ANALYSIS OF NONLINEAR DYNAMICS IN THE MICROVASCULATURE IN CHILDREN WITH TYPE 1 DIABETES BY LASER DOPPLER FLOWMETER

Full Text

Микроциркуляция является детерминированным процессом, включающим колебательно-волновые компоненты и нелинейные взаимосвязи. В биологических системах присутствует так называемый «детерминированный хаос», необходимый как для предотвращения избыточной синхронизации, так и для предотвращения появления избыточной хаотичности процесса. Исследование показателей нелинейной динамики поведения кровотока в микроциркуляторном русле (МЦР) позволяет понять состояние макроскопических характеристик поведения совокупности модулирующих факторов, которые влияют на кровоток [3]. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Проанализировать показатели нелинейной динамики в микроциркуляторном русле у детей с сахарным диабетом типа 1 (СД 1). МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ В исследование были включены 63 ребенка (33 мальчика и 30 девочек) в возрасте от 10 до 17 лет с верифицированным диагнозом СД 1. Средний возраст больных составил (13,19 ± 3,93) лет, средняя длительность заболевания - (4,24 ± 3,47) года, средний возраст дебюта СД - (7,75 ± 4,44) лет. В зависимости от стажа заболевания было сформировано 2 группы. В 1-ю группу вошли 33 ребенка с длительностью СД 1 типа менее 3 лет, во 2-ю группу - 30 детей со стажем более 3 лет. Контрольную группу, сопоставимую по возрасту и полу, составили 26 практически здоровых детей. Исследование состояния микроциркуляторного русла проводилось методом ЛДФ с использованием двухканального лазерного допплеровского флоуметра ЛАКК-ОП (НПП «ЛАЗМА», Россия, Москва). Первый датчик устанавливался на тыльную поверхность предплечья в зоне Захарьина-Геда - зону без артериове-нозных анастомозов (АВА), второй - на ладонной поверхности дистальной фаланги 2-го пальца кисти (зона с АВА). Исследование проводилось в положении лежа в стандартных условиях (при одинаковой температуре воздуха, в одинаковое время суток). Проводилась оценка базального кровотока с последующим анализом амплитудно-частотного спектра колебаний перфузии с использованием вейвлет-преобразования. Для оценки МЦР, как динамической системы, проводилась оценка нелинейных параметров микроциркуляции до и после артериальной окклюзии [3]. Статистическая обработка полученных результатов проводилась на персональном компьютере (IntelCore i7-3612QM, 2,1 GHz) с использованием статистического пакета STATISTICA 10.0 (StatSoft, Tulsa, USA). Результаты представлены в виде медианы ^е) Выпуск 2 (58). 2016 127 ЩШгорСз [ЩсмеТКЩ и интерквартильного размаха [25-й и 75-й процентили]. Наличие статистически значимого различия количественного признака в нескольких несвязанных группах определялось с помощью критерия Крускала-Уоллиса с последующей оценкой критерием Манна-Уитни с поправкой Бонферрони. Сравнение двух связанных групп по количественному признаку осуществлялось с помощью критерия Вилкоксона. Статистически значимыми считались различия при p < 0,05. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Нелинейные параметры, рассчитанные при регистрации сигнала в зоне Захарьина-Геда, до и после проведения пробы представлены в табл. 1 и 2. У больных со стажем СД 1 менее 3 лет наблюдается снижение фрактальной размеренности в посток-клюзионный период (р < 0,001). Энтропия (Ho) служит мерой регулярности и воспроизводимости паттернов во временных сериях. У детей со стажем СД 1 менее 3 лет наблюдалось увеличение показателей, что свидетельствует об асинхронности процесса. В постокклю-зионный период наблюдалось статистически значимое увеличение корреляционной