СПОСОБ ОЦЕНКИ ТОНУСА АРТЕРИАЛЬНЫХ СОСУДОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РЕОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
METHOD FOR ASSESSING ARTERIAL TONE BY RHEOGRAPHIC FINDINGS

Способ оценки тонуса артериальных сосудов по результатам реографических измерений
Изобретение относится к области медицины, а именно к способам оценки тонуса артериальных сосудов по результатам реографических измерений и может быть использовано в исследованиях состояния сердечно-сосудистой системы человека (ССС).
Известны способы оценки тонуса артериальных сосудов по результатам реографических измерений, заключающиеся в измерении времени быстрого кровенаполнения для оценки тонуса крупных сосудов, измерении времени медленного кровенаполнения для оценки тонуса средних и мелких сосудов, и в измерении межамплитудного коэффициента инцизуры для оценки тонуса прекапиллярных артериол или их периферическое сопротивление [1-3].
В качестве прототипа заявленному способу противопоставлен способ, описанный в источнике [3]. На Фиг. 1 приведена типичная реограмма артериальных сосудов головного мозга здорового человека, при этом реограмма представлена на верхней строке рисунка, а на нижней изображена ее первая производная.
Временной маркер а определяет начало пульсовой волны. Маркер b, совпадающий с максимумом графика первой производной, определяет точку максимальной скорости кровенаполнения артериальных сосудов. Маркер с определяет вершину реоволны, и, наконец, маркер i - ее инцизуру.
1
1
Время быстрого кровенаполнения α задается временным интервалом a-b, и, в соответствии с известным способом оценки тонуса артериальных сосудов по результатам реографических измерений, определяет тонус крупных сосудов. Чем больше α по сравнению с должным значением, тем выше тонус.
2
2
2
Время медленного кровенаполнения α задается временным интервалом b-c. В соответствии с известным способом оценки тонуса артериальных сосудов α определяет тонус средних и мелких сосудов. Чем больше α по сравнению с должным значением, тем выше тонус средних и мелких сосудов [3].
i
i
Межамплитудный коэффициент инцизуры К рассчитывается как отношение амплитуды реограммы в точке i к амплитуде реограммы в точке с и определяет тонус прекапиллярных артериол, или их периферическое сопротивление. Чем больше К по сравнению с должным значением, тем выше тонус прекапиллярных артериол, тем выше периферическое сопротивление [3].
1
1
Если точка максимальной скорости кровенаполнения b определяется достаточно легко по временному положению максимума первой производной реосигнала, то с определением момента прихода пульсовой волны часто возникают проблемы, особенно в регионах с существенными реактивностями (высокая эластичность сосудистой стенки и большая масса столба крови в сосуде). В связи с явлением преднаполнения артерии минимум реограммы часто не совпадает с началом пульсовой волны. Поскольку абсолютная величина α мала, даже небольшие ошибки определения временного положения точки а будут приводить к существенным ошибкам определения α, а, значит, к существенным ошибкам определения тонуса крупных артерий исследуемого региона.
На Фиг. 1 представлена реограмма с нормальным или даже несколько сниженным тонусом крупных артериальных сосудов. Там же приведен результат измерения времени быстрого кровенаполнения (интервал a-b=44 мс). По существующим сегодня должным значениям времени быстрого кровенаполнения для данного региона (40 мс) [3], следует сделать вывод о незначительном повышении тонуса крупных сосудов в случае, представленном на Фиг. 1.
На Фиг. 2 и Фиг. 3 представлены реограммы артериальных сосудов головного мозга (РЭГ, фронтомастоидальное отведение). Эти реограммы демонстрируют весьма значительное повышение тонуса крупных сосудов, однако результаты измерения времени быстрого кровенаполнения дают значения 34 мс и 31 мс, что в соответствии с существующим способом оценки тонуса артериальных сосудов требует сделать вывод о снижении тонуса крупных сосудов.
Анализируя патологические реограммы, приходится постоянно сталкиваться с ситуацией, когда повышение тонуса крупных артериальных сосудов вовсе не приводит к увеличению времени быстрого кровенаполнения. Утверждения известного способа оценки тонуса сосудов о непосредственной связи тонуса крупных артериальных сосудов и времени быстрого кровенаполнения справедливы далеко не всегда.
