Frequency-dependent variability of pulse wave transit time. Pilot study

Full Text

Вариабельность сердечного ритма (ВСР) широко используется как маркер участия симпатической и парасимпатической нервной системы в регуляции частоты сердечных сокращений [1]. В последние несколько лет в качестве суррогата ВСР используется вариабельность частоты периферического пульса (ВЧП, pulse rate variability (PRV)), которая формируется прохождением пульсовой волны по дистальным участкам сосудистого русла мягких тканей и вызывает их периодическое пульсовое кровенаполнение [2–4]. Предполагается, что подход на основе измерения ВЧП позволяет достаточно полно описать динамику ВСР. Однако взаимосвязь между ВЧП и ВСР еще не до конца изучена и понятна, так как на исходную вариабельность пульсовой волны по мере ее продвижения по сосудистому руслу от сердца до микрососудов дистальных участков мягких тканей могут влиять различные нейрогуморальные и структурные факторы, играющие ключевую роль в регуляции кровотока [5–6]. Важно уметь различать эти факторы по характерным динамическим свойствам, например, по временному масштабу. Исходя из динамики процессов, регулирующих ВСР, в первом приближении факторы можно разделить по времени на: быстрые – нейрогенные, средние – гуморальные и медленные – структурные. При этом первые два фактора преимущественно занимают отрезок времени от единиц секунд до сотен минут [1].

Ранее было продемонстрировано, что в отличие от традиционно используемого метода Фурье-анализа временных рядов кардиоинтервалов, извлеченных из ЭКГ, метод Гильберта–Хуанга (Г–Х) позволяет разложить колебания кардиоинтервалов на эмпирические моды, центральные частоты которых попадают в традиционно выделяемые частотные интервалы, что открывает новые возможности для анализа кардиоритма [7]. Использование метода Г–Х позволило выявить в динамике пульсового кровенаполнения мягких тканей подушечек указательных пальцев рук эмпирические моды, модулирующие кардиоритм в диапазоне частот от 1 до 0.01 Гц и менее, что свидетельствует о возможности количественно оценивать динамическую вариабельность времени прохождения пульсовой волны (ВВППВ) на разных частотно-временных масштабах [8].

Целью данной работы были проведение пилотного исследования для анализа частотно-зависимой динамики вариабельности времени прохождения пульсовой волны и выявления возможной частотно-фазовой модуляции колебаний ее скорости на пути следования от сердца к мягким тканям дистальных участков верхних конечностей на ограниченной группе условно здоровых испытуемых.

В исследовании использованы ряды записей RR-интервалов между последовательными сердечными сокращениями и синхронные с ними записи фотоплетизмограмм (ФПГ) с циклическим кровенаполнением мягких тканей указательного пальца левой руки 12-ти условно здоровых испытуемых (8 мужчин и 4 женщины) из открытой базы ранее зарегистрированных физиологических сигналов PhysioNet [9–10]. По данным используемой базы данных Pulse Transit Time PPG Dataset (version 1.1.0) [9] испытуемые имели следующие антропометрические показатели (среднее ± стандартная ошибка): возраст 30.0 ± 2.7 года; рост 174.0 ± 2.8 см; вес 73.8 ± 5.2 кг; систолическое артериальное давление (АД) 122.2 ± 4.6 и диастолическое АД 76.8 ± 1.7 мм рт. ст. Ряды RR-интервалов были рассчитаны как интервалы времени между последовательными R-зубцами электрокардиограмм (ЭКГ) и характеризовали динамику центрального пульса. Ряды РР-интервалов были рассчитаны из записей ФПГ как последовательность интервалов между преданакротическими P-зубцами ФПГ [11] и характеризовали динамику периферического пульса. Время прохождения пульсовой волны (ВППВ) определяли как временную задержку между пиками P- и R-зубцов, а последовательность этих времен была использована для расчета динамики ВВППВ.

Для анализа частотных спектров ВСР и ВВППВ использовали комбинацию методов Г–Х [12–13] и вейвлет-анализа, при этом спектральный метод вейвлет-анализа использовался для построения и визуализации амплитудно-частотных спектров эмпирических мод, полученных методом Г–Х. Для сглаживания и аппроксимации спектров эмпирических мод использовалась функция Вейбулла. Частотно зависимые коэффициенты передачи сигналов от ВСР к ВЧП вычислялись как отношения спектров ВВППВ к спектрам ВСР соответствующих мод и далее аппроксимировались 4-х-параметрическими сигмоидальными функциями.

Предварительные обработка и анализ сигналов, а также статистическая обработка результатов были проведены в среде Matlab R2016a (MathWorks, Natick, Massachusetts, USA). Различия считались статистически значимыми при p < 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для проверки возможного влияния регуляторных процессов на усредненный по времени периферический пульс мы проанализировали и сравнили центральные и периферические кардиоритмограммы. Было обнаружено, что усредненные по времени и по группе испытуемых периоды центрального и периферического пульсов не различались между собой и были равны 0.83 ± 0.03 с (p > 0.8). Также не различались их девиации и коэффициенты вариации (данные представлены как среднее ± стандартная ошибка). Последние находились в диапазоне 5–10%. Полученные данные подтверждают результаты многочисленных ранее проведенных исследований о том, что усредненный по времени периферический сердечный ритм определяется центральным механизмом и не зависит от возможных локальных динамических изменений параметров сосудистого русла. Усредненное за 7-минутный интервал ВППВ составило в среднем по группе 0.160 ± 0.003 с, а средний коэффициент вариации был около 5% (данные представлены как среднее ± стандартная ошибка).