размеренности (D2) у детей со стажем СД 1 менее 3 лет по сравнению с группой контроля. У детей со стажем СД 1 более 3 лет при оценке базовой микроциркуляции наблюдалось повышение нормированного по энергии показателя энтропии в сочетании со снижением относительной энергии системы. Таблица1 Показатели нелинейной динамики у детей в зоне Захарьина-Геда Показатель Контрольная группа (n = 26) 1-я группа (n = 33) 2-я группа (n = 30) P Оценка нелинейной динамики базовой микроциркуляции DO 1,15 [1, 06;1, 24] 1,13 [1, 01 ; 1, 24] 1,09 [1, 03; 1, 18] R/S 0,76 [0, 63;1, 06] 0,82 [0, 51;1, 42] 0,82 [0, 60;1, 20] HO 0,3 [0, 28;0, 31] 0,30 [0, 25;0, 35] 0,29 [0, 25;0, 31] Hi 0,017 [0, 01;0, 021] 0,013 [0, 009;0, 019] 0,023 [0, 02;0, 027]*,** Рк-2 = 0,026 P1-2 < 0,001 D2 1,32 [1, 19;1, 34] 1,33 [1, 16; 1, 4] 1,305 [1, 21; 1, 35] D2h 0,074 [0, 057;0, 093] 0,073 [0, 041 ;0, 094] 0,107 [0, 082;0, 136] *,** Рк-2 = 0,013 P1-2 = 0,001 Eo 15,94 [13, 36;20, 62] 27,06 [14, 97;28, 71] 12,89 [9, 81 ;16, 34]*,** Рк-2 = 0,02; р1-2 = 0,0004 *р < 0,05 - статистически значимые различия с контрольной группой; **p < 0,05 - статистически значимые различия с группой 1. Таблица 2 Изменение показателей нелинейной динамики у детей с СД 1 после проведения окклюзионной пробы в зоне Захарьина-Геда Показатель Группа исследования До пробы После пробы А,% Р DO Контрольная гр. 1,15 [1, 06; 1, 24] 1,22 [1, 08; 1, 25] 102,5 1-я группа 1,13 [1, 01 ; 1, 24] 1,12 [1, 05; 1, 23] 100,4 2-я группа 1,09 [1, 03; 1, 18] 1,08 [1, 01; 1, 16] 104,7 R/S Контрольная гр. 0,76 [0, 63;1, 06] 1,22 [0, 51;1, 59] 169,0 р = 0,044 1-я группа 0,82 [0, 51;1, 42] 0,54 [0, 45;0, 63] 89,21 р < 0,001 2-я группа 0,82 [0, 60;1, 20] 1,08 [1, 01; 1, 16] 106,7 HO Контрольная гр. 0,3 [0, 28;0, 31] 0,29 [0, 28;0, 30] 99,5 1-я группа 0,30 [0, 25;0, 35] 0,31 [0, 31;0, 33] 110,4 р = 0,047 2-я группа 0,29 [0, 25;0, 31] 0,30 [0, 26;0, 32] 99,69 Hi Контрольная гр. 0,017 [0, 01 ;0, 021] 0,015 [0, 012;0, 019] 91,45 р = 0,014 1-я группа 0,013 [0, 009;0, 02] 0,018 [0, 012;0, 022] 137,4 р = 0,037 2-я группа 0,023 [0, 02;0, 027] 0,021 [0, 019;0, 025] 89,96 р = 0,003 D2 Контрольная гр. 1,32 [1, 19;1, 34] 1,24 [1, 14;1, 27] 94,85 р < 0,001 1-я группа 1,33 [1, 16; 1, 4] 1,3 [ 1, 22; 1, 32] 99,57 2-я группа 1,305 [1, 21 ; 1, 35] 1,28 [1, 23; 1, 32] 98,28 D2h Контрольная гр. 0,074 [0, 057;0, 0, 93] 0,071 [0, 048;0, 081] 133,4 1-я группа 0,073 [0, 041;0, 094] 0,07 [0, 049;0, 093] 110,7 2-я группа 0,107 [0, 082;0, 136] 0,097 [0, 083;0, 111] 79,36 р < 0,001 Eo Контрольная гр. 15,94 [13, 36;20, 62] 19,46 [15, 39;25, 27] 106,68 р = 0,052 1-я группа 27,06 [14, 97;28, 71] 18,67 [14, 24;26, 24] 90,55 р = 0,001 2-я группа 12,89 [9, 81 ;16, 34] 13,21 [11, 62;15, 47] 113,67 р = 0,002 128 Выпуск 2 (58). 2016 Данные изменения в сочетании с обедненным мульти-стабильным колебательным и смешанным колебательным с резонансными кардиальными осцилляциями режимов по вейвлет-спектру свидетельствуют об уменьшении упорядоченности в МЦР [1]. У детей со стажем СД 1 более 3 лет в посток-клюзионный период наблюдается снижение фрактальной размеренности и показателя Херста, что свидетельствует о снижения вариабельности перфузии и, возможно, обусловлено снижением факторов, регулирующих микроциркуляцию [2]. При увеличении стажа заболевания показатель Херста становится статистически выше, что можно объяснить снижением компенсаторных факторов, обуславливающих адаптацию на ранних стадиях заболевания. Увеличение корреляционной размеренности как до проведении окклюзии, так и в постокклюзионном периоде у детей со стажем СД 1 более 3 лет свидетельствует об увеличении хаотичности в МЦР. При оценке