СПОСОБ АНАЛИЗА ФАЗОВОЙ СТРУКТУРЫ СОСУДИСТОГО ЦИКЛА БОЛЬШОГО КРУГА КРОВООБРАЩЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК A61B5/95 

Изобретение относится к области медицины, а именно к кардиологии и может быть использовано для оценки биомеханики большого круга кровообращения: исследования или кинетики артериального русла, или венозного оттока и микроциркуляции, или правых отделов сердца как отдельно, так и в тесной корреляционной связи.

Известны способы исследования различных аспектов гемодинамики.

Известен способ автоматизированной окклюзионной плетизмографии, при котором определяют интенсивность кровотока, исследуют общую гиперемию участка тела [4, 8].

Недостатком способа является невозможность оценки биомеханики артерий, венозного оттока.

Известен способ ультразвукового сканирования, предоставляющий возможность оценить морфологию, визуализировать перемещение сосудистой стенки и степень кровотока в просвете сосуда [2, 4, 5].

Недостатком способа является отсутствие возможности проанализировать количественно венозный отток, пропульсивную способность артериального русла и микроциркуляцию.

Известен способ сфигмографии, заключающийся в исследовании пропульсивной активности магистральных артерий [4, 5, 13].

Недостатком способа является его ограничение рамками артериальной системы, сфигмография неприменима для анализа микроциркуляции и венозной части аппарата кровообращения.

Известен способ реографии, значительным преимуществом которого является возможность одновременного изучения кровообращения различных областей тела. Это позволяет оценивать закономерности общей гемодинамики в условиях безопасного, неинвазивного, малозатратного и необременительного для врача и пациента исследования. В настоящее время визуально принято выделять в реографическом комплексе следующие элементы: катакроту - основную волну реограммы, анакроту (восходящую часть катакроты), вершину, дикроту (нисходящую часть катакроты), инцизуру, дикротическую волну. Ряд авторов проводит их визуальную оценку, другие ученые осуществляют анализ геометрических характеристик реограммы, что весьма субъективно и, несмотря на высокую информативность, малоспецифично и может зависеть от многих внешних и внутренних факторов [4, 5, 7, 11].

Недостатком способа является то, что существующие на сегодняшний день попытки интерпретации реограмм не учитывают генез их основных элементов. Более того, данные о границе артериального притока и венозного оттока на комплексе реограммы противоречивы. Одни авторы считают, что венозный отток начинается в нижней части дикроты, другие полагают, что границей между артериальной и венозной частями большого круга кровообращения служит инцизура. Общепринятой методики интерпретации и обозначения элементов реограммы до сих пор не существует.

Первая попытка количественного анализа реограмм с детализацией реографического комплекса произведена профессором В.Н. Фатенковым. Суть способа, предложенного им, заключается в разделении сосудистого цикла малого круга кровообращения на период систолы и диастолы по аналогии с сердечным циклом, в свою очередь каждый период состоит из нескольких фаз. Это дает возможность оценить пропульсивную активность той или иной части сосудистого цикла малого круга: кинетику легочной артерии и ее разветвлений, капиллярно-венозный отток из малого круга кровообращения и биомеханику правого желудочка [13, 14].

Недостатком способа является то, что он позволяет оценить биомеханику малого круга кровообращения, однако не подходит для анализа биомеханики большого круга кровообращения в связи с имеющимися анатомическими и функциональными различиями между этими двумя отделами сердечно-сосудистой системы. Данный способ взят за прототип.

Цель изобретения - унификация анализа реовазограмм, в основе которого лежит интерпретация фазовой структуры большого круга кровообращения, основанная не на геометрической характеристике и визуальной оценке реографических комплексов, а на генезе их основных элементов, позволяющая получить минимум показателей для количественной оценки различных аспектов биомеханики.

