Способ определения функциональных резервов регуляции кардиореспираторной системы человека

 

Изобретение относится к медицине. Регистрируют ритм сердца по ЭКГ. Регистрируют скорость капиллярного кровотока пальца руки. Регистрируют скорость воздушного потока при дыхании. Съем вышеуказанных параметров осуществляют в три этапа: в условиях покоя, при заданном темпе дыхания, равном 6 дыханиям в минуту, при пробах с максимальной задержкой дыхания на вдохе и выдохе или при пробе Вальсальва. Полученные значения параметров всех измерений анализируют с получением динамических рядов этих показателей. Определяют степень взаимной корреляции этих рядов. По полученным коэффициентам взаимной корреляции вычисляют степень синхронизации параметров сердечной деятельности и дыхания. Способ позволяет проводить диагностику преморбидных состояний, предшествующих развитию заболеваний сердечно-сосудистой и дыхательной системы. 3 ил., 4 табл.

Изобретение относится к области прикладной физиологии, профилактической и реабилитационной медицины, в частности к способам ранней диагностики преморбидных состояний, предшествующих развитию заболеваний сердечно-сосудистой и дыхательной системы.

Известен способ оценки функциональных резервов кардиореспираторной системы по данным спирографии и реографии, когда реографическую кривую регистрируют в процессе выдоха (SU, а.с.№1833714, кл. А 61 В 5/08 от 04.03.1991).

При этом кардиореспираторный резерв определяют по соотношению выдохнутого объема воздуха и общей емкости легких в момент регистрации максимального ударного объема. Резерв тем выше, чем выше объем выдохнутого воздуха.

Однако данным способом оценивают по существу резервные возможности дыхательной системы как одного из звеньев механизма кардиореспираторной регуляции и нельзя дать оценку резервам сердечно-сосудистой системы.

Также известен способ оценки функционального состояния регуляторных систем организма биологического объекта по ритму сердца, позволяющий на основании гистографического и спектрального анализа динамических рядов ЭКГ определять степень напряжения регуляторных систем организма и выделять четыре основных функциональных состояния (норма, донозологические состояния, преморбидные состояния, патологические состояния), (RU, патент №2103911, кл. А 61 В 5/04 от 10.02.1998).

Однако суждение о функциональных резервах организма проводится косвенно по степени напряжения регуляторных систем (чем она выше, тем ниже функциональные резервы).

Кроме того, при оценке функционального состояния не учитывается роль дыхательной системы, компенсаторные возможности которой существенно влияют на функциональные резервы организма.

Таким образом, известный способ не позволяет достаточно достоверно определить функциональные резервы регуляции кардиореспираторной системы.

Наиболее близким техническим решением является способ экспресс-анализа сердечного ритма, включающий регистрацию ЭКГ, по которой строят гистограмму RR-интервалов, определение максимальной и минимальной длительности кардиоинтервалов, их разность, моду гистограммы, а также регистрацию пульсограммы (RU, патент №2077864, кл. А 61 В 5/04, 5/0402 от 27.04.1997).

Однако в известном способе для получения пульсограммы используют только сигналы ЭКГ и врач анализирует только данные динамических рядов RR-интервалов. При этом с пальцев регистрируют электрокардиограмму, которую используют для построения рядов RR-интервалов и по этой записи не может быть сделано заключение о пульсовом кровенаполнении пальца (состоянии сосудов пальца).

Кроме того, регистрацию ЭКГ и измерение RR-интервалов производят в условиях покоя без каких-либо нагрузочных проб.

Всего этого недостаточно для суждения о функциональных резервах сердечной деятельности и тем более о кардиореспираторном резерве, включающем совместную деятельность сердца, сосудов и дыхательной системы.

Задачей изобретения является расширение диапазона медицинского контроля за функциональным состоянием организма человека, вследствие чего появляется возможность суждения о функциональных резервах организма и своевременного принятия требуемых мер для обеспечения нормальной жизнедеятельности организма.

Это достигается тем, что в способе определения функциональных резервов кардиореспираторной системы человека путем регистрации ритма сердца по ЭКГ и регистрации скорости капиллярного кровотока пальца руки, одновременно регистрируют скорость воздушного потока при дыхании, при этом полученные значения параметров всех измерений анализируют с получением динамических рядов этих показателей - длительность кардиоинтервалов, скорость пульсовой волны, длительность дыхательного цикла, определяют степень взаимной корреляции этих рядов и по полученным коэффициентам взаимной корреляции вычисляют степень синхронизации параметров сердечной деятельности и дыхания и модуль среднего коэффициента взаимной корреляции, причем съем вышеуказанных параметров осуществляют в три этапа, на первом из которых - в условиях покоя, на втором этапе - при заданном темпе дыхания, равном 6 дыханиям в минуту, а на третьем - при пробах с максимальной задержкой дыхания на вдохе и выдохе или при пробе Вальсальва (глубокий вдох с натуживанием).

