Особенности пульсовой волны при хронической артериальной недостаточности нижних конечностей

Атеросклероз является самой распространенной патологией магистральных артерий нижних конечностей [5]. Течение заболевания сопряжено с их окклюзионно-стенотической трансформацией и формированием комплекса клинических признаков, обозначаемого как хроническая артериальная недостаточность нижних конечностей. В данной работе мы будем использовать этот термин как наиболее отражающий патофизиологическую сущность заболевания [1, 5]. Прогрессирование стеноза и (или) окклюзии магистральных артерий ведет к постепенной декомпенсации кровотока в конечности, что обусловливает высокие показатели летальности и инвалидизации [1, 3]. Далеко зашедшие случаи хронической артериальной недостаточности нижних конечностей подлежат оперативному лечению. Проводимая операция направлена на

Мизева Ирина Андреевна, к.ф.-м.н., н.с. лаборатории физической гидродинамики, Пермь

Думлер Андрей Артурович, врач-терапевт, доцент кафедры пропедевтики внутренних болезней, Пермь Муравьев Никита Григорьевич, студент, Пермь восстановление магистрального кровотока и увеличение просвета стенозированного сосуда, однако 20% оперированных погибают в течение первого года после операции, а 50% возвращаются для повторного оперативного вмешательства [19]. Таким образом, хроническая артериальная недостаточность нижних конечностей является серьезной медико-социальной проблемой и требует совершенствования методов ее раннего выявления.

Диагностика хронической артериальной недостаточности нижних конечностей заключается в сборе анамнеза заболевания, проведении клинического осмотра и использовании инструментальных методов обследования, среди которых наиболее распространены ультразвуковая допплерография пораженных артерий и измерение лодыжечно-плечевого индекса ( ABPI ) [19]. Ультразвуковая допплерография артерий нижних конечностей позволяет визуализировать пораженные артериальные сегменты, характер кровотока в них, ориентировочно оценить объем поражения, степень стеноза. Индекс ABPI характеризует отношение систолического давления на артериях голени и плеча и наиболее точно определяется при использовании ультразвукового датчика [3]. Значение ABPI < 1 свидетельствует о нарушениях магистрального кровотока в нижних конечностях [19]. При хронической артериальной недостаточности нижних конечностей значение ABPI несимметрично [4], что связано с разной степенью поражения в конечностях. Вышеперечисленные методы неинвазивны и могут применяться для первичной диагностики заболевания.

Достоверным методом, используемым при планировании хирургического вмешательства для лечения хронической артериальной недостаточности нижних конечностей, считается рентгеноконтрастная аортоартериография [1, 3, 5]. Принцип метода заключается в зондировании брюшной аорты, введении рентгеноконтраста и выполнении серии рентгеновских снимков артериального русла нижних конечностей [1]. Данный метод предполагает существенное вмешательство в организм человека, проводится в условиях операционной и не может быть применим для скрининговых обследований пациентов.

Оптимальная методика для сосудистой скрининговой диагностики должна соответствовать ряду требований: неинвазивность, простота, надежность, воспроизводимость, возможность получения экспресс-результата [4]. Одной из методик, обладающих перечисленными выше качествами, является фотоплетизмография, основанная на определении объема крови в микрососудистом русле ткани [8]. Интенсивность проходящего излучения зависит от количества крови, находящегося между приемником и источником (рис. 1). Длина волны излучаемого света 980 нм подобрана таким образом, чтобы основное поглощение происходило эритроцитами в артериальном звене [14]. Строго говоря, сигнал пропорционален количеству эритроцитов, попадающих в область между источником и приемником. Поскольку изменение гематокрита (объемного содержания эритроцитов в единице объема крови) в течение одного измерения мало, интенсивность регистрируемого приемником света обратно пропорциональна объему крови, находящемуся в области просвета.

