Физика/4. Применение физических методов в медицине

Захаров М.С.

ЗАО «Сбербанк – Технологии» (Москва)

Адаптационные особенности организма по данным нестационарного спектрального анализа временного ряда кардиоинтервалов

В работе рассматриваются адаптационные особенности организма на основе баланса симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы. При этом использована методология вариабельности сердечного ритма, позволяющая по данным мощностных спектральных характеристик судить о регуляторном механизме ритма [1]. Использование спектрального анализа на основе преобразований Фурье «оконного типа» дало возможность исследовать процессы установления параметров сердечно ‑ сосудистой системы во времени [2].

Исходные данные формировались при снятии фотоплетизмограммы (ФПГ) с большого пальца руки с использованием аппаратно ‑ программного комплекса (АПК) «Биомышь», разработанного компанией Нейролаб (Москва) [3]. Основу АПК составляет фотоэлектрический сенсор в виде оптоэлектронной пары (светодиод и фотоприемник) и устройство обработки, вмонтированные в обычную компьютерную мышь. По данным ФПГ строился временной ряд длительностей кардиоинтервалов. На рисунке 1 представлен пример полученной таким образом ритмограммы.

Основная идея использования преобразования Фурье «оконного типа» состоит в уменьшении временного интервала при выборе числа отсчетов, что дает возможность изучения нестационарности процессов установления адаптационных особенностей организма [2]. На рисунке 2 и 3 (трехмерные аналоги) показаны спектрограммы Фурье в различные моменты времени.

Рисунок 1. Ритмограмма (зависимость длительности кардиоинтервалов в мс как функция времени, с) для 126 отсчетов.

Рисунок 2. Спектрограммы временного ряда кардиоинтервалов, рассчитанные по 60 отсчетам в моменты времени (слева ‑ направо) t = 0, 20.3, 45.2 c. По оси ординат – плотность спектральной мощности, мс²/Гц, по оси абсцисс – частота, Гц.

Рисунок 3. Трехмерное динамическое представление спектров во времени в различных ракурсах.

Применение спектрального анализа позволяет количественно оценить частотные области HF (высокие частоты), LF (низкие частоты), VLF (очень низкие частоты) ритма сердца и наглядно представить соотношения активности разных отделов регуляторного механизма. Так, HF диапазон отражает процессы парасимпатической активности (расслабление, отдых), LF диапазон связан с симпатической активностью (мобилизация внутренних ресурсов организма), VLF диапазон отражает гуморальные влияния [4]. На рисунке 4 показаны мощности выделенных областей спектра в абсолютных единицах (мс) – слева и относительных (в отношении к TF = HF + LF + VLF) – справа для уставшего человека. Особенностью рисунка является отсутствие активности вегетативной нервной системы на участке 20 – 30 с. По-видимому, на данном участке управление ритмом сердца характеризуется преобладанием центральных влияний.

VLF

LF

HF

Рисунок 4. Спектральные мощности как функции времени (с), относящиеся к областям HF, LF, VLF в абсолютных (мс²) – слева и относительных единицах (в отношении к TF) – справа.

Об этом также говорят низкие значения индекса централизации IC = (HF + LF)/VLF на этом временном отрезке (рисунок 5 слева). Кроме того, из рисунка 4 видно, как относительные симпатическая и парасимпатическая регуляторные системы «работают» со временем в противофазе.

Индекс вагосимпатического взаимодействия (LF/HF ‑ значения, меньшие 1.5) в данном случае характеризуют сильное расслабление, что естественно для человека, который сильно устал.

Рисунок 5. Индексы централизации и вагосимпатического взаимодействия как функции времени, с.

Таким образом, представленная методология позволяет проследить за адаптационными возможностями организма во времени, расширяя области применения метода вариабельности сердечного ритма в клинической практике и донозологической диагностике.

В заключение автор выражает признательность Бережному В.Н. за предоставленные исходные данные.

Литература

1. Баевский Р.М., Берсенева А.П., «Введение в донозологическую диагностику». ‑ М.: Слово, 2008, ‑ 220 с.

2. Бережной В.Н., Захаров М.С., Захаров С.М. «Динамика во времени спектральных особенностей сигналов пульсовой волны, полученных методом фотоплетизмографии». Биомедицинская радиоэлектроника, 2013, №6, с.36-43.

3. Бережной В.Н. «Пульсовая волна». www.neurolab.ru/ru/menu/papers/pulse_wave.

4. «Вариабельность сердечного ритма. Стандарты измерения, физиологической интерпретации и клинического использования (Рекомендации Рабочей группы Европейского Кардиологического Общества и Северо‑Американского общества стимуляции и электрофизиологии)». Вестник Аритмологии, 1999, № 11, с.52-77.