Ballistocardiography as a part of cardiac function research



Cite item

Abstract

Provided an overview of materials on the history of the formation method ballistocardiography for diagnosis of cardiovascular disease, an assessment of its current status and prospects for further development. Investigation of the physiological changes in the myocardium by recording ballistocardiogram acquires greater relevance since the existing knowledge in the field of cardiac diagnosis were obtained using instruments that do not meet modern requirements. Although the results of previous studies and define the basic characteristics ballistocardiography nonetheless update and clarification of details in relation to the data obtained by the use of modern methods of measuring contractility of the myocardium, it is useful. The resumption of work on the development of reliable devices for ballistocardiography is an urgent task. Method ballistocardiography under military medicine may be used for the integrated assessment of the functional state of the cardiovascular system during clinical examination of servicemen during mass examinations of recruits, the selection of students in military schools, as well as in monitoring the hemodynamic status in a hospital.

Full Text

Потребность в достоверных неинвазивных методах оценки состояния сердечно-сосудистой системы существовала на самых ранних этапах развития медицины. Прорыв в естествознании на рубеже XIX-XX веков обусловил начало глубокого и всестороннего изучения биофизических процессов в живом организме. Были созданы новые методы их регистрации и анализа - электрография, рентгенография, фотовидеография, фонография. Создание высокоскоростных компьютерных способов обработки получаемых результатов дало возможность развития еще более сложных и высокоинформативных методов изучения функционирования живых систем и сердечнососудистой системы в частности [24]. Продолжением рутинной электрокардиографии (ЭКГ) явились компьютерная векторкардиография, частотная ЭКГ и электромагнитное пре- и интракардиаль-ное картирование. Одномерная трансторакальная эхокардиография дополнена трехмерной внутрисосудистой эхографией и допплерографией, рентгенография - рентгеновской и ядерной магнитнорезонансной компьютерной томографией. В ряду оптических методов появилась внутрисосудистая оптическая когерентная томография. Существенно способствовали минимизации и автоматизации анализа методы сфигмографии, плетизмографии, радиоизотопной визуализации. «Военно-медицинский журнал.», 10’2014_ Каждая из методик в настоящее время заняла свое место в сложном многоступенчатом процессе диагностики сердечно-сосудистых заболеваний. Большую актуальность приобретает исследование физиологических изменений в миокарде с помощью баллистокардиографии. Баллистокардиография (БКГ) - метод регистрации колебаний с поверхности тела человека, обусловленных деятельностью сердца и перемещением крови по крупным кровеносным сосудам. Он отображает, таким образом, общую производительность системы кровообращения [24]. Впервые такой подход к оценке гемодинамики был предложен J.W.Gor-don (1877) [9], а позднее - Y.Henderson (1905) [11]. Однако члены Комитета по баллистокардиографии Американской кардиологической ассоциации посчитали основателем метода ученого I.Starr (1938) [26]. На начальном этапе внедрения метода при записи движения специальной платформы, на которой располагался пациент, стояли следующие основные задачи: уменьшение влияния посторонних механических колебаний на прибор [16], создание механизма преобразования механических колебаний в электрический сигнал и передача его на прибор регистрации. Однако самой важной и длительно не решаемой проблемой была унификация получаемой записи из-за наличия большого количества разрознен_ 25 ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ных исследований и публикаций по данному вопросу с различной трактовкой результатов, а также непрерывное модифицирование оборудования и метода. Отсутствие унификации не позволяло выработать единую концепцию по физиологической интерпретации получаемого сигнала и его деформаций [16]. Лишь в 1956 г. после длительных дискуссий Американской ассоциацией сердца были приняты единые баллистокардиографические термины и предложены пространственные оси по регистрации колебаний. Результатом стал доклад, опубликованный в журнале «Circulation» в 1956 г. [29]. В нем приводятся типичные сигналы, полученные от каждого из доступных в то время устройств. Признано наличие устойчивых волн «высокой частоты» [26], «низкочастотных» и «ультранизкочастот-ных», или «апериодических», волн [9, 11]. Подробно представлены были все баллистические характеристики волн и описаны возможные причины их возникновения. В настоящее время волны БКГ разделяются на три основные группы [1] и трактуются следующим образом (см. рисунок). Пресистолические волны (регистрируются только при брадикардии): F - систола предсердий; G - удар крови из предсердий о стенки желудочков. Систолические волны: Н - изометрическое сокращение желудочков; I - начало фазы быстрого изгнания крови из желудочков; J - средне-систолический выброс, удар крови о дугу аорты и бифуркацию легочной артерии; К - замедление скорости тока крови в нисходящей аорте