Экспериментальные исследования как обоснование целесообразности динамической электрокардиографии для создания инновационных методов диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека

Осложняется этот подход тем, что ССС, как и САУ, – это нелинейная, нестационарная система «на несущей» частоте, роль которой выполняет частота сердечных сокращений (ЧСС), т. е. описать ее работу и «правильно» скорректировать достаточно сложно. Самой важной особенностью нелинейных систем вообще и систем с несущей частотой является зависимость их параметров от ряда факторов. Для ССС человека такими факторами являются: физическая нагрузка для здорового человека и многие другие для людей с патологиями, например, уровень глюкозы в крови для больных сахарным диабетом [2]. Сигнал электрокардиограммы (ЭКГ) – один из важнейших физиологических сигналов, идентифицирующих состояние человека. ЭКГ достаточно просто измеряется с высокой точностью, хорошо и всесторонне изучен [1]. Как управляющий сигнал в САУ – он обоснованно является определяющим в функциональной диагностике человека. Обычно анализируются частота ритма, амплитуда зубцов и сегментов, интервалы кардиокомплекса. Эта методика применяется при регистрации ЭКГ в состоянии покоя пациента и с некоторыми изменениями применяется при холтеровском мониторировании (многочасовом исследовании) и при велоэргометрии (электрокардиографии под регулируемой нагрузкой). Между тем в теории САУ наиболее информативными методами идентификации принято считать динамические методы исследований, в которых на исследуемый объект подаются сложные возмущающие сигналы и исследуется специфическая реакция на них. В приложении к ССС человека это становится требованием изучать специфические изменения ЭКГ при действиях человека, искажающих традиционную ЭКГ. При этом должны использоваться как специальные средства регистрации ЭКГ, так и методы анализа, применяемые обычно для нелинейных САУ. Один из универсальных методов описания таких систем – это метод фазовых траекторий, который анализирует синхронно записанные фазовые траектории САУ. В данном случае для ССС человека – это ЭКГ и скоростная ЭКГ – ее первая производная.

На рис. 1 представлены ЭКГ и скоростная ЭКГ в усиленном масштабе, причем на изображении слева – в увеличенном масштабе по времени.

гами несколько десятилетий назад. Причем авторы метода, использующие стандартные электрокардиографы, использовали упрощенную формулу, тогда как при высокоточной электрокардиографии реален уточненный расчет САЖ* (SAV*), по мнению авторов метода, характеризующий эффективность миокарда.

SAV = ^.

^ m

В ЮУрГУ разработан комплекс для регистрации ЭКГ в динамике [3, 4], использующий ЭКГ-футболки, кресла с вмонтированными электродами из токопроводящей ткани, положенной на материал с эффектом памяти. Такая конструкция позволяет получить сигналы ЭКГ хорошей точности даже через одежду и при выполнении физических упражнений [5]. После анализа экспериментов оказалось, что для нелинейной САУ важны оба параметра, причем САЖ как амплитуда основной гармоники ЭКГ характеризует саму структуру, а САЖ* – эту структуру в конкретном процессе.

С использованием этого комплекса был проведен ряд экспериментов [6, 7]. В первом эксперименте на велоэргометре обследовались два спортсмена с разной подготовкой – «стайер» и «спринтер». Они отрабатывали нагрузку от 0 до 250 Вт. ЭКГ спортсменов до нагрузки при малой ЧСС представлена на рис. 2

Рис. 1. ЭКГ и скоростная ЭКГ (стандартный и усиленный масштабы) Fig. 1. ECG and speed ECG (standard and scaled-up)

Материалы и методы. Анализ состояния миокарда может строиться на расчетах скорости активации желудочков САЖ (SAV), параметре, предложенном российскими кардиоло- и под нагрузкой при максимальной ЧСС – на рис. 3. Очень характерны искажения сигнала, которые сегодня никак не интерпретируются кардиологией.

Рис. 3. ЭКГ 1-го и 2-го спортсменов «после» эксперимента Fig. 3. ECG of the 1st and 2nd athletes after the experiment

Результаты исследования. Различия очевидны – САЖ* первого спортсмена (рис. 4) синхронизированы с изменениями ЧСС, а у второго – нет (рис. 5). При этом максимальная ЧСС первого 120 уд./мин, а второго – 180 при одной и той же нагрузке. Напрашивается гипотеза об эффективности ССС, если изменения ЧСС сопровождаются синхронными изменениями САЖ*, т. е. активностью миокарда.

