Ballistocardiography as a part of cardiac function research

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.

About the authors

P. V Surzhikov

Email: surj.md@gmail.com

V. P Kitsyshin

Email: kitsyshin@yandex.ru

R. G Makiev

Email: moro5555@yandex.ru

References

Supplementary files