Кроме того, из полученных динамических рядов показателей вычисляют коэффициенты вариации и сравнивают их значения в покое и функциональных дыхательных пробах и по динамическим рядам указанных показателей вычисляют мощность спектра в диапазонах дыхательных 0,4-0,15 Гц и вазомоторных 0,15-0,04 Гц волн и сравнивают их значения в покое и при пробе с фиксированным темпом дыхания - 6 дыханий в минуту и с задержкой дыхания на вдохе и выдохе.

Для реализации поставленной задачи используют комплекс мониторной диагностической аппаратуры для исследования реакций кардиореспираторной системы, содержащий корпус-контейнер, внутри которого размещен блок приема и обработки информации, обеспечивающий регистрацию электрокардиограммы, сфигмограммы, а для дополнительной регистрации пневмоихограммы он снабжен стандартным оголовьем с установленной на последнем под носом обследуемого оператора на гибком держателе капсулы микрофона, которая выполнена с измерителем скорости воздушного потока в виде термисторного элемента, подключенного к блоку приема и обработки информации, причем блок приема и обработки информации снабжен разъемами, расположенными в его верхней торцевой части для подключения датчиков в виде электродов и помещен в носимом на поясе обследуемого оператора корпусе-контейнере, имеющим размещенный в его боковой части разъем для подключения к компьютеру.

Кроме того, в комплексе мониторной диагностической аппаратуры для исследования реакций кардиореспираторной системы блок приема и обработки информации может содержать внутреннюю память.

На фиг.1 показана возможная реализация схемы комплекса мониторной диагностической аппаратуры для исследования реакции кардиореспираторной системы человека-оператора; на фиг.2 - внешний вид стандартного оголовья с капсулой микрофона, в которой размещен термисторный капнографический датчик дыхания; на фиг.3 - блок-схема для осуществления предлагаемого способа.

Схема комплекса включает корпус-контейнер 1, носимый на поясе обследуемого оператора. Носимый прибор-контейнер обеспечивает прием и обработку информации трех биологических параметров (электрокардиограмма, сфигмограмма и пневмоихограмма) и их запоминание в памяти или передачу в компьютер 2 для дальнейшей обработки и анализа, а также содержит специальное программное обеспечение, которое реализует оригинальный алгоритм, позволяющий изучать взаимодействие регуляторных механизмов дыхания и кровообращения при выполнении серии специальных функциональных проб. Термисторный элемент 3 для регистрации пневмоихограммы, сфигмографический датчик 4, разовые клеящиеся ЭКГ электроды 5 размещены на теле так, что не мешают выполнению профессиональной деятельности оператора. Стандартное оголовье 6 имеет гибкий держатель 7 с капсулой микрофона 8, в которой размещен измеритель скорости воздушного потока в виде термисторного элемента 3, соединенного через штеккер 9 с корпусом-контейнером 1. Последний снабжен разъемами (на схеме не указаны) в его верхней торцевой части для подключения к электродам 5 и датчику 4 и в боковой части разъем (на чертеже не указан) к компьютеру 2. Бандажи 10, 11, 12 служат для фиксации кабелей датчиков 4 и термисторного элемента 3.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Регистрацию сигналов производят вначале в покое при положении обследуемого "сидя" в течение 10 минут, затем с экрана дисплея задают темп дыхания 12 дыханий в минуту и 6 дыханий в минуту (каждый режим по 3 минуты); после этого по команде начинают задержку дыхания на вдохе, которую продолжают максимально возможное время, подобную же пробу проводят на выдохе.

Полученные записи в цифровой форме сохраняют в памяти компьютера (или внутренней памяти устройства) - блок приема и обработки информации и после окончания исследования (или в процессе исследования) автоматически анализируют с распознаванием характерных точек на кривых и вычислением следующих основных показателей:

1) длительность интервалов RR,

2) скорость распространения пульсовой волны (от вершины R-зубца ЭКГ до начала подъема анакроты СФГ (R-a),

3) длительность дыхательного цикла (eEx-In).

Указанные показатели вычисляют в каждом сердечном цикле. По полученным значениям показателей формируют 3 динамических ряда числовых значений, затем для каждого ряда значений вычисляют стандартные статистические величины (М - среднее значение, СКО - среднее квадратичное отклонение и KB - коэффициент вариации) и вычисляют коэффициенты взаимной корреляции между значениями 3-х динамических рядов показателей. На основании этих коэффициентов определяют структуру функциональной системы "сердце-сосуды-легкие".

