The influence of breathing exercises on the heart rate variability parameters of female medical students

Full Text

Многочисленные исследования в области реабилитации и экологии человека подчеркивают важность персонализированного подхода; определяя тип вегетативной регуляции человека можно судить о его адаптационных возможностях к эмоциональным, физическим или интеллектуальным нагрузкам [1–6]. Индивидуальный подход к здоровью человека уже реализуется в области спортивной медицины [1, 3, 6], при реабилитации отдельных групп пациентов [7–9]. Удобным способом оценки типа вегетативной регуляции организма, а также его адаптационных резервов является анализ вариабельности ритма сердца (ВРС) и расчет индексов, описывающих роль отдельных компонентов системы управления ритмом сердца [10–17].

Для более углубленного исследования адаптационных возможностей организма, данные параметры часто оценивают на фоне предъявления функциональных нагрузок, затрагивающих активность контуров регуляции [10–12]. Одним из легко реализуемых воздействий, вызывающим перестройку регуляторных контуров управления работой сердца и других систем, является изменение ритма дыхания. Работа сердца и деятельность сердечно-сосудистой системы неразрывно связана с функционированием дыхательной системы: их центры регуляции располагаются в тесной анатомической близости в стволе головного мозга [16, 18–20]. У здоровых людей влияние дыхания отражается на электрокардиограмме периодами увеличения и уменьшения длительности кардиоинтервалов, совпадающими с дыхательным ритмом [18–20]. Это явление получило название дыхательной синусной аритмии и заключается в том, что на вдохе наблюдается учащение сердцебиения, а на выдохе — его торможение, в результате чего, ритмическая активность сердца характеризуется периодическими колебаниями, отражающимися в ВРС [3, 4, 6, 18–20]. В клинической практике также применяются тесты с навязанным ритмом дыхания, которые позволяют оценить степень дыхательной модуляции сердечного ритма [19–22].

Цель настоящего исследования — изучение влияния функциональных нагрузок в виде дыхательных упражнений на параметры ВРС в зависимости от исходного типа вегетативной регуляции.

МЕТОДИКА

Обследовали 33 девушки 2 курса Медицинского института Пензенского государственного университета, которые по результатам ежегодной диспансеризации являлись практически здоровыми и не имели патологий со стороны сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Все испытуемые заполнили анкету с указанием параметров роста, массы тела и уровня физической активности.

Регистрацию электрокардиограммы (ЭКГ) проводили в положении сидя в 1 стандартном отведении; длительность записи ЭКГ составляла 300 кардиоинтервалов. После выполнения дыхательных упражнений (ДУ) повторяли процедуру записи кардиоритма.

ДУ представляли собой дыхание с ритмом, формируемым по принципу биологической обратной связи с помощью программно-аппаратного комплекса “Омега-М” (“Динамика”, регистрационное удостоверение № ФСР 2010/09117 от 01.11.2010 г., Россия) (ПАК “Омега-М”). Во время ДУ испытуемая на экране компьютера наблюдала шар, который периодически увеличивался или уменьшался в объеме, частота смены фаз увеличения и уменьшения задавалась ПАК “Омега-М”. Испытуемой предлагали синхронизировать длительность фазы вдоха с периодом расширения шара, а длительность фазы выдоха — с уменьшением его объема на протяжении 5 мин.

Исследование функционального состояния организма. Оценку ритма сердца проводили с помощью ПАК “Омега-М”. Метод исследования основан на технологии глубокого анализа ВРС (К.Ю. Смирнов, Ю.А. Смирнов. Цифровой анализатор биоритмов. Патент РФ на полезную модель № 32985. 2003).

