СПОСОБ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА
METHOD OF ESTIMATING FUNCTIONAL STATE OF CARDIO-VASCULAR SYSTEM OF MAN

Изобретение относится к области физиологии и медицины (а именно кардиологии), к таким ее разделам, как фундаментальная, прикладная, спортивная, восстановительная медицина и курортология.
Известны способы оценки состояния сердечно-сосудистой системы (ССС) человека [патент RU 2229715 "Способ оценки состояния сердечно-сосудистой системы у лиц молодого возраста", авторы: Лямина Н.П. и др., патент RU 2322193 "Способ оценки генетического риска сердечно-сосудистых заболеваний у спортсменов", авторы: Сидоренко Б.А. и др.], основанные на выявлении в ходе лабораторных исследований крови специфических химических соединений-маркеров.
Однако предложенные методики инвазивны.
Известен способ [патент RU 2221478 "Способ оценки эффективности лечения больных с сердечно-сосудистыми заболеваниями", автор: Кутькин В.М. и др.], в котором оценку состояния ССС человека предлагается производить на основе одновременного учета информации о деятельности сердца, получаемой из электрокардиограммы (ЭКГ) и данных о физической активности исследуемого.
Однако способ требует проведения с пациентом специальных нагрузочных тестов, что увеличивает время исследования и ограничивает область применимости разработок случаями, когда мобильность пациентов не ограничена тяжестью состояния или сопутствующими патологиями.
Известны способы оценки функционального состояния ССС человека, использующие одновременный контроль деятельности сердца и оценки состояния кровеносных сосудов:
[патент RU 2207044 "Способ оценки функциональной реактивности сердечно-сосудистой системы", авторы: Лебедева О.Д. и др.,
патент RU 2123285 "Способ измерения уровня здоровья по Фомину B.C.",
патент RU 2013990 "Способ оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы", авторы: Шейх-Заде Ю.Р., Цветковский С.П.].
Однако первый из перечисленных способов требует проведения нагрузочных тестов, а второй подразумевает регистрацию значительного количества параметров. Кроме того, точность локализации патологии описанными способами не очень высока: при интерпретации результатов диагносту затруднительно делать вывод о том, какая подсистема ССС наиболее подверглась патологии, что затрудняет выбор оптимальной стратегии лечения.
Известен способ оценки функционального состояния системы ССС по сигналу сфигмограммы [патент RU 2268639 "Способ пульсометрической оценки функционального состояния и характера вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы человека", авторы: Нестеров В.П. и др.].
Однако способ подразумевает анализ лишь сигнала сфигмограммы, что затрудняет осуществление комплексной оценки функционального состояния ССС.
Наиболее близким к заявляемому способу является [авторское св-во SU 1659018 "Способ оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы по ритму сердца", авторы: Баевский P.M. и др.], суть которого заключается в осуществлении с помощью спектрального анализа количественной оценки активности системы симпатической регуляции частоты сердечных сокращений (ЧСС) по сигналу ЭКГ. Согласно способу функциональное состояние сердечно-сосудистой системы оценивают по ритму сердца путем регистрации электрокардиограммы (ЭКГ) до и во время дозированной нагрузочной пробы, при этом нагрузочную пробу проводят в виде непрерывного счета в заданном темпе в течениие 17-20 минут. До и во время нагрузочной пробы регистрируют электрокардиограмму. Определяют мощность волн и выделяют диапазоны длительностей периодов, вычисляют приращение мощностей волн при переходах от покоя к выполнению пробы и по соотношению количества полученных сочетаний кодов и величине относительного приращения степени напряжения оценивают функциональные возможности сердечно-сосудистой системы.
Этот способ один из самых современных на данном этапе развития кардиологических исследований.
Однако, способ не оценивает степень взаимодействия между системами регуляции, учет которого дает в ходе оценки функционального состояния ССС значимую диагностическую информацию, которой в ходе исследования, диагностики и разнообразных оценок нельзя пренебрегать.