Усредненные показатели не позволяют оценить динамические изменения сердечного ритма и пульсовой волны, формирующей периферический ритм. Оценка динамических свойств пульсовой волны может показать, влияют ли процессы, регулирующие тонус сосудов, на временную задержку между периферическим и центральным пульсом, а следовательно, и на скорость распространения пульсовой волны. Также, используя спектры ВСР, можно оценить связь между ВВППВ и ВСР.

Результаты спектрального анализа показаны на рис. 1. Было обнаружено и проанализировано 3 первые эмпирические моды для ВСР (рис. 1а–1в) и для ВВППВ (рис. 1г–1е). Усредненные по группе амплитуды колебаний 1, 2, и 3 мод были 7.3 ± 1.1 мс, 18.5 ± 1.5 мс и 12.6 ± 1.1 мс для ВСР и 2.0 ± 0.1 мс, 2.2 ± 0.4 мс и 1.7 ± 0.3 мс для ВВППВ соответственно (данные представлены как среднее ± стандартная ошибка). Видно, что для ВВППВ значения амплитуд в разы меньше, чем для ВСР. При этом для всех мод положение максимумов спектров ВВППВ было значимо сдвинуто в сторону более высоких частот по сравнению со спектрами ВСР.

 

Рис. 1. Спектры эмпирических мод для ВСР (а, б, в) и ВВППВ (г, д, е) и их отношения (ж, з, и). Точки – медианы; пунктирные кривые – 25 и 75 процентили; жирные сплошные кривые – аппроксимации функциями Вейбулла (а–е) и 4-х-параметрическими сигмоидальными функциями (ж–и).

 

Несмотря на количественные различия, наблюдается качественное сходство между спектрами ВВППВ и ВСР как по количеству мод, так и по характеру их спектральных кривых (рис. 1). Это может свидетельствовать о наличии функциональной взаимосвязи между ними. Для оценки такой взаимосвязи мы вычислили отношение амплитуд спектров ВВППВ к ВСР и получили частотные зависимости этих отношений (рис. 1ж–1и). Эти зависимости хорошо аппроксимировались сигмоидальными функциями с коэффициентом детерминации R ² > 0.95. Из рисунка видно, что для 1, 2 и 3 мод точки перегиба сигмоидальных зависимостей сдвигаются в область низких частот: 0.24 Гц, 0.12 Гц и 0.06 Гц соответственно, а значения пьедестала снижаются: 0.17, 0.08 и 0.04 соответственно. Полученные функциональные связи между ВВППВ и ВСР могут отражать суммарный результат всех воздействий, дающих вклад в динамическое нелинейное изменение фазы колебаний скорости распространения пульсовой волны.

В результате выполнения пилотного исследования обнаружена новая закономерность динамики прохождения пульсовой волны от сердца к мягким тканям дистальных участков конечностей условно здоровых испытуемых. Она проявляется как частотно-зависимый феномен периодических изменений фазы колебаний скорости распространения пульсовой волны, который, возможно, отражает суммарный вклад всех эпизодических воздействий на скорость распространения пульсовой волны от сердца к мягким тканям. Важно подчеркнуть, что эпизодические изменения скорости распространения пульсовой волны не могут значительно повлиять на ее усредненную скорость. Частотно-зависимый феномен фазовой модуляции периодических изменений времени прохождения пульсовой волны является не альтернативным методом оценки состояния ССС, но принципиально новым дополнением к нейрогуморальным механизмам регуляции динамики кровоснабжения органов и тканей в норме и при заболеваниях. Исследование участия этого комплекса механизмов в формировании и течении патологий различной этиологии может быть полезным при их профилактике и лечении.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарят академика В. Н. Шабалина за конструктивное обсуждение вариантов рукописи.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Финансирование работы проводилось в рамках выполнения работ по госзаданиям ИБК РАН.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

В данной работе не проводились исследования человека и животных. Проводился анализ данных из открытой базы данных Pulse Transit Time PPG Dataset (version 1.1.0) [9]. По данным используемой базы данных все исследования проводились в соответствии с принципами биомедицинской этики, изложенными в Хельсинской декларации 1964 г. и последующих поправках к ней, и все участники дали письменное информированное согласие.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

A. A. Grinevich

Institute of Cell Biophysics of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: grin_aa@mail.ru
Russian Federation, Pushchino

N. K. Chemeris

Institute of Cell Biophysics of Russian Academy of Sciences

Email: nikolai.chemeris@mail.ru
Russian Federation, Pushchino

References

Supplementary files