фрактальной структуры ЛДФ-граммы у детей из контрольной группы обнаружено, что геометрические циклы аттрактора формируют равномер ную плотность фазовых точек в центре фазового пространства с менее плотным облаком по периферии, притянутым к центру без резких разбросов фазовых точек (рис. 1А, Б). У детей с СД 1 встречались фазовые портреты, имеющие вид циклическо-хаотического типа: геометрические циклы аттрактора имели ацентрическую структуру с облаком фазовых точек по периферии. Несмотря на наличие циклического облака по периферии фазового пространства, аттрактор сохранял притяжение к центру. Данный тип является переходным вариантом поведения системы МЦР и характеризует обратимый патологический процесс (рис. 1В, Г). Нелинейные параметры, рассчитанные при регистрации сигнала в зоне ладонной поверхности дистальной фаланги 2-го пальца кисти, до и после проведения пробы представлены в табл. 3 и 4. У детей со стажем СД менее 3 лет в постокклюзи-онный период не наблюдалось статистически значимого изменения показателя Херста, что может свидетельствовать о тенденции к снижению самоподобия системы. У детей со стажем СД 1 более 3 лет выявлено статистически значимое снижение фрактальной размеренности Рис. 1. Фазовые портреты микроциркуляции в зоне с АВА у девочки 12 лет из контрольной группы до окклюзии (А) и в пост-окклюзионный период (Б) и у девочки 13 лет со стажем СД 1 1,5 года до окклюзии (В) и в постокклюзионный период (Г) Таблица 3 Показатели нелинейной динамики у детей в зоне с АВА Показатель Контрольная группа (n - 26) 1-я группа (n = 33) 2-я группа (n = 30) P Оценка нелинейной динамики базовой микроциркуляции DO 1,03 [1, 01; 1, 08] 1,06 [0, 96; 1, 11] 0,965 [0, 85;1, 06]** P1-2 - 0,039 R/S 0,94 [0, 73; 1, 11] 0,83 [0, 62;0, 95] 0,865 [0, 75;1, 09] HO 0,34 [0, 31;0, 35] 0,33 [0, 30;0, 35] 0,35 [0, 33;0, 37]** P1-2 - 0,025 Hi 0,028 [0, 019;0, 047] 0,029 [0, 024;0, 044] 0,0185 [0, 012;0, 038]** P1-2 - 0,019 D2 1,32 [1, 28; 1, 41] 1,31 [1, 28; 1, 37] 1,315 [1, 29;1, 36] D2h 0,119 [0, 07;0, 18] 0,115 [0, 096;0, 186] 0,077 [0, 044;0, 248] Eo 11,07 [7, 12;19, 49] 11,87 [7, 02;14, 19] 19,07 [8, 76;30, 17]*,** Рк-2 - 0,049; P1-2 - 0,027 *р < 0,05 - статистически значимые различия с контрольной группой; **p < 0,05 - статистически значимые различия с группой 1. Выпуск 2 (58). 2016 129 ЁЩддц’вишДз [вУоштмш ^ Таблица 4 Изменение показателей нелинейной динамики у детей с СД 1 после проведения окклюзионной пробы в зоне дистальной фаланги ладонной поверхности 2-го пальца кисти Показатель Группа исследования До пробы После пробы А,% Р DO Контрольная гр. 1,03 [1, 01; 1, 08] 1,04 [1, 02; 1, 09] 103,7 1-я группа 1,06 [0, 96; 1, 11] 1,09 [1, 0;1, 14] 103,5 2-я группа 0,965 [0, 85; 1, 06] 1,03 [0, 95;1, 14] 106,0 р = 0,017 R/S Контрольная гр. 0,94 [0, 73;1, 11] 0,74 [0, 58;0, 84] 88,75 р = 0,019 1-я группа 0,83 [0, 62;0, 95] 0,74 [0, 61 ; 1, 03] 100,4 2-я группа 0,865 [0, 75; 1, 09] 1,14 [0, 83;1, 45] 138,3 р = 0,037 HO Контрольная гр. 0,34 [0, 31 ;0, 35] 0,36 [0, 35;0, 37] 108,3 р = 0,015 1-я группа 0,33 [0, 30;0, 35] 0,36 [0, 32;0, 36] 106,4 р = 0,001 2-я группа 0,35 [0, 33;0, 37] 0,35 [0, 33;0, 37] 101,2 Hi Контрольная гр. 0,028 [0, 019;0, 047] 0,02 [0, 017;0, 023] 79,33 р = 0,001 1-я группа 0,029 [0, 024;0, 044] 0,027 [0, 02;0, 041] 89,65 р = 0,047 2-я группа 0,0185 [0, 012;0, 038] 0,021 [0, 015;0, 043] 137,8 D2 Контрольная гр. 1,32 [1, 28;1, 41] 1,27 [1, 2; 1, 32] 94,72 р = 0,014 1-я группа 1,31 [1, 28; 1, 37] 1,24 [1, 19;1, 29] 93,75 р < 0,001 2-я группа 1,315 [ 1, 29; 1, 36] 1,28 [1, 23; 1, 32] 98,35 D2h Контрольная гр. 0,119 [0, 07;0, 18] 0,072 [0, 054;0, 081] 73,15 р < 0,001 1-я группа 0,115 [0, 096;0, 186] 0,085 [0, 045;0, 134] 80,72 р < 0,001 2-я группа 0,077 [0, 044;0, 248] 0,063 [0, 059;0, 159] 129,5 Eo Контрольная гр. 11,07 [7, 12;19, 49] 18,1 [15, 35;21, 93] 171,94 р = 0,004 1-я группа 11,87 [7, 02;14, 19] 11,7 [7, 37;18, 68] 123,72 р < 0,001 2-я группа 19,07 [8, 76;30, 17] 18,75 [7, 89;22, 7] 116,23 (Do) (р = 0,039) и нормированного по энергии показателя энтропии (Hi) (р = 0,019) на фоне повышения показателя относительной энтропии (р = 0,025). При увеличении стажа заболевания в постокклюзионный период наблюдалось повышение фрактальной размеренности и показателя Херста. После снятия окклюзии наблюдалось отсутствие изменения показателей энтропии и корреляционной размеренности, что в сочетании со смешанным колебательным режимом с резонансными кардиальными осцилляциями в вейвлет-спектре у данной категории больных можно объяснить снижением сложности и хаотичности процесса в МЦР и уменьшением влияния модулирующих факторов, характерных для хронического патологического процесса [1, 2]. При увеличении стажа заболевания встречались предельно-циклические фазовые портреты при регистрации сигнала в зоне с АВА. Геометрический цикл аттрактора формировал хаотическую область, отдаленную от центра фазовой плоскости, периферическое облако фазовых точек имело вид циклов различной площади, циклы аттрактора не стремились к центру. Данный тип поведения системы микроциркуляции может быть ранним проявлением необратимых процессов в микроциркуляторном русле дистальных отделов верхних конечностей (рис. 2). 20 22 23 24 25 20 21 23 24 Рис. 2. Фазовые портреты микроциркуляции в зоне с АВА у мальчика 13 лет из контрольной группы до окклюзии (А) и в постокклюзионный период (Б) и у мальчика 15 лет со стажем СД 1 7,5 лет до окклюзии (В) и в постокклюзионный период (Г) 130 Выпуск 2 (58). 2016 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. У детей со стажем СД 1 менее 3 лет изменение показателей нелинейной динамики наблюдалось только в постокклюзионный период в виде снижения фрактальной размеренности, увеличения относительной энтропии, нормированного по энергии показателя энтропии и корреляционной размеренности. 2. У детей со стажем сД 1 более 3 лет при оценке базовой микроциркуляции в зоне Захарьина-Геда наблюдалось повышение нормированного по энергии показателя энтропии в сочетании со снижением относительной энергии системы. В постокклюзионный период - снижение фрактальной размеренности и показателя Херста. Корреляционная размеренность увеличивается как до, так и после проведения окклюзии пробы. 3. При оценке параметров нелинейной динамики в зоне с АВА у детей со стажем СД 1 более 3 лет выявлено снижение фрактальной размеренности, нормированного по энергии показателя энтропии, повышение показателя относительной энтропии. В посток-клюзионный период наблюдается повышение фрактальной размеренности и показателя Херста. 4. Геометрический анализ фазовых портретов ЛДФ-грамм позволил выявить дисфункциональные типы фазовых портретов микроциркуляторного русла, которые характеризовались формированием переходного типа аттрактора, формирующего смешанный циклическо-хаотический и предельно-циклический типы в фазовом пространстве.

About the authors

K. V. Kozhevnikova

The Volgograd state medical University

Email: kozhevnikova.kv@yandex.ru
Department of Children Diseases of Pediatrics faculty

N. V. Malyuzhinskaya

The Volgograd state medical University

Department of Children Diseases of Pediatrics faculty

O. V. Polyakova

The Volgograd state medical University

Department of Children Diseases of Pediatrics faculty

References

Supplementary files