Сущность заявляемого способа оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека характеризуется тем, что одновременно и синхронно регистрируют порядка 10-15 минут сигнал электрокардиограммы (ЭКГ) и сигнал пульсограммы артериальных сосудов, затем осуществляют построение кардиоинтервалограммы по данным ЭКГ, получают спектры мощности кардиоинтервалограммы и пульсограммы, ограничивают частотный диапазон исследования сигналов кардиоинтервалограммы и пульсограммы набором частотных составляющих от 0.05 Гц до 0.15 Гц, находят для выделенных составляющих временные зависимости мгновенной фазы колебаний, характеризующих повторяемость сигналов во времени для обоих сигналов, определяют разность фаз выделенных составляющих сигналов кардиоинтервалограммы и пульсограммы, на графике разности фаз выделяют временные интервалы, в течение которых величина разности фаз остается на уровне вблизи постоянного значения, затем складывают длительности данных выделенных временных интервалов и по отношению их суммарной длительности к общему времени регистрации сигналов ЭКГ и пульсограммы в процентах судят о состоянии сердечно-сосудистой системы в текущий момент времени:
- не менее 60% - удовлетворительно-адекватный уровень функционального взаимодействия сердца и артериальных сосудов;
- 30%-59% - неудовлетворительно-неадекватный уровень функционального взаимодействия сердца и артериальных сосудов;
- менее 30% - неудовлетворительно-выраженная вегетативная дисфункция сердечно-сосудистой системы.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в том, что предложенный способ, в отличие от других существующих и, в том числе, ближайшего аналога, использует в качестве критерия оценки состояния ССС степень функционального взаимодействия между сердцем и сосудами артериального русла. Оценка степени взаимодействия указанных отделов ССС позволяет судить о ее функциональной целостности, которая необходима для обеспечения оптимального кровоснабжения всех органов и тканей организма человека, независимо от условий внешней среды. Для количественной оценки степени взаимодействия в заявленном способе используется численная мера фазовой синхронизации, рассчитываемая по сигналам в диапазоне частот от 0.05 Гц до 0.15 Гц, выделенной из кардиоинтервалограммы и пульсограммы. Таким образом, предложенный способ позволяет получить качественно новую и более объективную информацию о состоянии ССС, в частности о ее функциональной целостности, что позволяет его использовать в случаях, когда необходимо сделать объективную оценку функционального состояния человека, например в условиях, далеких от хорошо оснащенных лабораторий. Способ хорошо приспособлен для реализации в виде автоматизированной программно-аппаратной системы обработки сигналов на базе компьютера.
Описание заявленного способа представлено с помощью фиг.1-10, где фиг.1 - 6 иллюстрируют способ в примере 1:
на фиг.1 представлен участок ЭКГ здорового человека, зарегистрированной во II стандартном отведении по Эйнтховену;
на фиг.2 изображен участок пульсограммы сосудов микроциркулярного русла, зарегистрированной плетизмографическим инфракрасным датчиком отраженного света с пальца руки этого человека;
на фиг.3 точками представлена неэквидистантная кардиоинтервалограмма;
на фиг.4 представлены спектры мощности, оцененные по сигналам кардиоинтервалограммы и пульсограммы здорового человека;
на фиг.5 приведены зависимости от времени мгновенных фаз колебаний сигналов, зарегистрированных при исследовании здорового человека;
на фиг.6 изображен сигнал разности фаз, построенной по сигналам здорового человека. Контрастным цветом отмечены участки, для которых разность фаз остается на уровне вблизи постоянного значения, т.е. на которых исследуемые системы регуляции синхронизованы.
На фиг.7 - 9 заявленный способ иллюстрируется в примере 2:
на фиг.7 представлены спектры мощности сигналов кардиоинтервалограммы и пульсограммы для пациента, перенесшего инфаркт;
на фиг.8 приведены зависимости от времени мгновенных фаз колебаний сигналов, зарегистрированных при исследовании пациента, перенесшего инфаркт;
на фиг.9 изображен сигнал разности фаз, построенной по сигналам зарегистрированным при исследовании пациента, перенесшего инфаркт;
на фиг.10 представлены функции распределения, рассчитанные при статистической обработке данных, зарегистрированных со 150 здоровых людей и пациентов, перенесших инфаркт.
Заявляемый способ состоит в следующем.
Одновременно и синхронно в течение порядка 10-15 минут регистрируют сигнал электрокардиограммы (ЭКГ) и сигнал пульсограммы артериальных сосудов, затем осуществляют построение кардиоинтервалограммы по данным ЭКГ и получают спектры мощности кардиоинтервалограммы и пульсограммы. Частотный диапазон исследования сигналов кардиоинтервалограммы и пульсограммы ограничивают набором частотных составляющих от 0.05 Гц до 0.15 Гц и находят для каждого из двух прошедших описанную обработку сигналов зависимости от времени мгновенной фазы колебаний, характеризующей повторяемость сигналов во времени. Затем определяют разность фаз выделенных составляющих сигналов кардиоинтервалограммы и пульсограммы путем расчета разности между двумя найденными сигналами мгновенных фаз в каждый момент времени. На последнем этапе обработки выделяют временные интервалы, в течение которых величина разности фаз остается на уровне вблизи постоянного значения, длительности этих выделенных временных интервалов складывают и по отношению их суммарной длительности к общему времени регистрации сигналов ЭКГ и пульсограммы (10-15 минут) судят о состоянии сердечно-сосудистой системы в текущий момент времени:
- не менее 60% - удовлетворительно-адекватный уровень функционального взаимодействия сердца и артериальных сосудов;
- 30%-59% - неудовлетворительно-неадекватный уровень функционального взаимодействия сердца и артериальных сосудов;
- менее 30% - неудовлетворительно-выраженная вегетативная дисфункция сердечно-сосудистой системы.