Цель достигается тем, что на второй производной выделяют реперные точки, соответствующих ее трем максимумам, двум минимумам и двум переходам через 0, в результате чего сосудистый цикл подразделяют на периоды систолы и диастолы по аналогии с сердечным циклом; в каждом из периодов выделяют фазы: систола включает фазы эластического компонента оттока, мышечного компонента оттока, капиллярно-венозного оттока, диастола состоит из фаз метаболической, распространения пульсовой волны, быстрого и медленного притока; проводят анализ основных параметров биомеханики посредством пакета прикладных программ в каждую фазу сосудистого цикла; в результате анализа комплекс значений параметров позволяет судить о состоянии биомеханики большого круга кровообращения, как в целом, так и отдельных его звеньев; полученные значения сравнивают с нормой.

Результатом является получение новой фазовой структуры большого круга кровообращения с расчетом ряда биомеханических показателей в каждую фазу сосудистого цикла.

Способ реализуется следующим образом.

Регистрация реограмм конечностей - реовазограмм проводили на полиграфе «Элон» синхронно со сфигмограммами локтевой и бедренной артерий, апекскардиограммами. Для регистрации реовазограмм использовали биполярные циркулярные электроды площадью 7 см². Активный электрод (проксимальный) накладывали на верхней конечности на плечо между проксимальной и средней его третями, индифферентный (дистальный) - в области запястья, на нижней - проксимальный электрод между проксимальной и средней третями бедра, дистальный - непосредственно над лодыжками. Регистрация апекскардиограмм проводилась по общепринятой методике (Benchimol Α., Dimond Ε., 1963; Кузнецов Γ.Π., 1972, 1987) [4] на полиграфе «Элон» пьезокристаллическим датчиком давления. Регистрация сфигмограмм локтевой и бедренной артерий проводилась по стандартной традиционной методике [5] на полиграфе «Элон» пьезокристаллическим датчиком давления.

На этапе регистрации автоматизация процесса проводится с помощью пакета прикладных программ «Reos», позволяющего адаптировать полиграф «Элон» к ЭВМ, проводить двухканальную регистрацию реовазограмм и кривых сопровождения, подбирать оптимальную частоту дискретизации и формировать базу данных на компьютере. Затем, применение пакета прикладных программ ″Rheograph″ дает возможность идентифицировать файл данных, содержащий числовые значения амплитуд кривых, провести его предобработку, учесть частоту дискретизации и уровень калибровочного сигнала при обработке, выполнить ручную постановку реперных точек - границ фаз сосудистого цикла по представленной на экране первой и второй производной сфигмо- и реограмм (сердечного цикла по второй производной апекскардиограмм) и получить копию результата в виде текстового файла.

Нами установлено, что график второй производной реограммы, зарегистрированных как на верхней, так и на нижней конечностях, содержит 2 идентифицируемых минимума, 3 максимума и 2 перехода через ноль. При многократном воспроизведении записи реограммы у одного и того же обследуемого указанные характерные точки возникают в строго определенной временной последовательности. Причем эта последовательность чередования точек на второй производной прослеживается на реограммах различных сосудистых бассейнов большого круга кровообращения у разных исследуемых вне зависимости от пола и возраста: при регистрации верхней и нижней реовазограмм, реоэнцефалограмм, реогепатограмм.

В результате по одному и тому же алгоритму в автоматизированном режиме были выделены следующие периоды: систола (изгнание) ударного объема крови и диастола (наполнение) в большом круге кровообращения по аналогии с сердечным циклом.

Фазовая структура реовазограмм поясняется графическим материалом.

