

3. Лукошкова Е.В., Хаютин В.М., Бекбосынова М.С. QRS-амплитудограмма и ее частотный спектр: применение для оценки мощности колебаний частоты сердцебиений. Ж. "Кардиология", 2000 г. 9. Стр.54-63.

4. Судаков К. В., Тараканов О.П., Юматов Е.А. Кросс-корреляционный вегетативный критерий эмоционального стресса. Ж. "Физиология человека", 1995 г., том 21, 3. Стр.87-95.

Реферат

Проводят одновременную синхронную запись ЭКГ и пневмограммы. Рассчитывают моду гистограммы длительности дыхательных циклов. Проводят графическое наложение на нее спектрограммы высокочастотной компоненты ритма сердца. По положению пика максимальной мощности спектра уточняют границу низкочастотной компоненты сердечного ритма. Если пик максимальной мощности высокочастотной компоненты ритма сердца отличается по частоте от моды частоты дыхания более чем на 0,06 Гц, диагностируют десинхронизацию дыхательного и сосудодвигательного центров вегетативной нервной системы. Если же повышение мощности низкочастотной компоненты сопровождается изменением паттерна дыхания, диагностируют наличие у пациента состояния психоэмоционального напряжения. Применение предлагаемого способа позволяет сократить время диагностики, уточнить границы между низко- и высокочастотными диапазонами сердечного ритма, диагностировать десинхронизацию дыхательного и сосудодвигательного центров вегетативной нервной системы, определять наличие психоэмоционального напряжения. 13 ил., 1 табл.

Формула