и удар пульсовой волны о бифуркацию аорты. Диастолические волны: L - изометрическое расслабление, отдача после опорожнения содержимого предсердий, замедление скорости венозного притока в больших венах в начале диастолы; М - возникает в фазе быстрого наполнения желудочков, соответствует раскрытию атриовентрикулярного клапана и удару крови о стенки желудочков; N - «гидравлический удар» при прекращении быстрого наполнения желудочков; О - послеколебания. На рисунке представлена БКГ здорового человека. Волны H, I, J, K, L должны быть доминирующими в формировании кривой, начиная же с диастолической волны L часто наблюдается их слабая визуализация, что затрудняет объективную оценку [16]. Несмотря на наличие в норме достаточной выраженности амплитуд систолических волн, нередко и они становятся малозаметными. 26_«Военно-медицинский журнал», 10’2014 Кроме того, существует возможность появления артефактов при любых, порой весьма слабых движениях или дыхании пациента. Артефакты, к сожалению, представляют большую проблему в интерпретации БКГ [22, 29]. Изменения со стороны дыхательной системы могут оказать существенное влияние на некоторые волны. Помимо механических колебаний «вдох-выдох», дыхание влияет и на объем выброса левого желудочка [5], что также изменяет амплитуду флуктуаций. Наличие данных влияний отражено практически во всех публикациях. Изменения могут быть связаны и со слабостью дыхательной мускулатуры, потерей давления в магистральных сосудах, с повышенной воздушностью легких [7]. Курение также вызывает изменения на баллистокарди-ограмме. По некоторым данным, у большой части больных ишемической болезнью сердца после выкуривания сигареты БКГ деформируется [6]. Данные изменения не являются специфичными, однако было предположено, что они связаны с сужением коронарных артериол и общим сужением кровеносных сосудов [22]. Ранее помехи устранялись путем строгой фиксации пациента к исследовательской платформе с регистирующим датчиком. Ныне фактор искажения артефактами практически нивелирован благодаря автоматической обработке балли-стокардиограммы с усредненной адаптацией длительного ряда непрерывно регистрируемых сигналов по амплитудновременным параметрам. По мнению ряда исследователей, изменения волн БКГ способны указывать на наличие патологии со стороны сердечно-сосудистой системы [24]. Они являются точным показателем возраста системы кровообращения человека [5, 7, 14, 17]. На ранних стадиях заболеваний, связанных с нарушениями сердечной сократимости, задолго до появления первых клинических признаков существует возможность их выявления. С другой стороны, трудно установить однозначную связь между заболеваниями и изменениями на БКГ. Меньше всего сомнений в диагностической значимости метода возникает при выраженных анатомических измене «Военно-медицинский журнал.», 10’2014_ ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ниях структур и камер сердца с нарушением внутрисердечной гемодинамики. Было убедительно проказано, что при стенозе митрального клапана уменьшается амплитуда I и J волны, в то время как при аортальном стенозе и недостаточности - увеличивается [10]. Коаркта-ция аорты также хорошо определяется, на это указывают несколько исследований, в которых выявлено уменьшение или исчезновение волны K. Открытый артериальный проток, дефект межпредсерд-ной перегородки также приводят к снижению волны K. Констриктивный перикардит, артериовенозные аневризмы, вызывая патологические изменения наполнения, ведут к нарушению диастолических волн L и М [12, 28]. Не столь однозначно мнение ученых по поводу возможностей БКГ в диагностике других заболеваний сердечно-сосудистой системы. В прошлом (40-60-е годы минувшего столетия), когда господствовали фоно- и электрокардиография, ряд авторов считали, что исследования волн БКГ весьма уместны в отношении ишемической болезни сердца [10]. В других исследованиях было показано, что с помощью наблюдения за БКГ можно исследовать влияние фармакологических препаратов на сердечную функцию [25]. Обнадеживающие результаты были получены при изучении прогностических критериев развития или рецидива ишемии миокарда, предсказанные с помощью БКГ. Было показано, что инфаркт миокарда, стенокардия и безболевая ишемия миокарда вызывают искажения в кривой записи сигнала [8]. Значительный вклад в изучение клинической значимости данного метода внесло исследование M.Moser и соавт. [18], в котором проанализированы данные обследования 100 человек, проходивших реабилитацию после перенесенного инфаркта миокарда. В 81% случаев была зарегистрирована ненормальная БКГ, при этом у 74 пациентов с измененными волнами БКГ были изменения и на электрокардиограмме. В обзорном материале, подводившем итог 20-летнего применения БКГ в клинической практике, J.Starr и соавт. [27] было показано, что риск развития коронарной болезни сердца, сильно завися- 27 ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ щий от возраста, также зависел и от волновой формы баллистокардиограммы. Более того, вероятность рецидивов, предсказанных изменениями БКГ-сигналов, оказалась высокой и не была связана с возрастом пациента. Также было подчеркнуто, что в пожилом возрасте изменения на БКГ являются важным предиктором сердечно-сосудистых событий, хотя они