Исследовали показатели вегетативной регуляции методами статистического и спектрального анализа ВРС, что позволило изучить его состояние в покое и после выполнения ДУ: ЧСС (частота сокращений сердца, уд./мин), mNN (средняя длительность NN-интервалов, мс), SDNN (стандартное отклонение массива NN-интервалов, мс), RMSSD (среднеквадратичное значение разностей последовательных NN-интервалов, мс), pNN50 (процент соседних пар NN-интервалов, отличающихся более чем на 50 мс, от общего количества последовательных пар интервалов NN, %), TP (общая мощность спектра в диапазоне 0.0-0.4 Гц, мс²), НF и HFnu (мощность высокочастотного компонента спектра (0.15-0.4 Гц) в абсолютных (мс²) и относительных (%) единицах измерения), LF и LFnu (мощность низкочастотного компонента спектра (0.015–0.15 Гц) в абсолютных и относительных единицах измерения), LF/HF, ИВР (индекс вегетативного равновесия по Баевскому, ИВР = АМо/ВР, где АМо — амплитуда моды, ВР — вариационный размах), ИН (индекс напряжения регуляторных систем по Баевскому, ИН = АМо/2Mо × ВР, где АМо — амплитуда моды, Мо — мода массива длительности NN-интервалов, ВР — вариационный размах длительности NN-интервалов).

Анализ и интерпретацию полученных параметров ВРС проводили с учетом рекомендаций Европейского кардиологического и Североамериканского электрофизиологических обществ [1, 10–12, 22]. Оценку индексов функционального состояния проводили, опираясь на работу В.М. Михайлова [17].

Статистическая обработка полученных результатов. Статистическую обработку результатов исследования выполняли в программе Statistica 6.0 (StatSoft, США). Для обработки данных были использованы непараметрические методы статистического анализа.

Для сравнения двух независимых выборок применяли U-критерий Манн-Уитни для двух зависимых — W-критерий Уилкоксона. Методом многовыборочного кластерного анализа по методу k-средних по параметру SDNN выделяли подгруппы, содержащие лиц с условно высоким и условно низким уровнем ВРС (НВ- и ВВ-подгруппы) [1].

Данные представлены в виде медианы и квартилей. Различия признавали статистически значимыми при p < 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование параметров вариабельности ритма сердца испытуемых. По уровню параметра SDNN, который по общепринятому мнению отражает суммарный уровень ВРС [10–12, 22], в выборке девушек можно выделить лиц с условно низким и условно высоким уровнем общей ВРС — группы НВ (40 (31; 47) мс) и ВВ (64 (58; 70) мс) (табл. 1).

 

Таблица 1. Значения параметров частоты сердечных сокращений (ЧСС) и вариабельности ритма сердца (ВРС) у девушек в состоянии покоя и после выполнения дыхательных упражнений (ДУ)

Параметры ВРС	НВ (n = 17)		ВВ (n = 16)
	до	после ДУ	до	после ДУ
ЧСС	87 (83; 91)	88 (85; 95)	79 (73; 85)	84 (73; 88)*
RRNN	700 (668; 718)	679 (625; 725)	724 (689; 807)	710 (665; 754)*
SDNN	40 (31; 47)	43 (40; 56)**	64 (58; 69)$$	63 (50; 77)
RMSSD	27 (21; 30)	26 (23; 39)	43 (38; 62)$$$	42 (32; 64)
pNN50	5 (2; 8)	6 (3; 9)	20 (16; 32)$$$	18 (8; 40)
TP	1548 (962; 1797)	1806 (1386; 2938)**	3265 (3002; 4299)$$	3856 (2309; 5645)
HF	211 (105; 293)	180 (120; 275)	706 (444; 1434)$$$	333 (223; 827)**
HFnu	24 (22; 29)	14 (9; 22)**	37 (27; 50)$	19 (13; 23)***
LF	688 (399; 880)	955 (670; 1858)**	1266 (1023; 1627)$$$	2332 (968; 4020)**
LFnu	76 (72; 78)	86 (78; 91)**	63 (50; 73)$	81 (77; 87)***
LF/HF	3.1 (2.5; 3.5)	6.3 (3.5; 10.6)**	1.7 (1.0; 2.7)$	4.4 (3.3; 6.6)**

