Бахилин В.М.

СПб научно-исследовательский институт уха, горла, носа и речи

Нарушения сердечного ритма при низких коэффициентах корреляции между высокочастотными колебаниями сердечного ритма и дыхания

Аннотация. Исследуются причины снижения коэффициента корреляции (Rc) между высокочастотными (ВЧ) колебаниями сердечного ритма (СР) и дыхания у больных и пожилых людей. Показано, что одна из причин состоит в появлении в СР перемежающихся RR интервалов, не связанных с дыханием. Приведены ритмограммы и спектры СР и дыхания. У двух больных Rc @ 0, у одного из них при нарушении СР сохранен нормальный ритм дыхания, а у другого при нарушении ритма дыхания наблюдаются стабильные ВЧ колебания СР, по форме и спектральной мощности, не отличающиеся от дыхательной синусовой аритмии. Оба случая подтверждают гипотезу центрального механизма дыхательной синусовой аритмии.

Ключевые слова: ВСР, кардиореспираторная система, коэффициент корреляции.

При положении обследуемого лежа на спине в покое в течение 5-и минут коэффициенты корреляции Rс между синусовой дыхательной аритмией (СДА) и дыханием (вычисленные как максимальные по модулю значения кросскорреляционной функции [1, 2]) в норме принимают значения в пределах от 0.65 до 0.85. Корреляция колебаний ритма сердца и дыхания при этом хорошо заметна визуально (рис.1а). Однако у многих пожилых и больных людей Rс < 0.5, и ВЧ составляющие колебаний сердечного ритма (СР) не похожи на СДА (рис.1b – рис.1d). В настоящей работе рассматриваются особенности СР при малых значениях Rс. Цель работы – уточнение представлений о механизмах кардиореспираторных взаимодействий.

На рис.1а – 1d представлены слева – фрагменты одновременных записей вариабельности сердечного ритма (ВСР) и дыхания, справа – спектральные плотности мощности ВСР и дыхания. Все пациенты во время обследования имели нормальный синусовый ритм. Спектрограммы дыхания рассчитаны по ряду измерений сигналов дыхания, проведенных только в моменты идентификации вершин R QRS-комплексов [1]. Оба ряда упорядочены по номеру R вершин, но не по времени (допускается, что живые организмы осуществляют жизнедеятельность по собственным циклам, а время является внешним фактором, к которому организм должен приспосабливаться). Поэтому на спектрограммах шкала абсцисс проградуирована не в герцах, а в циклах на сердечный удар – c/b.

Рис. 1а демонстрируют нормальное взаимодействие кардиореспираторной и дыхательной систем: Rс = 0.82. Кривые СР и дыхания, фрагменты которых показаны на рис. 1b – 1е, имеют коэффициенты корреляции, меньшие 0.4. Визуально видно, что причиной снижения корреляции являются острые пики СР, отсутствующие на кривой дыхания. Эти пики создаются чередованием удлиненных и укороченных RR интервалов. Они могут быть одиночными или создавать цепи из нескольких пиков, и ниже называются перемежающимися RR интервалами (aRRi). Частота aRRi предльно высокая (равна частоте Найквиста). На ритмограмме aRRi расположены хаотично, и имеют различные фазы. Предельный случай представляет рис 1d, где сердечный ритм почти полностью состоит из перемежающихся интервалов, при этом дыхание имеет другую, нормальную частоту.

Записи ЭКГ и дыхания обследуемых а) – с) взяты из баз данных Fantasia и MGH MF Waveform PhysioBank [3], записи больных d) и е) проведены в фониатрическом отделении НИИ ЛОР врачом к.м.н. А.Ю. Юрковым прибором «Поли-Спектр».

a)251658240  251658240

b)251658240   251658240

c) 251658240   251658240

d) 251658240        251658240

е)251658240 251658240

Рис. 1: a) Женщина 70 лет, здорова, ЧСС=51, файл F2о04 базы данных “Fantasia” PhysioBank; b) Мужчина 76 лет, ЧСС=57, Rc=0.32, файл F1о05 базы данных “Fantasia” PhysioBank; c) Мужчина 76 лет, ЧСС=58, Rc=0.28, ИБС, резекция и пересадка аневризмы брюшной аорты, файл mgh016 базы данных “MGH-MF Waveform” PhysioBank; d) Женщина 42 лет, ЧСС= 87, Rc @ 0.0, предварительный диагноз - функциональная дисфония по гипотонусному типу; е) Мужчина 67 лет, ЧСС=68, Rc @ 0.0, хр. ларингит, состояние после левосторонней хордэктомии по поводу Са гортани 1 ст., контактная гранулема слева, межскладковая пахидермия.

Рис. 2 демонстрирует автокорреляционные функции тех же обследуемых.