Регистрируемый при помощи фотоплетизмографии сигнал называется фотоплетизмограммой и является суперпозицией переменной составляющей ( AC ), связанной с изменением объема крови в ткани синхронно с сердцебиением, и медленно меняющейся составляющей ( DC ), связанной с дыханием, активностью симпатической нервной системы, терморегуляцией (рис. 2) [8, 10]. Переменная составляющая сигнала AC формируется за счет поглощения света изменяющимся объемом крови в артериальном звене микроциркуляторного русла. При формировании низкочастотной составляющей существенно поглощение света костями, кожей, тканями и постоянным объемом крови в венозном и артериальном звеньях микроциркуляторного русла.

Рис. 1. Принципиальная схема фотоплетизмографа

Рис. 2. Формирование сигнала фотоплетизмограммы

Пульсовая волна – распространяющаяся по аорте и артериям волна повышенного давления, вызванная выбросом крови из левого желудочка в период сокращения сердечной мышцы (фазы систолы). Волна давления распространяется вдоль артериальной части сосудистой системы, и кратковременное расширение участка артериальной стенки можно прощупать или зарегистрировать в виде пульсового толчка (артериального пульса). Скорость распространения пульсовой волны по сосудам не зависит от скорости течения крови, а определяется эластичностью и диаметром сосуда, толщиной его стенки, плотностью крови [13].

Форма объемной пульсовой волны формируется в результате взаимодействия между левым желудочком и сосудами большого круга кровообращения. Первый пик пульсовой волны образуется благодаря систолической прямой волне, второй – благодаря отраженной волне, которая возникает из-за отражения объема крови, передающегося по аорте и крупным магистральным артериям к нижним конечностям и направляющегося обратно в восходящий отдел аорты. Результаты исследований [7] показывают, что интенсивность отражения определяется тонусом мелких мышечных артерий в основных местах отражения, поэтому анализ формы пульсовой волны может характеризовать функциональное состояние и структурные изменения периферического сосудистого русла [5, 20].

Существуют различные методы регистрации пульсовых волн на периферии: сфигмограмма [12], фотоплетизмограмма [9, 13, 16], импедансная реовазография [23], ультразвуковая допплерография [1, 5]. Известно, что при поражении сосудов форма пульсовой волны на периферии качественно изменяется. При расположении датчика фотоплетизмограммы дистальнее стеноза артерии подъем происходит медленнее, пик скруглен и второй пик на дикротической волне может отсутствовать или быть значительно ослаблен [9]. В работах [9, 13] были построены комплексы параметров, описывающих форму пульсовой волны и проведено их количественное исследование у здоровых и больных хронической артериальной недостаточностью нижних конечностей. Важно отметить, что спектральный анализ пульсовых волн на периферии при хронической артериальной недостаточности нижних конечностей ранее не проводился, хотя в исследованиях [18, 24] была показана эффективность Фурье-анализа при исследовании форм пульсовых волн у здоровых добровольцев.

На протяжении двух последних десятилетий для помасштабного анализа сигналов различной природы широко используется вейвлет-анализ [6]. Метод был значительно развит при анализе астрофизических данных [21] и в последнее десятилетие внедрен в практику анализа биофизических сигналов [15], в том числе для оценки состояния центральной гемодинамики и периферического кровообращения [2, 11, 22]. При вейвлет-разложении влияние кратных гармоник, шума и артефактов движения менее значительно, чем при Фурье-разложении [6].

Целью данной работы является исследование формы пульсовой волны в магистральных артериях дистальных отделов нижних конечностей при хронической артериальной недостаточности нижних конечностей методом фотоплетизмографии.