Примечание: ^$ – p < 0.05, ^$$$ – p < 0.001, ^$$$ – <em>p</em> < 0.0001 – статистически значимые отличия между группами с низким (НВ) и высоким (ВВ) уровнем общей ВРС; ^* – <em>p</em> < 0.05, ^** – <em>p</em> < 0.01, ^*** –<em>p</em> < 0.001 – статистически значимые отличия параметров до и после ДУ внутри своей группы.</p>$
<p> </p>
<p>Показано, что результаты ВРС ВВ-девушек были значимо выше, чем в НВ-подгруппе. При этом подгруппы НВ- и ВВ-девушек значимо не отличались друг от друга по возрасту и индексу массы тела (НВ = 20 (19; 22) кг/м² <em>vs</em> ВВ = 21 (19; 23) кг/м²). Уровень ЧСС в состоянии покоя у НВ- и ВВ-девушек статистически значимо не отличался (<strong>табл. 1</strong>).</p>
<p>Применение функциональной пробы в виде ДУ с навязанным ритмом дыхания выявило специ- фику реакций параметров ВРС у НВ- и ВВ-девушек (<strong>табл. 1</strong>). Так в НВ-подгруппе после ДУ наблюдали значимое увеличение на 14 и 27% показателей общей ВРС — <em>SDNN</em> и <em>TP</em> соответственно. Рост общей ВРС происходил на фоне снижения на 38 и 36% спектральных параметров <em>HF</em> и <em>HFnu</em> и возрастания на 43 и 10% показателей <em>LF</em> и <em>LFnu</em>. Причем показатель соотношения <em>LF/HF </em>после ДУ увеличился на 80%.</p>
<p>У ВВ-девушек после ДУ регистрировали возрастание на 6% ЧСС. Проба с ДУ не приводила к значимому изменению уровня общей ВРС, однако детальный анализ компонентов ВРС обнаружил реорганизацию в структуре ВРС. Снижение на 56 и 40% параметров <em>HF</em> и <em>HFnu</em>, характеризующих вклад парасимпатического отдела вегетативной нервной системы (пВНС) в общую ВРС, было скомпенсировано ростом на 30 и 27% показателей <em>LFnu</em>, интерпретируемых как влияние симпатического отдела ВНС (сВНС) в общую ВРС. В результате показатель соотношения <em>LF</em>/<em>HF</em> значимо увеличился почти в 1.5 раза по сравнению с уровнем до выполнения ДУ.</p>
<p>Таким образом, НВ- и ВВ-девушки по-разному реагировали на ДУ, что указывает на разные механизмы реорганизации вегетативной регуляции в ответ на функциональную нагрузку.</p>
<p><em>Динамика индексов функционального состояния регуляторных систем. </em>Функциональное состояние регуляторных систем оценивали по индексам ИВР и ИН [10, 17]. Было показано, что у НВ-девушек показатели ИВР и ИН превосходили в 2.6–2.7 раза таковые у ВВ-лиц (<strong>табл. 2</strong>).</p>
<p> </p>
<p><strong>Таблица 2. Динамика индексов функционального состояния регуляторных систем.</strong></p>
<table>
<tbody>
<tr>
<td rowspan="2">
<p><strong>Параметры</strong></p>
</td>
<td colspan="2">
<p><strong>НВ (</strong><strong><em>n</em></strong><strong> </strong><strong>= 17)</strong></p>
</td>
<td colspan="2">
<p><strong>ВВ (</strong><strong><em>n</em></strong><strong> </strong><strong>= 16)</strong></p>
</td>
</tr>
<tr>
<td>
<p><strong>до</strong></p>
</td>
<td>
<p><strong>после</strong></p>
</td>
<td>
<p><strong>до</strong></p>
</td>
<td>
<p><strong>после</strong></p>
</td>
</tr>
<tr>
<td>
<p>ИВР</p>
</td>
<td>
<p>212 (165; 294)</p>
</td>
<td>
<p>161 (106; 207)^**</p>
</td>
<td>
<p>81 (70; 98)^$</p>$
</td>
<td>
<p>91 (57; 127)</p>
</td>
</tr>
<tr>
<td>
<p>ИН</p>
</td>
<td>
<p>149 (126; 230)</p>
</td>
<td>
<p>117 (83; 143)^**</p>
</td>
<td>
<p>55 (40; 74)^$</p>$
</td>
<td>
<p>73 (41; 89)</p>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p><em>Примечание: </em>ИВР — индекс вегетативного равновесия, ИН — индекс напряжения. ^$$ – р < 0.0001 – значимое отличие параметра между подгруппами с низким (НВ) и высоким (ВВ) уровнем общей вариабельности ритма сердца; ^** – р < 0.01 – статистически значимое отличие параметра по сравнению с исходным уровнем.