Автокорреляционные функции рядов RR и дыхания здорового человека (столбец а)) имеют вид затухающих в обе стороны косинусоид, то есть ряды RR и дыхания представляют собой почти периодические процессы. Частота обеих автокорреляционных функций (АКФ) одинакова. По этим графикам легко оценить среднее по записи значение отношения синхронизации: выберем целое число колебаний дыхания и определим количество приходящихся на них сердечных ударов. Например, на участке от -20 до 20 ударов помещается 9 периодов АКФ дыхания. Следовательно, отношение синхронизации N:M = 40:9, то есть на средний период дыхания приходится ~4.4 сердечных удара.

251658240 251658240 251658240 251658240 251658240

251658240 251658240 251658240 251658240 251658240

a)                          b)                       c)                               d)                     e)

Рис. 2. В верхнем ряду – АКФ СР, в нижнем – АКФ дыхания

У мужчины 76 лет (файл F1о05, столбец b на рис.2) АКФ СР и дыхания не совпадают по частоте. АКФ СР имеет частоту перемежающихся интервалов, на один период приходится 2 RR интервала (удлиненный и укороченный), в то время как частота АКФ дыхания – в пределах нормы, на одно дыхание в среднем приходится 4 сердечных удара. Обе АКФ быстро затухают, что говорит о нерегулярных, хаотичных процессах СР и дыхания.

У мужчины 76 лет (столбец с) нерегулярный СР и регулярное учащенное дыхание – на средний период дыхания приходится ~3 сердечных удара.

У пациентки d) регулярные aRRi, АКФ СР – затухающие в обе стороны косинусоиды предельно высокой частоты (частоты Найквиста), дыхание – в пределах нормы. Частоты СР и дыхания различны.

У пациента e) АКФ СР в пределах нормы, дыхание нарушено.

До настоящего времени остаётся неизвестным механизм возникновения СДА, и ведутся споры между приверженцами центральной и барорефлекторной теорий [4, 5]. Тем более непонятны механизмы возникновения aRRi. Однако возникновение aRRi небольшой амплитуды у здоровых молодых людей при эмоциональных возбуждениях дает основание предполагать центральный механизм генерации aRRi.

Обработка ЭКГ и дыхания человека с нарушенными хордэктомией дыхательными путями показала, что СР совсем не связано с дыханием и средний период дыхания 27 сек. Однако, АКФ СР в пределах нормы, спектр СР имеет выраженный холм на дыхательной частоте с максимумом на частоте 0.33c/b @ 0.29 Гц при ЧСС = 68 уд/мин, и мощностью 57.7 мсек2/(c/b), что составляет ~28% всей мощности ВСР, равной ~238 мсек2/(c/b). Отсюда можно сделать вывод о существовании центрального генератора, производящего СР в дыхательном диапазоне частот и справедливости теории, основанной на центральной модели.

На рис. 1d, 2d представлены результаты обработки ЭКГ и дыхания человека с СР, состоящим только из перемежающихся RR интервалов. Дыхание не связано с СР и имеет среднюю частоту 0.33 c/b (в пределах нормы). Отсюда следует существование центрального дыхательного генератора, что также подтверждает центральную теорию механизма возникновения СДА.

Выводы:

1)    Перемежающиеся RR интервалы, возникающие в сердечном ритме, снижают корреляцию ВЧ составляющей ВСР и дыхания и могут быть симптомом заболеваний, связанных с нарушениями вегетативной нервной системы;

2)    Примеры пациента с нормальным дыханием при аномальном срдечном ритме и пациента с нормальным сердечным ритмом при нарушенном ритме дыхания подтверждают центральное происхожение дыхатеьной синусовой аритмии.

Выражаю благодарность врачу высшей категории к.м.н. А. Ю. Юркову за предоставленные записи ЭКГ и дыхания своих пациентов.

Литература

1.    Бахилин В.М. Кросскорреляционный и кросс спектральный анализ связи колебаний сердечного ритма и дыхания. «Вестник Российской Военно-медицинской академии», №1(37), 2012г, стр 193-199.

2.      Бахилин В.М. Анализ возрастных изменений во взаимодействии сердечнососудистой и респираторной систем. Материалы VIII международной конференции "Актуальные научные достижения – 2012", Прага, 27.06.2012-05.07.2012, с. 59-63.

3.     PhysioBank, http://physionet.org/physiobank/ (дата обращения 27.01.2013).

4.    Paul Grossman, Edwin W. Taylor. Toward understanding respiratory sinus arrhythmia: Relations to cardiac vagal tone, evolution and biobehavioral functions. Biological Psychology, Volume 74, Issue 2, February 2007, Pages 263–285.

5.     Dwain L. Eckberg. Respiratory sinus arrhythmia is due to a central mechanism, J Appl Physiol 106: 2009, Pages 1740–1744.