Материалы обследования

В исследовании приняли участие 59 добровольцев мужского пола, из них 25 здоровых и 34 с хронической артериальной недостаточностью нижних конечностей, находившихся на лечении в отделении сердечно-сосудистой хирургии городской клинической больницы № 4 г. Перми. В исследование включены пациенты с хронической артериальной недостаточностью нижних конечностей атеросклеротического генеза как наиболее распространенной и социально значимой патологией. Больные сахарным диабетом и аутоиммунными заболеваниями артериальных сосудов ввиду специфичности гемодинамических расстройств при этих заболеваниях были исключены из исследования. Основным клиническим проявлением, которое имело место у больных, отобранных для исследования, было наличие перемежающейся хромоты. При этом диагноз устанавливался согласно рекомендациям Документа Европейского соглашения по критической ишемии нижних конечностей при наличии типичных клинических симптомов в течение не менее двух недель [19]. Для верификации диагноза были использованы методы клинического осмотра, измерения ABPI и рентгеноконтрастной аортоартериографии.

Степень развития заболевания различна в конечностях одного пациента, поэтому в подгруппе пациентов отдельно изучались свойства пульсовых волн в конечности, в которой инвазивными методами была установлена необходимость оперативного лечения (подгруппа B ) и в контралатеральной конечности, которая была в меньшей степени подверженной заболеванию (подгруппа A ). Необходимо отметить, что хроническая артериальная недостаточность нижних конечностей является проявлением генерализованного атеросклероза [5], поэтому измерения в контралатеральной конечности (подгруппа A ) относятся к атеросклеротическому поражению магистральных артерий, не приведшему на момент обследования к развитию декомпенсации периферического кровообращения, способной, при отсутствии хирургического вмешательства, привести к отмиранию тканей пораженного органа [5].

Методика измерений и обработки результатов

Запись фотоплетизмограмм производилась при контролируемой температуре 24 ± 1 ° C после пятиминутной адаптации пациента к измерительным приборам с дистальной фаланги второго пальца ноги пациента (см. рис. 1). Для регистрации сигнала был использован серийно выпускаемый монитор анестезиолога-реаниматолога Микролюкс (Россия), в котором реализован режим записи просветной фотоплетизмограммы. Программное обеспечение было адаптировано для целей исследования и позволяло помимо измерения низкочастотных трендов, которые широко применяются в клинической практике, производить запись сигналов с частотой опроса 50 Гц. При измерениях были отключены все функции предобработки сигналов, которыми снабжен прибор. Измерения проводились в течение 10 мин последовательно с двух конечностей. Из исследования были исключены фотоплетизмограммы, не пригодные для обработки из-за слабой перфузии ткани кровью или значительно выраженных артефактах движения вследствие тремора конечностей.

На рис. 3 показаны характерные фотоплетизмограммы в подгруппах пациентов. Представленные результаты качественно согласуются с результатами других исследователей [9, 12, 13, 16, 23]. Пульсовая волна здорового человека характеризуется достаточно крутым подъемом, узким импульсом и наличием вторичной (отраженной) волны. Важно отметить, что у здоровых людей свойства волн в обеих нижних конечностях одинаковы [9, 13, 16]. Значительный стеноз (сужение) артерий приводит к сглаживанию пульсовой волны, увеличению времени дикротической фазы, увеличению скорости распространения до периферии. Амплитуда отраженной волны становится меньше, в случаях далеко зашедшего заболевания вторичная волна не определяется на фотоплетизмограмме. При развитии критической ишемии в одной из конечностей возникает несимметричность пульсовых волн в конечностях [9, 13].

После каждой фотоплетизмограммы производилось измерение артериального давления и ABPI . Для измерения ABPI на голень обследуемого накладывается манжетка механического тонометра, в проекции голеностопного сустава при помощи двунаправленного допплер-анализатора лоцируется пульсирующий кровоток в передней и задней большеберцовых артериях. Датчик устанавливается в месте наилучшей слышимости пульса на одной из артерий. В манжетку нагнетается воздух до исчезновения пульса. При стравливании его по появлению первого пульсового удара регистрируется систолическое артериальное давление в лоцируемой артерии. Аналогичным образом выясняется систолическое артериальное давление на второй артерии. ABPI вычисляется как отношение большего из систолических артериальных давлений на голени к большему из систолических артериальных давлений на плечах. Распределение ABPI в исследуемых подгруппах показано на рис. 4.