2
При определении тонуса средних и мелких артериальных сосудов известный способ предполагает использование времени медленного кровенаполнения - временного интервала α, интервала между точкой максимальной скорости кровенаполнения b и вершиной реоволны с [3].
Чаще всего в патологических реограммах положение точки с определяется с еще большей погрешностью, чем положение точки а, поскольку нет полной ясности, где же следует устанавливать маркер с. Известный способ [3] не позволяет определить должна ли точка с совмещаться с глобальным максимумом реосигнала, или совмещаться с вершиной первой систолической волны.
На Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6, Фиг. 7 и Фиг. 8, где представлены примеры патологических реограмм при существенно повышенном периферическим сопротивлении и повышенном тонусе средних и мелких сосудов, на которых положение точек а и с известным методом определяется с большой погрешностью, установить этот маркер еще проблематичнее.
При существенно повышенном периферическом сопротивлении и повышенном тонусе средних и мелких сосудов самой высокой точкой реоволны может стать вершина второй систолической волны, или даже вершина диастолической волны. Возможен вариант, когда все три волны (1-ая систолическая, 2-ая систолическая и диастолическая) имеют равные амплитуды, когда в одном периоде максимум реоволны совпадает с 1-ой систолической, а в другом, например, - с диастолической волной.
Безусловно, ошибка определения положения точки с приведет к ошибке определения тонуса средних и мелких артериальных сосудов.
Анализ патологических реограмм показывает, что не существует четкой связи времени медленного кровенаполнения и тонуса средних и мелких сосудов ни при установке маркера с на вершину первой систолической волны, ни при его установке в глобальный максимум реограммы.
При установке маркера с в глобальный максимум реограммы длительность интервала b-с очень сильно меняется при переходе от одной патологической реограммы к другой. Она зависит от того, с какой конкретно волной совпадет глобальный максимум - первой систолической, второй систолической или диастолической. Но физические причины образования этих волн совершенно различны [4-6], и поэтому временные положения этих различных по своей природе волн принципиально не могут определять один и тот же параметр - тонус средних и мелких сосудов
Попытка установки маркера с на вершину первой систолической волны очень часто оканчивается неудачей, поскольку во многих патологических реограммах непонятно, где она, эта вершина.
Таким образом, рекомендации известного способа анализа реосигналов о связи тонуса средних и мелких артериальных сосудов и времени медленного кровенаполнения, по меньшей мере, не совсем корректны, и совершенно не удобны для использования на практике.
i
В соответствии с известным способом анализа реосигналов, оценка величины периферического сопротивления проводится по межаплитудному коэффициенту инцизуры МК [3], который определяется как отношение амплитуды I реоволны в точке инцизуры i к амплитуде реоволны С.
i
i
i
Если и точка i и точка с определяются без ошибок, то значение МК рассчитывается верно, и, в соответствии с известным способом получают информацию о периферическом сопротивлении сосудов. В большинстве патологических случаев временные положения указанных точек без ошибок определить сложно, что немедленно приводит к ошибке определения межаплитудного коэффициента инцизуры МК. При существенном повышении тонуса крупных артериальных сосудов исследуемой сосудистой области ошибка определения межаплитудного коэффициента инцизуры МК может быть очень большой. В результате вышесказанного недостатком данного способа является резкое снижение качества оценки тонуса артериальных сосудов при анализе патологических реограмм. Первоосновой этого является отсутствие адекватной системы реографических показателей, обеспечивающей жесткую связь между определенными параметрами реосигнала и тонусом артериальных сосудов соответствующего калибра.
Задачей способа является достижения реальной и объективной оценки тонуса артериальных сосудов различных калибров по результатам реографических измерений. Техническим результатом предложенного способа является повышение точности оценки тонуса артериальных сосудов различных калибров.