 

Тест с ДУ приводил к статистически значимому снижению на 24 и 19% параметров ИВР и ИН у НВ-девушек (табл. 2), тогда как в ВВ-подгруппе значимого изменения этих показателей не выявили.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В организме деятельность сердца находится под нервным и гуморальным контролем, что позволяет подстраивать его работу под потребности всего организма [10, 11, 22, 23]. Согласно современным представлениям, нервная регуляция работы сердца представляет собой многоконтурную систему иерархически организованных интегративных центров: ганглионарные сплетения нейронов внутрисердечной нервной системы, экстракардиальные ганглии, располагающиеся внутри грудной клетки, нейроны спинного мозга и ствола головного мозга — влияют на частоту разрядки синоатриального узла [10–12, 22, 24]. Высшим центром координации управления висцеральными системами является гипоталамус, который, в свою очередь, получает афферентацию, в том числе и от коры головного мозга, лимбической системы и управляет взаимодействием парасимпатического и симпатического отделов ВНС. Считается, что на каждом уровне управления система способна модулировать сердечную деятельность с помощью эфферентных петель обратной связи. Активность контуров регуляции работы сердца отражается в нерегулярности возникновения очередного кардиоцикла, или иначе говоря — формирует вариабельность ритма сердца [18–23].

Исследование показало, что значение показателя SDNN, характеризующего общий уровень ВРС, у здоровых девушек находится в широком диапазоне, что позволило выделить подгруппы студенток с условно низким и высоким уровнями ВРС — НВ- и ВВ-подгруппы соответственно. Рассмотрение структуры ВРС, показало, что ВВ-девушки характеризовались исходно более высокими показателями, коррелирующими с активностью парасимпатического отдела ВНС, регуляции и значительной дыхательной модуляции тонуса ВНС и хронотропной функции сердца [1]. Напротив, НВ-студентки с низким уровнем общей ВРС демонстрировали большую степень представленности в ней низкочастотной составляющей [1, 4, 11]. Считается, что такой тип управления функциями организма связан с меньшими адаптационными возможностями и большими энергетическими затратами, тогда как вагусный тип управления в большей степени подвержен саморегуляции [6, 10, 15, 24].

Для оценки адаптационных возможностей НВ- и ВВ-лиц использовали тест с навязанным ритмом дыхания. Считается, что выполнение дыхательной пробы является способом усиления влияний парасимпатического отдела ВНС на ритм сердца, которое обычно сопровождается увеличением параметров RMSSD, pNN50, HF и HFnu [5, 10, 16, 17]. Выполнение ДУ девушками с разным типом вегетативной регуляции показало, что НВ-и ВВ-субъекты по-разному реагировали на данную функциональную пробу. НВ-девушки после ДУ демонстрировали увеличение уровня общей ВРС, как оказалось, не связанного с ростом временных параметров вклада пВНС (а спектральный показатель HFnu и вовсе значимо уменьшился). В результате исходное соотношение LF/HF возрастало дополнительно почти в 2 раза в сторону еще большего преобладания LF компонента над HF. Феномен снижения вклада спектральных параметров пВНС в общую ВРС, не поддерживаемого со стороны временных показателей, может быть объяснен ритмом, задаваемым ПАК “Омега-М”. Известно, что частота дыхания здорового человека в покое составляет 12–20 раз в минуту и проявляется пиком высокой амплитуды НF-компонента спектра в диапазоне 0.15–0.4 Гц с максимумом на частоте, соответствующей ритму дыхания [10, 11, 16, 17]. Тогда, более размеренный тип дыхания, например, 6 или 4 раза в минуту, будет проявляться на спектрограмме пиками в области 0.1 или 0.067 Гц соответственно и увеличивать мощность LF-диапазона спектра, рассчитываемого в интервале 0.015–0.15 Гц. Что может быть ошибочно проинтерпретировано как рост вклада сВНС в общую ВРС. Вероятно, это объясняет рассогласование динамики временных и спектральных показателей пВНС вклада, а также кажущееся преобладание симпатических влияний над парасимпатическими на ритм сердца в нашем исследовании.