Для анализа формы фотоплетизмограммы сигналов из каждой записи были выбраны пятиминутные стационарные записи, не содержащие артефактов. Для исследуемых в работе параметров с характерными частотами, сравнимыми с частотой сокращений сердца (порядка 1 Гц), такая выборка репрезентативна. Далее проводился спектральный анализ сигнала.

Под спектральным анализом обычно понимается разложение сигнала в ряд Фурье по гармоническим функциям. Гармонические функции определены от - ^ до + ^ , а при анализе реальных сигналов мы имеем дело с конечными реализациями. Выбрав ограниченную в пространстве анализирующую функцию, получаем обобщение анализа Фурье – вейвлет-анализ.

Непрерывное вейвлет-преобразование позволяет представить функцию одной переменной (времени в нашем случае) f ( t ) в двумерном пространстве времени и частоты (1):

а

2      3      4      5      6      7      8

б

в

Рис. 3. Характерный вид пульсовых волн в дистальных отделах нижних конечностей, регистрируемых в различных подгруппах: а – контрольная группа, б – группа A , в – группа В

∞

W ( ν , τ ) =ν ∫ f ( t ) ψ ^* (( t - τ ) ν ) dt ,                                (1)

-∞ где t – время; знак «*» – комплексное сопряжение; τ – временной сдвиг; ν – частота; ψ(t) – некоторая функция, называемая анализирующим вейвлетом, форма которой определяется типом сигнала и целью проводимого исследования сигнала.

В нашем случае будет использован комплексный вейвлет Морле ψ ( t ) = exp(2 π it ) exp( - t ²/σ ²) [17] (нами был выбран параметр затухания σ= 3), который позволяет проводить вычисление модуля и фазы вейвлет-разложения.

Интеграл W ( ν , τ ) по τ дает характеристику всех пульсаций данной частоты ν и является аналогом спектральной плотности энергии сигнала:

Рис. 4. ABPI в различных подгруппах

Рис. 5. Сравнение Фурье- и вейвлет-спектров одного из сигналов

Вейвлет-разложение каждой записи было выполнено в диапазоне частот 0,3–5,0 Гц. Для расчета использовалось 50 гармоник с логарифмическим разбиением по частоте. На рис. 5 представлено сравнение Фурье- и вейвлет-спектров для одной фотоплетизмограммы из подгруппы здоровых. Из рисунка следует, что вейвлет-спектр хорошо воспроизводит основные особенности спектра Фурье в данном диапазоне частот, но при этом в нем отсутствуют паразитные пики и он значительно более удобен для последующего анализа. Необходимо отметить, что спектр сигнала фотоплетизмограммы в заданном диапазоне частот содержит хорошо выделяемый пик, соответствующий частоте сердечных сокращений ν _HR . На частоте порядка 2 ν _HR в спектрах присутствует второй пик, соответствующий отраженной волне.

Для сравнения энергии пульсации различных частот, в том числе оценки энергии отраженной волны, перейдем к безразмерной частоте ( ~ ) и энергии E ( ~ ) . В качестве единицы измерения частоты выберем частоту сердечного ритма v hr , а в качестве единицы энергии - энергию пульсаций данной частоты Max[ E ( v ) ], которая является максимальной в диапазоне масштабов 0,3–5,0 Гц:

E ( ~ ) = E ( v ) /Max[ E ( v ) ], ~ = ^V / ^Vl Max[ E (v)] *

На рис. 6 представлены нормированные спектры фотоплетизмограмм сигналов для всех обследованных пациентов. В подгруппе здоровых (см. рис. 6, а ) в спектрах наблюдается пик в диапазоне частот 1,7–2,2 Гц, соответствующий отраженной волне. В подгруппе A (см. рис. 6, б ) энергия колебаний данного диапазона частот меньше, чему соответствует менее выраженный пик в данном диапазоне частот. При критической ишемии отраженная волна почти полностью отсутствует (см. рис. 6, в ), что сопровождается уменьшением энергии в спектрах.