Технический результат достигается тем, что проводят анализ реограмм и измеряют их информационные параметры, при этом выполняют разложение реосигнала на низкочастотную (НЧ) и высокочастотную (ВЧ) составляющие, причем тонус крупных артерий оценивают по отношению амплитуды НЧ составляющей к амплитуде ВЧ составляющей, тонус средних и мелких артерий оценивают по отношению средней крутизны ВЧ составляющей на участке от начала пульсовой волны до ее вершины (участок a-c) к средней крутизне ВЧ на участке от вершины реоволны до инцензуры (участок c-i), а тонус прекапиллярных артериол, или их периферическое сопротивление оценивают по фазовому сдвигу ВЧ составляющей относительно НЧ составляющей.
Как утверждает К. Каро [4] при рассмотрении процесса распространения пульсовой волны в артериальной системе, - «Волна все больше и больше запаздывает относительно волны давления непосредственно на выходе желудочка, но, кроме того, существенно возрастает ее амплитуда и изменяется форма». Следовательно, волна изменяет свою форму и это означает, что в пределах полосы частот реосигналов артериальную систему нельзя считать широкополосной, она обладает достаточно выраженными избирательными свойствами, и именно особенности ее амплитудно- и фазо-частотной характеристик и находят отражение в изменении формы и амплитуды реосигнала по сравнению с реосигналом в аорте.
Особенности амплитудно- и фазо-частотной характеристик артериальной системы есть отражение особенностей физических свойств ее сосудов. Анализ изменений форм и амплитуды реоволны позволяет получить информацию о физических параметрах сосудов.
Разделим реоволну на некоторые легко различимые и сопоставимые составляющие - низкочастотную (НЧ, 1-ая гармоника частоты сердечных сокращений) и высокочастотную (ВЧ, сумма остальных гармоник ЧСС), на которые по-разному влияли бы эластичные свойства сосудов различного уровня, величина периферического сопротивления, кровенаполнение сосудов, наличие волны отражения и т.д.
Выделяем первую гармонику сигналов в каждой из рассматриваемых реограмм (низкочастотная синусоида в нижнем ряду графиков Фиг. 9 - Фиг. 16). Естественно, форма колебаний поперечного сечения сосудов в различных участках артериальной системы в этом случае будет совершенно одинакова, а отличаться могут лишь амплитуды и фазы колебаний (относительно моментов прихода пульсовых волн в рассматриваемые артериальные сечения).
Обычно амплитудно-частотная характеристика артериальной системы имеет значительный подъем в области наинизших частот спектра существующих в артериальной системе колебаний и поэтому, как правило, наибольшая амплитуда спектральных составляющих реосигнала свойственна первой гармонике, т.е., наиболее значительные и продолжительные изменения поперечного сечения сосудов и давления в них происходят именно с частотой сердечных сокращений. Низкочастотные пульсации, в основном, будут характеризовать кровоток и степень кровенаполнения сосудов исследуемого бассейна из общей эластичной емкости (аорты), а высокочастотные пульсации (высокочастотные компоненты в нижнем ряду графиков Фиг. 9 - Фиг. 16) будут отражать реакцию крупных артериальных сосудов на импульсное изменение давления, вследствие прихода пульсовой волны, и на меняющееся перераспределение крови между сосудами различного калибра уже внутри исследуемого бассейна.
Поскольку амплитудно-частотная характеристика артериальной системы имеет значительный подъем в области низких частот, можно говорить о том, что в артериальной системе существуют предпочтительные условия для существования колебаний наинизших частот спектра реосигнала (1-ая гармоника ЧСС). Они интерферируют с колебаниями, являющимися отголосками колебательных процессов предыдущего периода, складываются с отраженными колебаниями, возникающими при отражении от периферического сопротивления, меняют свою амплитуду и фазу.
С другой стороны, высокочастотные составляющие колебаний представляют короткоживущие компоненты, быстро затухающие при распространении пульсовой волны и отражающие свойства ближайших участков сосудистого русла. Именно в силу указанных причин в дальнейшем мы будем наблюдать существенно различные изменения амплитуды и фазы ВЧ и НЧ составляющих реосигнала при их распространении по одному и тому же участку сосудистой системы.
В общем случае фаза первой гармоники реограммы в области рассматриваемого артериального сечения отличается от фазы первой гармоники реограммы аорты на некоторый угол φ, то есть, эти низкочастотные колебания сдвинуты относительно друг друга по фазе.