На рис. 1 показано, что систола большого круга кровообращения состоит из фаз эластического (точки 3-4) и мышечного (точки 4-5) компонентов оттока (ЭКО и МКО) и капиллярно-венозного оттока (точки 5-6) (КВО). Диастола большого круга кровообращения включает метаболическую фазу (МБ) (точки 6-0), распространения пульсовой волны (РПВ) (точки 0-1), быстрого (точки 1-2) и медленного (точки 2-3) притока (БП и МП). Кроме того, на реовазограмме выделяются диастола (ДП) правого предсердия, которая совпадает по времени с фазой МКО (точки 4-5) и систола (СП), совпадающая с фазой КВО. СП и ДП не вносят самостоятельного существенного вклада в гемодинамику БКК, поэтому отдельно по ним расчет параметров биомеханики не проводится. В каждую выделенную фазу вычисляли значения первой и второй производной реовазограмм и с их помощью определяли следующие параметры биомеханики:

t, с - продолжительность фазы;

v_cp, Ом/с - средняя скорость изменения сопротивления;

а_ср, Ом/с² - среднее ускорение (сила);

N_cp, Ом²/с³ - средняя мощность;

W, Ом²/с² - работа.

Для возможности детального описания фаз сосудистого цикла, сопоставления их с фазами сердечного цикла и выявления взаимосвязи центральной и периферической гемодинамики, нами были проведены синхронные записи реовазограмм и апекскардиограмм.

На рис. 2 изображена параллельная запись апекскардиограммы и реовазограммы верхней конечности и их вторых производных, согласно которой удалось выявить четкое соответствие фаз сердечного цикла фазам сосудистого цикла большого круга кровообращения. Фазы кардиоцикла представлены в соответствии с теорией биомеханики сердца, предложенной В.Н. Фатенковым, где Т6-Т7 - изоволюмического снижения внутрижелудочкового давления; Т7-Т8 - быстрого наполнения; Т8-Т0 - медленного наполнения; Т0-Т1 - систола предсердий; Т1-Т2 - внутрижелудочкового перемещения крови; Т2-Т2 - изоволюмического повышения внутрижелудочкового давления; Т3-Т4 - максимального изгнания 1; Т4-Т5 - максимального изгнания 2; Т5-Т6 - редуцированного изгнания. Фазы сосудистого цикла, описаны выше.

Систола большого круга кровообращения начинается фазой ЭКО из артериальной части большого круга кровообращения. Обусловлена она сокращением эластических структур стенок аорты и ее ветвей и поступлением крови в нижележащие отделы артериального русла. Сокращение эластических структур крупных артерий, предварительно растянутых ударным объемом крови, осуществляется за счет запасенной кинетической энергии в диастолу [1, 10]. По времени данная фаза совпадает с фазами редуцированного изгнания и изоволюмического снижения внутрижелудочкового давления. Таким образом, биомеханика фазы ЭКО большого круга кровообращения определяется двумя факторами - механическими свойствами левого желудочка в систолу и эластическими свойствами аорты и магистральных артериальных стволов.

Следующая фаза - МКО из большого круга кровообращения характеризуется сокращением мышечных волокон стенок магистральных артерий, дальнейшим продвижением ударного объема по артериальной части большого круга кровообращения и поступлением крови в микроциркуляторное русло.

В данную фазу наблюдается увеличение кровенаполнения артериол и капилляров и скорости кровотока в большом круге кровообращения. При сопоставлении с фазами сердечного цикла нам удалось выявить, что фаза МКО соответствует фазе быстрого наполнения желудочков. Клапаны аорты закрыты, сокращение мышечных слоев артерий создает предпосылки для регургитации крови в проксимальные отделы артериального русла, диастолическое давление в аорте высокое, что позволяет крови поступать из синусов Вальсальвы в устья коронарных артерий [1, 6]. Мы наблюдали увеличение электропроводности, которое проявляется подъемом на реовазограмме в данную фазу, обусловленное суммацией отраженных волн от бифуркаций артерий, эластическими свойствами артериальной стенки и сократительной активностью гладкомышечных элементов медии. В физиологическом смысле данная фаза очень значима, т.к. в этот отрезок времени происходит обмен между артериальной кровью и тканями [1, 16].