и не являются специфическими. Другие заболевания, изменяющие силу сердечного выброса, могли вызывать изменения того же типа (например, смазывание или значительное уменьшение амплитуды волн I и J). К середине 60-х годов стало понятно, что БКГ как инструментальный диагностический метод в кардиологическом обследовании занимает строго определенную и довольно узкую нишу. На фоне бурно развиваюшихся электро- и эхокардиографии методу БКГ не удалось доказать свою полезность [8, 10, 27] по причине трудностей практического применения из-за нерешаемых инженерных проблем и сложностей в клинической интерпретации. Высокотехнологичные разработки в области электроники и биомедицины, компьютеризация анализа качественно преобразили и существенно расширили диагностические возможности традиционных методов диагностики, внеся радикальные инженерные новшества и в методику БКГ [19]. В 90-х годах для регистрации баллистических флуктуаций были предложены пьезоэлектрические датчики Эмфи [13], которые совместно с современными цифровыми методами компьтерной обработки данных, ориентированными на колебания БКГ, значительно повысили точность измерений и качество регистрируемого сигнала [4]. Появилась возможность дистанционной оценки сердечной деятельности организма при расположении баллистокардиографических датчиков в предметах повседневного обихода с выполнением измерений в отсутствие медицинского персонала. Малозаметность, комфортность и дистанцион-ность - факторы, обеспечивающие стрес-соустойчивость пациентов к проводимому исследованию и тем самым отобра жающие наиболее адекватную физиологическую реакцию организма [12, 20]. В последних исследованиях с использованием современных систем БКГ клинической интерпретации волн уделяется наименьшее внимание. При современной технической реализации БКГ рассматривается как метод, позволяющий мониторировать состояние гемодинамики пациента практически в любых условиях и на протяжении длительного времени. Метод стал широко использоваться для контроля частоты сердечных сокращений и изучения вариабельности сердечного ритма (ВСР) [20, 21]. Если частота сердечных сокращений является интегральным показателем функционального состояния сердечно-сосудистой системы, то изучение динамики интервалов R-R во времени позволяет судить о вегетативном гомеостазе. Колебания значений данных показателей несут важную информацию о повседневной жизнедеятельности человека, а при наличии кардиоваскулярной патологии вносят значительный вклад в оценку прогноза сердечно-сосудистого риска [23]. Анализ ВСР - не единственная область применения современной баллистокардиографии. Так, проводится изучение возможностей БКГ по мониторированию качества сна и особенностей двигательной активности человека в ночное время. Регистрация осуществляется с помощью специальных кроватей со встроенными БКГ-датчиками, усовершенствовавши специально для этих целей [14, 15]. Модифицирование БКГ-устройств привело к созданию метода количественной вертикальной модифицированной баллистокардиографии (КВМБКГ) [2], основным отличием которого является получение качественного сигнала с автоматическим подавлением флуктуаций-артефактов, усреднением значений БКГ-волн конкретного обследуемого и представлением значений в абсолютных амплитудно-временных величинах (ньютонах и секундах). Метод КВМБКГ может быть использован в современных аппаратно-программных комплексах для проведения скрининговых обследований различных контингентов военнослужащих, а также 28 «Военно-медицинский журнал», 10’2014 для контроля за состоянием центральной гемодинамики у пациентов в условиях отсутствия современного высокотехнологичного оборудования на различных этапах эвакуации больных, раненых и пострадавших. Совершенствование методики и внедрение ее в войсковую медицинскую практику перспективно из-за простоты выполнения, неинвазивности, низкой материальной затратности. Предложенный нами баллистокардиографический метод с разработанным алгоритмом и решающим правилом для определения сократительной способности миокарда [3], наряду с традиционными ЭКГ, рит-мокардиографией и измерением артериального давления, может быть использован в широкой клинической практике. Исследование физиологических изменений в миокарде с помощью регистрации баллистокардиограммы приобретает большую актуальность, т. к. имеющиеся знания в данной области кардиоло- ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ гической диагностики были получены с использованием приборов, не отвечающих современным требованиям. Хотя результаты проведенных ранее исследований и позволяют определить основные характеристики баллистокардиографии, тем не менее их обновление и уточнение в сопоставлении с данными, полученными при использовании современных методов измерения контрактильно-сти миокарда, представляется полезным. Возобновление работ по созданию надежных устройств для баллистокардиографии является насущной задачей. Метод БКГ в условиях военной медицины может быть использован для комплексной оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы при диспансеризации военнослужащих, во время массовых осмотров призывников, отборе кандидатов для обучения в военных учебных заведениях, а также при контроле за состоянием гемодинамики в условиях стационара.
×