При изменении тонуса сосудов различного калибра в исследуемой сосудистой области, тонуса магистральных сосудов, и, в особенности, величины периферического сопротивления, угол φ может изменяться, и довольно существенно. Основные причины - фазовые сдвиги при распространении пульсовой волны (в меньшей степени), и влияние волны отражения от периферического сопротивления (в существенно большей степени). При формировании волны отражения, ее амплитуда и фаза могут изменяться в очень широких пределах («положительное» и «отрицательное» отражение), что и вызывает большие изменения угла φ.
Увеличение периферического сопротивления (по сравнению с условием полного согласования) приводит к увеличению амплитуды волны отражения и увеличению угла φ.
Уменьшение периферического сопротивления также приводит к увеличению амплитуды волны отражения, но, с инвертированием ее фазы, и вызывает уменьшение φ.
Влияние изменения тонуса крупных сосудов на величину фазового сдвига φ значительно меньше, поскольку возможные изменения тонуса не могут привести к столь существенным изменениям фазового сдвига на низкой частоте первой гармоники.
Затухание ВЧ составляющих пульсовой волны при их распространении в артериальных сосудах будет существенно выше, чем затухание первой гармоники сигнала, поскольку сосудистая система представляет собой НЧ фильтр с существенным подъемом амплитудно-частотной характеристики в области наинизших частот. С учетом того, что мощные отраженные волны могут формироваться только периферическими, дальними зонами артериальной системы, в высокочастотных составляющих регистрируемых реограмм влияние отраженных волн будет проявляться очень незначительно.
Высокочастотные составляющие будут сдвинуты по фазе только на угол, определяемый результирующей эластичностью крупных сосудов и индуктивностью столба крови между аортой и рассматриваемым артериальным сечением. В то же время, первая гармоника реограммы будет сдвинута еще на некоторый дополнительный угол (положительный или отрицательный), определяемый влиянием отраженной от периферического сопротивления волны. Таким образом, разность фазовых сдвигов ВЧ и НЧ составляющих реосигнала может характеризовать степень влияния периферического сопротивления сосудистой области на амплитудно- и фазо-частотную характеристики артериальной системы исследуемого объекта.
Фазовый сдвиг НЧ составляющей реосигнала исследуемой области по отношению к НЧ составляющей аорты (или по отношению к ВЧ составляющей реосигнала исследуемой области) может быть использован как информационный параметр для совместной оценки периферического сопротивления исследуемой сосудистой области и состояния венозного оттока.
Выявлено, что при расчете фазы первой гармоники реосигнала по отношению к ВЧ составляющей принципиально не могут возникнуть трудности с формализацией вычислений, в противовес тому, как они возникают в известном способе, например, при расстановке временных маркеров.
Теперь о высокочастотных составляющих реосигнала.
Как видно из Фиг. 9 - Фиг. 16, в отличие от первой гармоники, форма высокочастотных колебаний давления в различных артериальных сечениях уже не всегда одинакова, хотя общий характерный вид кривых сохраняться.
Любая кривая имеет всплеск в момент прихода пульсовой волны и ряд постепенно затухающих высокочастотных осцилляций, отражающих отклик артериальных сосудов исследуемой области на ударное воздействие в виде пульсовой волны. Интерес представляет максимальная амплитуда высокочастотных колебаний - размах импульсного изменения поперечного сечения крупных артериальных сосудов в момент прихода пульсовой волны.
Понятно, что этот размах будет зависеть от тонуса магистральных сосудов, тонуса крупных сосудов в области рассматриваемого сечения, ударного объема и мощности сокращений желудочка. Чем ниже тонус магистральных и крупных сосудов в области рассматриваемого сечения, чем выше их эквивалентная эластичность, тем больше будет увеличение их поперечного сечения в момент прихода пульсовой волны.
Простейший способ оценки тонуса крупных сосудов исследуемой сосудистой области - оценка размаха нормированной (приведенной к стандартному расстоянию между электродами и стандартному базисному сопротивлению) суммы высокочастотных гармоник реосигнала. Более удобно для оценки тонуса крупных сосудов региона использовать отношение размаха низкочастотной составляющей реосигнала исследуемого сосудистого бассейна к размаху суммы высокочастотных составляющих. Данное отношение не будет зависеть от ударного объема и мощности сокращения желудочка, поскольку с их изменением будут одновременно меняться оба показателя - и размах НЧ, и размах суммы ВЧ составляющих.