Логично предположить, что у человека, у которого рост ЧСС сопровождается и ростом эффективности каждого кардиокомплекса (САЖ*), потребуется и меньший рост ЧСС для парирования той же нагрузки. Данные экспериментов могут быть основой для очень многих гипотез и предположений о кардиофизиологии, но в данном случае мы акцентируем внимание на том, что динамический анализ дал принципиально различные результаты для разных обследуемых, ЭКГ которых не имели существенных различий.

Вторая серия экспериментов проведена на группе спортсменов – около 30 человек. Для этого мы использовали кресло со встроенными электродами. Кресло позволяет регистрировать сигнал за 1–2 мин, практически не отрываясь от тренировки.

У большинства обследуемых четкой синхронизации изменений ЧСС с САЖ нет (рис. 6б).

Но у тех, у кого она есть, эта зависимость сохраняется под разной нагрузкой и в разное время (рис. 7).

У лучшей спортсменки эта зависимость очень явная (рис. 6а).

Обращает на себя внимание и то, что при такой синхронизации отсутствует явное преобладание высокочастотных вариаций ЧСС, которую считает необходимой для спортсменов традиционная ритмокардиография. Один из выводов, полученных в ходе экспериментов с динамической электрокардиографией, – это высокая эффективность организма с синхронной вариативностью ЧСС и САЖ*.

Третья группа исследований, в ходе которых ЭКГ-футболку предложили опытному спортсмену-штангисту во время тренировки на «растяжку». Футболка содержит 5 электродов, сгруппированных по сторонам: левая (два электрода) и правая (три). Таким образом регистрируется интегральная вектор-грам-ма «лево-право». Результаты приведены на рис. 8, 9.

Стоит отметить, что все время сеанса записи электрокардиограммы спортсмен выполнял самые различные физические упражнения, потому мы наблюдали незначительные интервалы потери сигнала, которые в целом не изменили общей картины обследования.

Рис. 4. Синхронные диаграммы ЭКГ, ЧСС и САЖ (1-й спортсмен) Fig. 4. Synchronized diagrams of ECG, HR, and SVA (1st athlete)

Рис. 5. Синхронные диаграммы ЭКГ, ЧСС и САЖ (2-й спортсмен) Fig. 5. Synchronized diagrams of ECG, HR, and SVA (2nd athlete)

а)                                                            б)

Рис. 6. Диаграммы ЭКГ, ЧСС и САЖ

Fig. 6. Diagrams of ECG, HR, and SVA

Рис. 7. Диаграммы ЭКГ, ЧСС и САЖ при различных нагрузках в разное время Fig. 7. Diagrams of ECG, HR, and SVA at different loads and at different time periods

Рис. 8. Сигналы ЭКГ записаны в разное время в разных масштабах с одних и тех же точек тела испытуемого спортсмена

Fig. 8. ECG signals registered at different time periods and at different scales from the same points of the athlete’s body

Проведенные эксперименты позволили выявить массив данных в виде длительных интервалов очень стабильной изолинии, или движений изолинии ЭКГ с небольшой амплитудой, которые очень информативны для оценки дыхания и движения. И самое, на наш взгляд, интересное – в процессе выполнения упражнений изменяется не только ритм ЧСС, это естественно, но, как следует из диаграмм ЭКГ, меняются и зубцы ЭКГ – Q, R, S – положительные и отрицательные элементы ЭКГ. При этом ЭКГ регистрируется в одних и тех же точках, т. е. мы фиксируем динамические изменения оси ЭКГ. Не вызывает сомнений, что динамика изменений положения оси ЭКГ может быть исключительно информативна для инновационных методов диагностики ССС человека. Из этого следует, что диаграммы синхронно изменяющихся ЭКГ, ЧСС, САЖ* можно дополнить диаграммой изменения положения оси ЭКГ.

Рис. 9. Сигналы ЭКГ записаны в разное время в разных масштабах с одних и тех же точек тела испытуемого спортсмена

Fig. 9. ECG signals registered at different time periods and at different scales from the same points of the athlete’s body

Заключение. Проведенные эксперименты показали, что динамическая регистрация электрокардиограммы с расчетами частоты сердечных сокращений, скорости активации желудочков, положения оси ЭКГ и т. д. могут быть информационной основой для инновационных методов анализа состояния сердечно-сосудистой системы человека, прогноза его потенциальных возможностей.