В качестве иллюстрации работоспособности заявляемого способа ниже приведены примеры анализа данных, полученных в ходе исследования здорового человека и пациента, перенесшего инфаркт миокарда за неделю до обследования.
Пример 1
На фиг.1 представлен участок ЭКГ здорового человека, зарегистрированной во II стандартном отведении по Эйнтховену. Фиг.2 изображает участок пульсограммы сосудов микроциркулярного русла, зарегистрированной плетизмографическим инфракрасным датчиком отраженного света с пальца руки этого человека. Регистрация обоих сигналов производилась одновременно и синхронно в течение 10 минут многоканальным цифровым регистратором "Медиком" с частотой дискретизации 250 Гц при разрядности 14 бит. Во время исследования испытуемый лежал спокойно. Из ЭКГ выделяется неэквидистантная кардиоинтервалограмма - участок сигнала изображен на фиг.3 точками. Далее, например, с помощью аппроксимации неэквидистантной кардиоинтервалограммы кубическими сплайнами рассчитывают эквидистантную кардиоинтервалограмму - участок сигнала изображен на фиг.3 сплошной линией.
На фиг.4 представлены спектры мощности, оцененные по сигналам эквидистантной кардиоинтервалограммы и пульсограммы здорового человека. На этих рисунках контрастным цветом отмечен частотный диапазон, из которого составляющие сигналов выделяются для дальнейшей обработки. На фиг.5 приведены зависимости от времени мгновенных фаз колебаний, которые в представленном примере выделяются из обрабатываемых сигналов с помощью преобразования Гильберта, назначение которого - разделение фазовых и амплитудных составляющих сигналов.
Фиг.6 изображает сигнал разности фаз и четко показывает, что разность фаз в данном примере незначительно колеблется около постоянных уровней из-за наличия в сигналах шумов различной природы. Контрастным цветом отмечены участки, для которых разность фаз остается на уровне вблизи постоянного значения, т.е. на которых исследуемые системы регуляции синхронизованы. Из фиг.6 можно увидеть, что суммарная длина таких участков (суммарная длительность временных интервалов) составляет около 530 секунд.
Пример 2
Для иллюстрации корреляции степени синхронизации исследуемых регуляторных систем с тяжестью патологии ССС на фиг.7-9 представлены результаты исследования пациента, перенесшего инфаркт миокарда за неделю до исследования. Спектры мощности сигналов кардиоинтервалограммы и пульсограммы для этого пациента представлены на фиг.7. Видно, что в анализируемом частотном диапазоне имеет место активность и спектры мощности на фиг.7 качественно подобны спектрам, рассчитанным для здорового человека - фиг.4 из примера 1. Вместе с тем, анализ синхронизации позволяет выявить четкие качественные отличия по зависимостям от времени мгновенных фаз колебаний и особенно по сигналам разностей фаз. Так, при сопоставлении фиг.5 и фиг.8 видно, что скорости нарастания мгновенных фаз у здорового человека близки, а у пациента различны. Соответственно, сопоставление разностей фаз здорового человека (фиг.6) и пациента, перенесшего инфаркт (фиг.9), показывает, что разность фаз для пациента быстро нарастает во времени, не демонстрируя тенденции формироваться в горизонтальные уровни. Уже на данном этапе по заявленной технологии видно, что синхронизация отсутствует. Расчет предложенной численной характеристики степени синхронизованности S позволяет количественно охарактеризовать выявленные качественные отличия. Т.к. участки синхронизации на разности фаз, построенной для пациента, не обнаружены, то S=0.0%.
Для иллюстрации работоспособности предложенного способа оценки функционального состояния ССС с его помощью были проанализированы, в частности, более 150 записей здоровых людей и пациентов, перенесших инфаркт миокарда за неделю до исследования. Результаты статистической обработки данных с помощью построения функции распределения представлены на фиг.10. Графики показывают, что предложенный способ позволяет четко классифицировать здоровых людей и больных с нарушениями функционального состояния ССС.
Дополнительные источники информации
1. Физиология человека, (в 3-х томах) Т.2. / Под ред. Шмидта Р., Тевса Г. - М.: "МИР", 1996. - 313 с.
2. Баевский P.M. и др. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем (методические рекомендации) // Вестник аритмологии. - 2001. - №24. - С.1-23.
3. Glass L. Synchronization and rhythmic processes in physiology // Nature. - 2001. - V.410. - P.277-284.
4. Malpas S. Neural influences on cardiovascular variability: Possibilities and pitfalls. // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 2002. - V.282. - P.H6-H20.