Заключительная систолическая фаза - KB О обусловлена активным присасывающим действием правого желудочка в фазу быстрого наполнения и усилением оттока из большого круга кровообращения с преобладанием его над притоком. Начало данной фазы совпадает с концом фазы быстрого наполнения сердечного цикла, продолжается в фазу медленного наполнения и систолы предсердий. По нашему мнению, биомеханика большого круга кровообращения в фазу KB О зависит от тонуса вен, состояния их клапанного аппарата, функционирования субэндо- и субэпикардиальных слоев правого желудочка. В данной фазе осуществляется обмен веществ между венозной кровью и тканями [16].

ДП и СП начинают цикл правых отделов сердца. Совпадают по времени с фазами МКО и KB О соответственно, определяются преимущественно работой миокарда правых отделов сердца и магистральных вен. СП - непостоянная волна на реовазограммах, обусловленная частичным возвратом крови в полые вены в систолу правого предсердия, приводящая к замедлению или прекращению венозного оттока и, соответственно, к падению электрического сопротивления в микроциркуляторном русле [6]. Мы считаем, что это обусловлено анатомией миокарда предсердий - круговые пучки глубокого мышечного слоя охватывают устья полых вен и во время систолы правого предсердия и препятствуют регургитации крови в полые вены [9, 10]. Однако, этот блок не герметичен, и часть крови все-таки попадает в полые вены, незначительно влияя на изменение сопротивления. ДП характеризуется усилением оттока из венозного отдела большого круга кровообращения преимущественно за счет присасывающего действия правого желудочка и совпадает по времени с фазой МКО, т.е. соответствует фактически фазе быстрого наполнения правого желудочка. ДП не вносит значимого вклада в биомеханику большого круга кровообращения как самостоятельное физиологическое явление, лишь диастолическая дисфункция правого желудочка может привести к нарушению гемодинамики в фазу МКО [17]. СП в норме не оказывает существенного влияния на биомеханику большого круга кровообращения. Эта фаза сердечного цикла начинает приобретать значение лишь тогда, когда возникает нарушение сократительной функции правого предсердия, например, в случае его дисфункции на фоне кардиосклероза, когда круговые пучки глубокого мышечного слоя недостаточно плотно охватывают устья полых вен вследствие снижения их сократительной способности [9]. В этом случае регургитация крови в момент систолы предсердий в полые вены может быть значительной настолько, что совместно с усилением обратного венного пульса способна повлиять на биомеханику большого круга кровообращения в фазу КВО [9, 15, 17].

Биомеханика диастолы большого круга кровообращения зависит от ряда факторов: систолы левого желудочка, состояния аорты и ее ветвей и периферического сопротивления мелких артерий, артериол, прекапилляров, нервного аппарата, обеспечивающего иннервацию сердечно-сосудистой системы [18].

Диастола большого круга кровообращения начинается МБ фазой, которая имеет большой физиологический смысл. В эту фазу посылаемые импульсы из синусового узла способствует продвижению крови по vasa vasorum из проксимальных отделов к дистальным, что позволяет артериям подготовиться к принятию ударного объема крови [3]. Кроме того, это обеспечивает трофику тканей стенки магистральных артерий: к ним поступает кровь, насыщенная кислородом и энергетическими продуктами, что позволяет синтезировать АТФ для последующего активного сокращения [1, 12, 15, 16]. Начало МБ фазы совпадает по времени с началом фазы внутрижелудочкового перемещения крови, а завершается с окончанием фазы изоволюмического повышения внутрижелудочкового давления. Полулунные клапаны закрыты, давление в полости левого желудочка максимально, и сердце готовится к изгнанию ударного объема крови [12, 14]. Мы обратили внимание, что в этот отрезок времени на реовазограммах происходит краткое увеличение электропроводности, а значит, ток крови по сосуду, не связанный с приходом основного ударного объема. Подобное явление не наблюдается ни на реопульмонограмме, ни на параллельно записанной сфигмограмме магистральных артерий. Данное явление обусловлено, прежде всего, кровотоком в системе vasa vasorum, поскольку в этот промежуток времени отсутствует основной кровоток по системе артериальных сосудов, стимулируемый продвижением ударного объема крови.