ВВ-субъекты, напротив, показали отсутствие изменений уровня общей ВРС после ДУ, хотя детальное рассмотрение выявило снижение как временных, так и спектральных показателей, интерпретируемых как влияние пВНС, так и рост LF-компонента, что, в конечном счете, проявилось возрастанием соотношения LF/HF почти в 1.5 раза, что более значимо выражено, чем в НВ-подгруппе. Предположено, что и в данной подгруппе дыхание с навязанным ритмом, привело к миграции дыхательного компонента спектра в низкочастотный диапазон, и ошибочно выглядит как усиление вклада сВНС в общую ВРС.

Учитывая, что и в НВ- и ВВ-подгруппах выполнение ДУ сопровождалось ростом соотношения LF/HF, хоть и в разной степени, можно судить об общности механизмов адаптации регуляторных систем работы сердца, при наличии разной адаптационной стоимости такого усилия для НВ- и ВВ-субъектов. Данные результаты частично согласуются с ранее полученными при помощи холтеровского мониторирования ЭКГ студентов, где показано, что НВ- и ВВ-субъекты по разному реагировали на дыхание с навязанным ритмом 4 и 6 раз в минуту и корреляционные связи между показателями ВРС изменялись в разной степени в зависимости от исходного типа вегетативной регуляции субъектов [1].

Следующий блок исследования был посвящен оценке ИВР и ИН — показателей состояния регуляторных систем организма, рассчитываемых на основании данных вариационной пульсометрии. ИВР может служить аналогом соотношения LF/HF — спектральных показателей ВРС, однако его изменение демонстрирует другую чувствительность к функциональной пробе в виде ДУ. Как показало исследование, НВ-лица показали исходно более высокие значения ИВР, по сравнению с ВВ-испытуемыми, что можно объяснить более высоким вкладом сВНС в регуляторные процессы в организме. Традиционно рост ИВР связывают с увеличением влияния сВНС и ростом амплитуды моды распределения кардиоинтервалов (числителя при расчете показателя ИВР). Тогда как возрастание вклада пВНС в регуляторные процессы приводит к увеличению вариационного размаха кардиоинтервалов (знаменателя при расчете показателя ИВР) и снижению самого индекса [10]. Выполнение ДУ в НВ-подгруппе приводило к его значимому снижению, т.е. усилению влияний пВНС на регуляцию работы сердца. Таким образом, эти результаты косвенно подтверждают вышеизложенную линию рассуждений о смещении дыхательного компонента спектра, связанного с активацией пВНС в низкочастотную область анализа. Что касается ВВ-подгруппы, то значимого изменения ИВР у девушек не выявлено, что подтверждается и результатами исследования ВРС: дыхательные упражнения не сопровождаются значимым увеличением общей ВРС ни во временном, ни в спектральном домене, а адаптация к нагрузке реализуется за счет реорганизации влияний пВНС и сВНС на кардиоритм.