Из рассмотрения были исключены спектры, в которых нельзя было достаточно точно выделить основную гармонику, что могло быть вызвано сильной аритмией и (или) слабой перфузией тканей кровью. Для количественной оценки энергии пульсаций в некотором диапазоне частот определим индекс I как v2 ~

I = Log J E ( ~ ) d ~, (4) v ₁

где ~ i и ~ 2 - граничные частоты для выбранного интервала. Для сравнения энергии отраженной волны выберем граничные частоты в окрестности ~ = 2 . На рис. 7 показано распределение I при различном выборе граничных частот ~ 1 и ~₂ . Видно, что вариация граничных частот в некоторых пределах не приводит к изменению статистически важных свойств изучаемых величин, т.е. отличия в подгруппах остаются достоверными при увеличении интервала интегрирования в два раза.

В таблице просуммированы полученные средние значения индекса I и ABPI в исследуемых подгруппах. Результаты представлены в виде среднего ± стандартное отклонение. Сравнение средних значений в подгруппах было проведено при помощи анализа достоверности ANOVA ( t-test ). Достоверность p < 0,05 считается статистически значимой. Из таблицы следует, что индекс I , характеризующий энергию отраженной волны, отличается достоверно в исследуемых группах, при этом чувствительность предложенного метода выше, чем у метода определения ABPI .

Выводы

В работе впервые предложен спектральный метод для количественного описания свойств пульсовой волны в нижних конечностях при хронической артериальной недостаточности. Показано, что энергия отраженной волны, определяемая при помощи интегрирования нормированных спектров в некотором частотном диапазоне (индекс I ), достоверно различается в исследуемых группах, при этом чувствительность метода выше, чем традиционного метода скрининговой диагностики определения ABPI .

в

Рис. 6. Нормированные вейвлет-спектры: а – в подгруппе контроля; б – в группе А ; в – в группе B

Рис. 7. Распределение I для различных подгрупп. Обозначения: точки – средние значения; прямая линия – медианные значения; верхняя и нижняя граница прямоугольников – перцентили распределения (25% – нижний и 75% – верхний), усики – разброс распределения. Штриховкой обозначены разные пределы интегрирования для вычисления I (незакрашенные прямоугольники – ^~ ν ₁ = 1,8, ν ^~ ₂ = 2,2, серые прямоугольники – ^~ ν ₁= 1,7, ν ^~ ₂ = 2,3, штрихованные прямоугольники – ^~ ν ₁ = 1,6, ν ^~ ₂ = 2,4)

Сравнение лодыжечно-плечевого индекса ( ABPI ) и энергии вторичной волны ( I ) в исследуемых группах

Показатель	Среднее ± стандартное отклонение			Достоверность p ( t-test )
	A	B	контроль	A –контроль	B –контроль	A–B
ABPI	1,0 ± 0,2	0,7 ± 0,2	1,14 ± 0,60	0,040	0,040	0,005
I	-4,1 ± 0,5	-4,6 ± 0,4	-2,90 ± 0,40	<0,001	<0,001	0,016

Сходимость описанных в работе результатов с результатами, полученными другими признанными методами, может служить мотивацией для дальнейшего развития исследований в данном направлении. Безболезненность, простота, универсальность предложенной методики, а также наличие фотоплетизмографов в мониторах пациентов (и как следствие их достаточная распространенность в клинической практике) создают условия для внедрения предложенной методики для скрининговой диагностики хронической артериальной недостаточности нижних конечностей, в том числе в поликлинических учреждениях. Основные ограничения на использование фотоплетизмограммы связаны с плохим сигналом, вызванным артефактами движения или при ограниченном периферическом кровотоке [18]. Предложенный метод математического анализа будет эффективным при анализе формы пульсовых волн, полученных и другими методами регистрации.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (11–01–96018– р_урал_а) и УрО (11–1–НП–384) для молодых ученых.

92                      ISSN 1812-5123. Российский журнал биомеханики. 2012. Т. 16, № 2 (56): 83–94