Следующая диастолическая фаза - фаза РПВ, которая характеризует в большей степени механические свойства артериального русла и в меньшей -биомеханику левого желудочка. Совпадает данная фаза с фазой максимального изгнания 1. Полулунные клапаны открыты, вследствие сокращения циркулярного слоя первые порции крови поступают в аорту [1, 15]. В физиологическом смысле эта фаза является тем промежутком времени, который необходим артериальному руслу для активного расширения и подготовки к принятию ударного объема крови. Совершенно очевидным является тот факт, что длительность этой фазы будет определяться расстоянием, которое проходит ударный объем крови до конкретного исследуемого сегмента человеческого тела с момента выталкивания его левым желудочком.

Фаза БП в большой круг кровообращения отражает преимущественно биомеханику левого желудочка и расширение аорты и ее главных ветвей под воздействием ударного объема крови. Совпадает по времени с фазой максимального изгнания 2 левого желудочка.

Фаза МП соответствует фазе максимального изгнания 2 левого желудочка и отражает сопротивление артерий мышечно-эластического и мышечного типов. Для преодоления сопротивления магистральных артерий и их ветвей, сопротивление которых значительно превышает сопротивление аорты, сердце вынуждено выполнять большую работу [1, 6, 12]. В это время вместе с циркулярным слоем сокращаются субэндо- и субэпикардиальные слои миокарда, что приводит к возрастанию внутрижелудочкового давления, несмотря на начавшийся выход крови из полости левого желудочка в аорту. Систолический выброс получает основную часть кинетической энергии, что помогает продвижению ударного объема крови в дистальном направлении.

Предложенный способ с положительным результатом применен у практически здоровых волонтеров, пациентов с основными факторами риска сердечно-сосудистых заболеваний, у больных сахарным диабетом 1 и 2 типов, при анализе возрастно-половых особенностей биомеханики большого круга кровообращения.

Пример. Обследовано 100 человек, из них 40 человек практически здоровых человек (группа 1 - контрольная, средний возраст 20±1 лет), 30 - с компенсированным СД 1 типа (группа 2, средний возраст 25±2 лет) и 30 - с компенсированным СД 2 типа (группа 3, средний возраст 45±4 лет).

Мы получили достоверное уменьшение продолжительности всех фаз периода оттока у больных СД 1 типа, что свидетельствует о становлении гиперкинетического состояния кровообращения, которое на ранних этапах существования данного заболевания носит компенсаторный характер. У пациентов СД 2 типа наблюдается снижение длительности фазы ЭКО. Такое изолированное изменение продолжительности данной фазы указывает на увеличение жесткости артериальной стенки, что связано, прежде всего, с теми биохимическими и морфологическими процессами, которые развиваются при СД, а также с возрастными изменениями сосудистой стенки. Изменения скоростных и силовых характеристик в ряде фаз, как в период притока, так и в период оттока в группах 2 и 3 свидетельствуют о выраженных нарушениях биомеханики при СД 1 и 2 типов.

Вывод: использование компьютерной реографии и новой фазовой структуры реограмм помогает количественно проанализировать биомеханику большого круга кровообращения и позволяет вести расчет такого количества показателей, которое предоставляет возможность детально оценить функцию каждого его отдела.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Гайтон Α., Холл Дж. Медицинская физиология. М. Логосфера. 2008.

2. Зубарев А.Р., Григорян Р.А. Ультразвуковое ангиосканирование. - М.: Медицина, 1990. - 176 с.

3. Иванова В.Д., Кошев В.И., Пирогов В.Л. и др. Гемодинамическая функция сосудистого русла в норме и эксперименте. Самара, 2002. 10 с.

4. Инструментальные методы исследования в кардиологии (Руководство)/ Ред.: Сидоренко Г.И. - Минск, 1994. - 272 с.

5. Инструментальные методы исследования сердечно-сосудистой системы (Справочник)/Под ред. Т.С. Виноградовой. - М.: Медицина, 1986. - 416 с.

6. Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. Пер. с англ. М.: Мир. 1981.

7. Матвейков Г.П., Пшоник С.С. Клиническая реография. Минск. Беларусь. 1976.

8. Мухарлямов Н.М., Сазонова Л.Н., Пушкарь Ю.Т. Исследование периферического кровообращения с помощью автоматизированной окклюзионной плетизмографии. Терапевтический архив 1981; 12; 3-6.

9. Обрезан А.Г., Яровицкая В.Н. Влияние гемодинамических изменений в системе полых вен на внутрисердечную и висцеральную гемодинамику // Стойко Ю.М., Лыткин M.Н., Шайдаков Е.В. Венозная гипертензия в системе полых вен. СПб. 2002.

10. Педли Т. Гидродинамика крупных кровеносных сосудов. Пер. с англ. М.: Мир. 1983.

11. Ронкин M.A., Иванов Л.Б. Реография в клинической практике. М. 1997.

12. Савицкий Н.Н. Биофизические основы кровообращения и клинические методы изучения гемодинамики. - М., Медицина, 1974. - 312 с.

13. Фатенков В.Н. Новое в биомеханике сердца, артерий и малого круга кровообращения: монография, Самара: Самар. Гос. техн. ун-т, 2009. - 222 с.

14. Фатенков В.Н. Новое в фазовой структуре сердечного цикла. Советская медицина 1988; 4:27-33.

15. Фолков В., Нил Э. Кровообращение. М. Медицина. 1976.

16. Чернух А.М., Александров И.П., Алексеев О.В. Микроциркуляция. М. Медицина. 1975.

17. Чечулин Ю.С. Поврежденное сердце. М. Медицина. 1975.

18. Швалев В.Н., Сосунов Α.Α., Гуски Г. Морфологические основы иннервации сердца. М. 1992.

Изобретение относится к области медицины, а именно к кардиологии. Регистрируют реовазограмму верхней и нижней конечности. Полученные кривые фильтруют от артефактов и передают на ЭВМ с помощью аналого-цифрового преобразователя. Проводят построение первой и второй производных реовазограмм. На второй производной выделяют реперные точки, соответствующие ее трем максимумам, двум минимумам и двум переходам через ноль. С помощью прикладной программы «Rheograph» выделяют период систолы и ее фазы: эластического компонента оттока, мышечного компонента оттока, капиллярно-венозного оттока, а также период диастолы и ее фазы: метаболическую, распространения пульсовой волны, быстрого и медленного притока. При этом в каждую выделенную фазу рассчитывают значения первой и второй производной реовазограммы и определяют параметры биомеханики: продолжительность фазы, среднюю скорость изменения сопротивления, среднее ускорение, среднюю мощность и работу. Способ повышает достоверность анализа, что достигается за счет получения фазовой структуры реовазограммы, позволяющей количественно оценить функцию каждого отдела большого круга кровообращения. 2 ил., 1 табл., 1 пр.

Способ анализа фазовой структуры сосудистого цикла большого круга кровообращения, включающий регистрацию реовазограмм верхней и нижней конечности, их обработку, при которой полученные кривые фильтруют от артефактов и передают на ЭВМ с помощью аналого-цифрового преобразователя; проводят построение первой и второй производных реовазограмм; отличающийся тем, что на второй производной выделяют реперные точки, соответствующие ее трем максимумам, двум минимумам и двум переходам через ноль; с помощью прикладной программы «Rheograph» выделяют период систолы и ее фазы: эластического компонента оттока, мышечного компонента оттока, капиллярно-венозного оттока, а также период диастолы и ее фазы: метаболическую, распространения пульсовой волны, быстрого и медленного притока; при этом в каждую выделенную фазу рассчитывают значения первой и второй производной реовазограммы и определяют параметры биомеханики: продолжительность фазы, среднюю скорость изменения сопротивления, среднее ускорение, среднюю мощность и работу.