Таким образом, тонус крупных артериальных сосудов региона наиболее удобно определять по величине отношения размаха НЧ составляющей зарегистрированного реосигнала к размаху ВЧ составляющей. В большинстве сосудистых регионов в норме это отношение будет приближаться к единице. Снижению тонуса крупных артерий будет соответствовать уменьшение отношения (размах ВЧ становится больше размаха НЧ), а повышению тонуса - увеличение отношения НЧ к ВЧ (размах ВЧ становится меньше размаха НЧ).
Определение размаха НЧ составляющей никогда не вызывает затруднений, поскольку НЧ составляющая всегда - синусоида, и размах НЧ составляющей есть двойная амплитуда этой синусоиды.
Размах ВЧ составляющей определяется между точками начала и конца крутого роста ВЧ составляющей, точками начала и конца крутого роста отображения первой систолической волны в ВЧ составляющей.
В большинстве случаев вершина отображения первой систолической волны в ВЧ составляющей является точкой глобального максимума ВЧ составляющей и тогда размаха ВЧ составляющей определяется тривиально (Фиг. 9, Фиг. 12, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 16).
При значительном повышении тонуса средних и мелких артериальных сосудов исследуемого региона глобальным максимумом ВЧ составляющей может стать либо участок плато между отображениями первой и второй систолических волн в ВЧ составляющей (Фиг. 12), либо вершина отображения второй систолической волны (Фиг. 10, Фиг. 11, Фиг. 15). Вершины первой систолической волны на Фиг. 10 и Фиг. 11 будут лишь точками перегиба на восходящей части ВЧ составляющей. В этом случае размах ВЧ составляющей определяется между точкой начала крутого роста ВЧ составляющей и точкой конца крутого роста, предшествующей точке перегиба (точки а и с на Фиг. 10 и Фиг. 11).
Должные значения на введенный нами параметр будут одинаковы практически для всех сосудистых регионов, кроме сосудов мозга и глаза, функционирующих в замкнутых несжимаемых объемах.
Тонус средних и мелких артериальных сосудов региона в заявляемом способе определяяется по отношению средней крутизны восходящего участка ВЧ составляющей реограммы на интервале (а-с) к средней крутизне последующего нисходящего участка (с-i). Чем более крут нисходящий участок, тем интенсивней осуществляется отток крови из крупных артерий в средние и мелкие, тем более податливы эти сосуды, тем меньше их тонус и выше эластичность. Поскольку определяется отношение наклонов различных участков одной и той же ВЧ составляющей колебаний артериальной стенки крупного сосуда, влияние эластичности самого крупного сосуда исключается и, таким образом, величина полученного отношения будет характеризовать именно тонус средних и мелких артериальных сосудов исследуемой сосудистой области.
Для любых сосудистых зон в норме нисходящий участок ВЧ составляющей оказывается чуть более пологим (Фиг. 9, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 16).
При умеренном повышении тонуса средних и мелких артериальных сосудов нисходящий участок превращается в плато между отображениями первой и второй систолических волн в ВЧ составляющей (Фиг. 12). При значительном повышении тонуса средних и мелких сосудов наблюдается дальнейший рост ВЧ составляющей после точки перегиба с (вершины отображения первой систолической волны), вплоть до вершины отображения второй систолической волны в ВЧ составляющей (Фиг. 10, Фиг. 11, Фиг. 15).
Если реораммы на Фиг. 9 и Фиг. 13 могут быть правильно интерпретированы и в соответствии с известным способом анализа, и в соответствии с заявляемым, то реограммы на Фиг. 10, Фиг. 11, Фиг. 12, Фиг. 15 и Фиг. 16 вызывают массу вопросов при попытке использования известного способа. Возникает проблема с установкой маркера с на рисунках Фиг. 10, Фиг. 11, Фиг. 12, Фиг. 14, Фиг. 15 и Фиг. 16.