Значение индекса напряжения регуляторных систем в норме составляет 80–150 у.е. [10, 17]; медианный уровень ИН в группе девушек составил 90 у.е., что соответствовало норме. Показано, что в состоянии покоя ИН у НВ-субъектов находится в пределах верхней границы нормы, тогда как значение этого параметра у ВВ-девушек примерно на 30% ниже нижней границы нормального диапазона. Обнаружение значений ИН ниже диапазона нормы по всей популяции указывает на то, что данные индивиды по типу вегетативной регуляции относятся к умеренным ваготоникам, для которых значения ИН ниже 50 у.е. являются типичными [15, 24].

Считается, что ИН является довольно чувствительным показателем к увеличению физической или эмоциональной нагрузки, так как сильно связан с усилением тонуса сВНС. Выполнение ДУ в НВ-подгруппе приводило к снижению ИН, а значит — ослаблению тонуса сВНС. При этом выполнение ДУ не приводило к выходу значений ИН за пределы нормального диапазона.

Выполнение ДУ ВВ-девушками, напротив, показало тенденцию к увеличению ИН, однако медиана абсолютных значений ИН не достигла нижней границы нормы. Любопытно, что для ВВ-субъектов, в отличие от НВ, выполнение ДУ было связано с активацией регуляторных систем, что подтверждается снижением временных и спектральных параметров ВРС, характеризующих вклад пВНС в общую ВРС, и тенденцией к росту показателей вклада сВНС в общую ВРС. Таким образом, дыхание с навязанным ритмом для ВВ-субъектов является более сложной для адаптационных систем нагрузкой, чем для НВ-лиц, несмотря на то, что ВВ-группа студенток соответствует группе людей, относящихся к умеренным ваготоникам, для которых “естественно” справляться с нагрузкой с помощью активации механизма, связанного с дыханием [6, 15]. Вероятно, такие люди являются более отзывчивыми к медитативным дыхательным практикам, физическим нагрузкам, связанным с изменением ритма дыхания или с его задержкой, например, при нырянии в воду и подводном плавании. Кроме того, клинические тесты, связанные с изменением ритма дыхания пациента, предположительно по-разному будут влиять на компоненты многоконтурной системы регуляции работы сердца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как показывают результаты настоящего исследования, дыхательные упражнения могут выступать инструментом к изменению баланса влияний пВНС и сВНС на функции организма вне зависимости от типа регуляторной активности. А также — дыхательные упражнения запускают различные механизмы адаптационных процессов в норме, у здоровых людей с разным типом регуляторной активности. Кроме того, данное исследование открывает перспективы для изучения нарушения в регуляции работы сердца в условиях развития патологии, где дыхательный тест может стать мягким неинвазивным инструментом оценки состояния пациента.

Этические нормы. Все исследования проведены в соответствии с принципами биомедицинской этики, сформулированными в Хельсинкской декларации 1964 г. и ее последующих обновлениях и одобрены локальным биоэтическим комитетом Медицинского института Пензенского Государственного Университета, протокол № 10 от 24.06.2020 г.

Информированное согласие. Каждый участник исследования представил добровольное письменное информированное согласие, подписанное им после разъяснения ему потенциальных рисков и преимуществ, а также характера предстоящего исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией данной статьи.

Вклад авторов в публикацию. Н.Л. Ильина разрабатывала дизайн исследования, а также проводила анализ научной литературы и редактировала текст публикации. М.П. Морозова отвечала за статистическую обработку результатов исследования, сбор и анализ научной литературы, написание текста настоящей статьи и осуществляла предпечатную подготовку работы. М.И. Морозова координировала взаимодействие студентов и экспериментаторов, контролировала документальную фиксацию результатов эксперимента и правильное выполнение протокола исследования студентами, осуществляла поиск и анализ литературы и участвовала в написании текста настоящей публикации.

About the authors

N. L. Ilina

Penza State University

Author for correspondence.
Email: mormasha@gmail.com
Russian Federation, Penza

M. P. Morozova

Pirogov Russian National Research Medical University

Email: mormasha@gmail.com
Russian Federation, Moscow

M. I. Morozova

Penza State University

Email: mormasha@gmail.com
Russian Federation, Penza

References

Supplementary files