Три коэффициента корреляции определяют взаимодействие (взаимосодействие) регуляторных механизмов, и их среднее значение (по модулю) указывает на текущее функциональное состояние кардиореспираторной системы. При этом может быть дана дифференциальная оценка каждого из звеньев регуляторного механизма и, таким образом, выявлено наиболее слабое звено, что важно для прогнозирования функциональных состояний и разработки профилактических мероприятий.

Изменения коэффициентов взаимной корреляции между различными показателями в эксперименте с длительной изоляцией (испытатель К.).

В таблице 1 приводятся данные, полученные у одного из испытателей в эксперименте с длительной изоляцией. Здесь представлены модули коэффициентов взаимной корреляции для каждого из звеньев регуляторного механизма и средние коэффициенты корреляции на различных этапах эксперимента. Видно, что при росте среднего коэффициента корреляции, что соответствует развитию состояния выраженного функционального напряжения, коэффициенты взаимной корреляции в системе "Сосуды-Легкие" не растут, а снижаются. Это указывает на то, что в этой системе отсутствует напряжение, либо ввиду высокой ее устойчивости к воздействующим факторам, либо оттого, что напряжение в других системах компенсирует сохранение наиболее важных для организма взаимоотношений между сосудистым тонусом и дыхательным циклом.

Наряду с взаимной корреляцией динамических рядов показателей вычисляют коэффициенты вариации для каждого ряда. Как известно, работа регуляторных механизмов проявляется в "функциях разброса", т.е. чем активнее процесс регуляции, тем выше коэффициент вариации исследуемого показателя.

Изменения коэффициентов вариации различных показателей в эксперименте с длительной изоляцией (испытатель К.).

В таблице 2 приводятся коэффициенты вариации трех показателей в эксперименте с длительной изоляцией. Из этих данных видно, что на 1-м месяце эксперимента активность регуляторных механизмов растет, что объясняется необходимостью перенастройки организма на новые условия пребывания в ограниченном объеме (в изоляции). При этом коэффициент вариации дыхательного цикла не изменяется, что подтверждает компенсаторный характер изменений в других системах, направленный на сохранение стабильности в работе дыхательной системы. На 8-м месяце эксперимента вариабельность всех показателей снижается, что указывает на рост напряжения регуляторных механизмов, на снижение их активности. При этом наиболее напряженным звеном является регуляция сосудистого тонуса (снижение коэффициента вариации показателя, характеризующего скорость пульсовой волны). Наименее напряженным звеном является дыхательная система, в которой наблюдается наименьшая степень снижения коэффициента вариации.

Предлагаемый способ предусматривает проведение функциональных нагрузочных тестов с разными режимами дыхания, что направлено на оценку функциональных резервов механизма регуляции.

Изменения коэффициентов вариации различных показателей при проведении функциональных нагрузочных тестов (испытатель В.).

В таблице 3 представлены изменения коэффициентов вариации (активности регуляторных систем) при различных функциональных тестах. При фиксированном темпе дыхания стимулируется активность парасимпатического звена регуляции, что ведет к увеличению связанных с дыханием вариаций длительности кардиоинтервалов. При этом вариабельность показателей скорости пульсовой волны увеличивается в меньшей степени, поскольку сосудистый тонус регулируется через симпатический отдел вегетативной нервной системы. Наоборот, при задержках дыхания, когда активируется симпатический отдел вегетативной нервной системы, вариабельность показателей сосудистого тонуса снижается в большей мере, чем вариабельность кардиоинтервалов.

Хорошим индикатором активности парасимпатического звена регуляции при тестах с фиксированным темпом дыхания являются показатели спектрального анализа. Чем выше функциональные резервы регуляции, тем больше растет мощность гармонических компонентов спектра на частоте с периодом в 10 с (см. таблицу 4). Особенно отчетливо эти реакции проявляются при анализе сердечного ритма.

Изменения мощности спектра вариабельности сердечного ритма в диапазоне 0,15-0,04 Гц (период 7-25 с) при проведении функциональных нагрузочных тестов с фиксированным темпом дыхания (испытатель В.).

По результатам спектрального анализа вычисляют отношение средней мощности вазомоторных волн к средней мощности дыхательных волн (LFav/HFav). Этот показатель характеризует вегетативный баланс, и чем его значение больше, тем значительнее преобладание симпатического звена регуляции над парасимпатическим. Из примера видно, что при задержках дыхания четко выражена симпатическая активация. При фиксированном темпе дыхания с частотой 6 дыханий в минуту (медленное дыхание) появление в спектре медленных волн с этой искусственно навязанной частотой связано с передачей возбуждения из дыхательного центра в подкорковый сердечно-сосудистый центр и поэтому отражает степень активации парасимпатического отдела, резервные возможности парасимпатического звена регуляции.