References

  1. Баевский Р.М., Талаков А.А. Баллистокардиография. - Медицина и физкультура. - София. - 1971. - 265 с.
  2. Деев И.А., Ермолаев В.И., Семений А.Т., Агафонов В.И. Способ оценки сократительной функции миокарда человека / Патент РФ № 2089095, МПК A61B5.00; опубликован 10.09.1997. - URL: http://www.freepatent.ru (дата обращения: 19.09.2014).
  3. Суржиков П.В., Кицышин В.П., Шустов С.Б. и др. Возможности инокардиографии в определении систолической функции левого желудочка // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 9 (6). - С. 1146-1150.
  4. Akhbardeh A., Junilla S., Koivuluoma M. et al. Evaluation of heart condition based on ballistocardiogram classification using compactly supported wavelet transforms and neural networks / Proceedings of the 2005 IEEE Int. Conf. on Control Applications. - Toronto, Canada. - 2005. - P. 843-848.
  5. Cournand A. Recent observations on dynamics of pulmonary circulation // Bull. New York Acad. Med. - 1947. - Р. 23-27.
  6. Davis F.W. Jr., Scarborough W.R. et al. The effects of exercise and smoking on the electrocardiograms and ballistocardiograms of normal subjects and patients with coronary artery disease // Am. Heart J. - 1953. - Vol. 46. - Р. 529.
  7. Dock W. Ballistocardiography. - St. Louis: C.V. - Mosby. Co. - 1953.
  8. Dock W., Mandelbaum H., Mandelbaum R.A. Ballistocardiography in medical practice // J. Am. Med. Assoc. - 1951. - Vol. 146. - Р. 1284.
  9. Gordon J.W. On certain molar movements of the human body produced by the circulation of the blood // J. Anat. Physiol. - 1877. - № 11. - Р. 533.
  10. Gubner R.S., Rodstein M., Ungerleider H.E. Ballistocardiography - an appraisal of technic, physiologic principles and clinical value // Circulation. - 1953. - Vol. 7. - Р. 268-286.
  11. Henderson Y. The mass-movements of the circulation as shown by a recoil curve // Am. J. Physiol. - 1905. - № 14. - Р. 287.
  12. Kim J.M., Hong J.H., Cho M.C. et al. Wireless biomedical signal monitoring device on wheelchair using noncontact electro-mechanical film sensor / Proceedings of the 29th IEEE EMBS Annual International Conference. - Lyon, France. - September, 2007. - P. 574-577.
  13. Lekkala J., Paajanen M. Emfi - new electret material for sensors and actuators / Proceedings of the 10th IEEE International Symposium On Electrets. - Delphi, Greece. - September, 1999. - Р. 743-746.
  14. Mack C., AJwan M., Turner B. et al. A passive and portable system for monitoring heart rate and detecting sleep apnea and arousals: Preliminary validation / Proceedings of the Distrib. Diagnosis Home Healthcare Conf. - Arlington, USA. - 2006. - P. 51-54.
  15. Mack D.C., Patrie J.T., Suratt P.M. et al. Development and preliminary validation of heart rate and breathing rate detection using a passive, ballistocardiography-based sleep monitoring system // IEEE Trans. Inform. Technol. Biomed. - 2009. - Vol. 13, № 1. - Р. 111-120.