Далее, на всех восьми рисунках (Фиг. 9 - Фиг. 16) представлены реограммы, для которых время быстрого кровенаполнения находится в пределах 29-38 мс, т.е. меньше 40 мс, что является нормой для этого сосудистого региона (ФМ-ОМ) [3]. Это заставляет сделать вывод о нормальном, или, даже, сниженном тонусе крупных сосудов рассматриваемых регионов, что явно не соответствует действительности, например, для Фиг. 10, Фиг. 11, Фиг. 12 и Фиг. 15.
Если маркер с на Фиг. 10, Фиг. 11, Фиг. 12 или Фиг. 15 совместить с глобальными максимумами соответствующих реоволн, то на основании рассчитанных значений межамплитудного коэффициента диастолической волны выводы о периферическом сопротивлении исследуемых регионов будут ошибочными. Если маркер с поставить так, как это сделано на наших рисунках, то выводы будут более объективны, но почему, следуя известному способу оценки параметров реосигналов, маркеры следует ставить в эти точки? А в какие точки нужно ставить маркер с на Фиг. 14 и Фиг. 16?. Вскользь лишь говорится об установке маркера с в точку максимума реоволны. Все равно какого? Вне зависимости от того, с какой волной он совпадает? А если в реоволне два или три равных максимума?
Заявляемый способ анализа позволяет легко обойти отмеченные трудности. Реограммам на Фиг. 9, Фиг. 13 и Фиг. 14 свойственен нормальный тонус крупных сосудов (на Фиг. 13 несколько ниже), поскольку относительный размах ВЧ и НЧ составляющих для этих рисунков примерно одинаков (на Фиг. 13 размах ВЧ несколько больше размаха НЧ).
Тонус средних и мелких сосудов для реограмм этих рисунков примерно одинаков и соответствует норме, поскольку наклон ВЧ составляющих после точки с практически соответствует наклону до точки с.
Периферическое сопротивление и состояние венозного оттока региона, представленного на Фиг. 9 - в норме. Для регионов, представленных Фиг. 13 и Фиг. 14, периферическое сопротивление явно повышено, поскольку минимумы ВЧ составляющих существенно ниже середин восходящих участков соответствующих НЧ составляющих. Скорее всего, в данном случае имеет место затруднение венозного оттока, а не повышение периферического сопротивления, поскольку тонус артерий крупного, среднего и мелкого калибров для рассматриваемых регионов - в норме (на Фиг. 13 степень затруднения венозного оттока выше).
Реограммы на Фиг. 11, Фиг. 10, Фиг. 15, Фиг. 12 и Фиг. 16 свойственны регионам с генерализованным повышением тонуса сосудов всех калибров. В наибольшей степени это выражено в регионе, представленном Фиг. 11, а в наименьшей - Фиг. 12 и Фиг. 16. Возможно, Фиг. 16 говорит и о некотором затруднении венозного оттока.
Использование заявляемого способа позволяет однозначно провести анализ всех реограмм, как нормальных, так и реограмм с различными патологиями и достичь высокого качества оценки тонуса артериальных сосудов по результатам реографических измерений. В известных способах оценки, в т.ч. и в аналоге-прототипе, отсутствуют общие формальные правила для установки некоторых маркеров (например, маркер с), их расстановки, что во многих случаях патологий вызывает затруднения или неоднозначные оценки, приводящие к врачебным ошибкам. Правильная расстановка характерных точек при анализе реограмм, обеспечивает жесткую связь между параметрами реосигнала и тонусом артериальных сосудов соответствующего калибра. Тонус артериальных сосудов один из основных показателей состояния сердечно-сосудистой системы человека. Предложенный способ применен для нахождения показателей реосигнала (характерных точек, маркеров) в реографическом комплексе РЕОКОМ (производства ООО «МедПромИнжиниринг»).
Использованные информационные источники.
1. А.И. Науменко, В.В. Скотников; Основы электроплетизмографии. Л., Медицина, 1975, 214 стр.
2. Х.Х. Ярулин; Клиническая реоэнцефалография. Л., Медицина, 1967, 276 стр.
3. Л.Б. Иванов, В.А. Макаров; Лекции по клинической реографии. М., 2000, 319 стр.
4. К. Каро, Т. Педли, Р. Шротер, У. Сид; Механика кровообращения. Пер. с англ. М., 1981, 624 стр.