Реализацию предлагаемого способа осуществляют путем предъявления обследуемому лицу функциональных тестов с разным режимом дыхания и в анализе получаемых показателей с вычислением

а) коэффициентов взаимной корреляции динамических рядов;

б) коэффициентов вариации для каждого динамического ряда;

в) мощности спектра вариабельности сердечного ритма в диапазонах дыхательных и вазомоторных волн (HF и LF).

Исходное функциональное состояние организма определяют по коэффициентам взаимной корреляции. При этом среднее значение в норме находится в диапазоне 0,4-0,7. Наиболее устойчивое звено регуляции определяют по наименьшему коэффициенту взаимной корреляции. Наиболее напряженное звено регуляции определяют по наибольшему коэффициенту корреляции.

Функциональные резервы механизма регуляции кардиореспираторной системы определяют по реакции на предъявляемые функциональные тесты с различным режимом дыхания. При этом функциональный резерв тем выше, чем активнее включаются отдельные звенья регуляторного механизма в процесс адаптации к новому режиму дыхания. При фиксированном темпе дыхания фактически тестируется парасимпатическое звено регуляции. Его активность хорошо отражают коэффициенты вариации длительности кардиоинтервалов, скорости пульсовой волны и мощности спектра сердечного ритма. Чем больше прирост этих показателей в ответ на предъявляемое воздействие, тем выше функциональные резервы парасимпатического отдела вегетативной нервной системы.

При задержках дыхания тестируется в основном симпатический отдел вегетативной нервной системы. Резервы симпатического звена регуляции тем выше, чем сильнее при этом выражено снижение вариабельности сердечного ритма и показателей сосудистого тонуса и чем выше показатель LFav/HFav.

Таким образом, предложенный способ позволяет оценивать функциональные резервы механизма регуляции кардиореспираторной системы человека и рано выявлять возможные нарушения в состоянии здоровья.

Комплекс мониторной диагностической аппаратуры, реализующий указанный способ, представляет собой размещаемый на поясе обследуемого миниатюрный корпус-контейнер размером 100х60х20 мм, при этом разъемы для подключения электродов и датчиков установлены в верхней торцевой части корпуса, что создает удобства для их фиксации и увеличивает помехоустойчивость, кабель для подключения к компьютеру расположен в нижней торцевой части корпуса, а также возможна работа блока без связи с компьютером с использованием внутренней памяти. Датчик дыхания выполнен в виде стандартного оголовья с телефонами и микрофоном, где на месте микрофона установлен термистор, изменяющий свое сопротивление в зависимости от изменений скорости воздушного потока при вдохе и выдохе.

Таким образом, комплекс, реализующий способ определения функциональных резервов кардиореспираторной системы человека, позволяет использовать его при обследованиях лиц, находящихся на рабочих местах на разных этапах их деятельности, в том числе проводить исследования в условиях космического полета.

Формула изобретения

Способ определения функциональных резервов кардиореспираторной системы человека, включающий регистрацию ритма сердца по ЭКГ и регистрацию скорости капиллярного кровотока пальца руки, отличающийся тем, что одновременно регистрируют пневмотахограмму, все параметры регистрируют в три этапа: в покое, при заданном темпе дыхания, равном 6 дыханий в минуту, при пробах с максимальной задержкой дыхания на вдохе и выдохе или при пробе Вальсальвы, при этом все указанные параметры анализируют с получением динамических рядов показателей, определяют степень взаимной корреляции этих рядов, причем коэффициент взаимной корреляции в норме составляет 0,4-0,7, наиболее устойчивое звено регуляции определяют по наименьшему коэффициенту взаимной корреляции, а наиболее напряженное звено регуляции определяют по наибольшему коэффициенту корреляции, вычисляют прирост коэффициентов вариации длительности кардиоинтервалов, скорости пульсовой волны и мощности спектра сердечного ритма при фиксированном темпе дыхания, при этом функциональные резервы парасимпатического отдела ВНС тем выше, чем больше прирост коэффициентов вариации длительности кардиоинтервалов, скорости пульсовой волны и мощности спектра сердечного ритма, пробы с задержкой дыхания выявляют резервы симпатического звена, по динамическим рядам указанных показателей вычисляют мощность спектра в диапазонах дыхательных 0,4-0,15 Гц и вазомоторных 0,15-0,04 Гц волн, чем выше функциональные резервы регуляции, тем больше растет мощность гармонической компоненты на частоте с периодом 10 с (0,1 Гц) по сравнению с ее мощностью в покое, вычисляют отношение мощности вазомоторных волн к средней мощности дыхательных волн при проведении функциональных нагрузочных тестов с фиксированным темпом дыхания, значение которого тем больше, чем значительнее преобладание симпатического звена регуляции над парасимпатическим.

РИСУНКИ