  16. Makinson D.H. Changes in the ballistocardiogram after exercise in normal and abnormal subjects // Circulation. - 1950. - Vol. 2. - P. 186.
  17. Master A.M., Chesky K., Pordy L. The cardiovascular examination of 200 practicing physicians over the age of forty // New York J. Med. - 1951. - Vol. 51. - P. 1713.
  18. Moser M., Pordy L., Chesky K. et al. The ballistocardiogram in myocardial infarction: a study of 100 cases // Circulation. - 1952. - Vol. 6. - 402.
  19. Myers S., Grant R.W., Lugn N.E. et al. Impact of home based monitoring on the care of patients with congestive heart failure // Home Health Care Manag. Pract. - 2006. - Vol. 18. -N 6. - P. 441- 451.
  20. Pinheiro E.C., Postolache O., Girao P. Pulse arrival time and ballistocardiogram application to blood pressure variability estimation / Proceedings of the 4th IEEE Int. Work. on Medical Measurements and Applications. - Cetraro, Italy. - 2009. - P. 132-136.
  21. Pinheiro E., Postolache O., Girаo P. Blood Pressure and Heart Rate Variabilities Estimation Using Ballistocardiography / Proceedings of the 7th Conf. on. Telecom. - Santa Maria da Feira, Portugal. - 2009. - P. 125-128.
  22. Pollock P. Ballistocardiography: a clinical review // Canad. Med. Assoc. J. - 1957. - Vol. 76. - P. 778-783.
  23. Postolache O., Girаo P.S., Postolache G. New approach on cardiac autonomic control estimation based on bcg processing / Proceedings of the 2007 Canadian Conf. Electrical Eng. -Vancouver, Canada. - 2007. - P. 876-879.
  24. Selzer A. Fifty years of progress in cardiology: a personal perspective // Circulation. - 1988. - № 77. - P. 955-963.
  25. Starr I. The ballistocardiograph: an instrument for clinical research and for routine clinical research and for routine clinical diagnosis // Harvey Lect. - 1946-47. - Vol. 42. - P. 194.
  26. Starr I., Rawson A.J., Schroeder H.A. Apparatus for recording the heart’s recoil and the blood’s impacts in man (ballistocardiograph), experiments on the principles involved, records in normal and abnormal conditions / Proceedings of the Am. Physiol. SOC. 50th Annual Meeting // Am. J. Physiol. - 1938. - P. 123-195.
  27. Starr I., Wood F.C. Twenty-year studies with the ballistocardiograph: the relation between the amplitude of the first record of «healthy» adults and eventual mortality and morbidity from heart disease // Circulation. - 1961. - Vol. 23. - P. 714-732.
  28. Talbot S.A., Deuchar D.C., Davis F.W. Jr. et al. The aperiodic ballistocardiograph // Bull. Johns Hopkins Hosp. - 1954. - Vol. 94. - P. 27.
  29. William R.S., Samuel A.T., John R.B. et al. Proposals for ballistocardiographic nomenclature and conventions / Revised and extended report of committee on ballistocardiographic terminology // Circulation. - 1956. - Vol. 14. - P. 435.

Copyright (c) 2014 Eco-Vector

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies