Спектральный анализ вариабельности сердечного ритма по пульсовой волне при нагрузочных пробах

В некоторых областях человеческой деятельности чрезвычайно важен своевременный контроль адаптационных реакций организма и оценка текущих резервных возможностей. Снижение адаптаци- онных реакций организма является одним из ведущих факторов риска развития заболеваний и связано с выраженным уменьшением или даже с исчерпанием функциональных резервов. Для решения задачи оценки текущих резервных возможностей широко используются функциональные пробы с физическими нагрузками.

Одним из методов математической оценки функциональных резервов является спектральный анализ вариабельности сердечного ритма (ВСЕ). Применение спектрального анализа позволяет количественно оценить различные частотные составляющие колебаний ритма сердца и наглядно графически представить соотношения разных компонентов сердечного ритма, отражающих активность определенных звеньев регуляторного механизма. В спектре, полученном при анализе коротких записей (до 5 мин) пульсовых волн (рис. 1), различают три главных спектральных компонента [1]: очень низких частот (VLF), низких частот (LF) и высоких частот (HF). Эти компоненты соответствуют диапазонам дыхательных волн и медленных волн 1-го и 2-го порядка. При анализе длительных записей выделяют также еще и ультра низкочастотный компонент – Ultra Low Frequency (ULF) с частотами выше 0,015 Гц. Далее для каждого из компонентов вычисляют абсолютную суммарную мощность в диапазоне, среднюю мощность в диапазоне, значение максимальной гармоники и относительное значение в процентах от суммарной мощности во всех диапазонах. При этом суммарная мощность определяется как сумма мощностей в диапазонах HF, LF и VLF (≤0,4 Гц). По данным спектрального анализа сердечного ритма вычисляются следующие показатели: индекс централизации – IС = (HF+LF)/VLF и индекс вагосимпатического взаимодействия LF/HF.

Спектр сигнала ВСР вычисляется, согласно рекомендациям Европейского сообщества кардиологов [1], на основе последовательности дискретных событий, представляющей собой зависимость RR интервала от времени. Неравномерная выборка RR-интервалов при помощи методов передискретизации и интерполяции преобразуется в эквивалентную численную последовательность с равномерной выборкой, к которой применяются математические методы спектрального анализа (преобразование Фурье). В результате осуществляется переход к анализу ВСР в частотной области.

Рис. 1. Подготовка данных для спектрального анализа.

Целью работы является изучение спектральных характеристик сердечного ритма по пульсовой волне при нагрузочных пробах. Для получения исходных реализаций пульсовых сигналов в цифровой форме использовался автоматизированный пульсодиагностический комплекс (АПДК), который позволяет регистрировать пульсовую волну с запястья руки человека с частотой дискретизации 200 Гц и обрабатывать данные на компьютере с помощью различных математических методов.

Проведен трехэтапный эксперимент с нагрузочной пробой, в котором принимали участие борцы вольного стиля – студенты Бурятского государственного университета. Пульсовой сигнал с испытуемых регистрировался в трех функциональных состояниях: в состоянии покоя (фоновая запись), при физической нагрузке и в восстановительном периоде после нагрузки. Далее была проведена обработка и анализ полученных кривых различными методами [2], в том числе и спектральный анализ сердечного ритма. Рассчитывались следующие спектральные характеристики: мощность спектра ритмо-граммы в диапазоне VLF, мощность в диапазоне LF и мощность в диапазоне HF, а также общая спектральная мощность TP=VLF+LF+HF. По полученным спектральным характеристикам подсчитывались средние значения и среднеквадратическая ошибка (СКО) по всем испытуемым. Результаты расчетов приведены в табл. 1 и представлены на рис. 2 и 3.

Таблица

трального анализа при различных функциональных состояниях

Рис. 2б. Абсолютные значения показателей спектрального анализа при различных функциональных состояниях (шкала логарифмическая)

Спектральные характеристики ВСР

Проведем сравнительную оценку спектральных характеристик сердечного ритма. При исходной (фоновой) записи характерно наличие хорошо выраженных волн сердечного ритма во всех трех диапазонах частот. При проведении нагрузочных проб резко снизились все спектральные компоненты и, как следствие, более чем в 25 раз уменьшилась общая мощность спектра.

Динамика показателей спектрального анализа, представленная на рис. 2 и 3 показывает, что при проведении нагрузочных проб на фоне снижения мощностей низкочастотных и высокочастотных колебаний (на 3% и 6%) возрастает на 9% относительный вклад VLF-компоненты (увеличение VLF-составляющей на 43% по сравнению с фоновым показателем), что согласуется с известными представлениями об изменениях ритма сердца в этом состоянии:

Рис. 3. Показатели спектральной мощности ритма сердца, в % а) во нагрузки; б) во время нагрузки

В восстановительном периоде после нагрузки наблюдается увеличение абсолютных значений мощностей во всех трех диапазонах частот. В процентном соотношении мощности VLF и HF составляющих спектра уменьшаются, а мощность LF компоненты спектра увеличивается. При этом мощность VLF-составляющей спектра снижается на 9% и составляет 21%, что совпадает с фоновым показателем, а мощность LF-составляющей выше фонового показателя на 10%. Мощность HF-компоненты спектра в процентном соотношении уменьшается на 4%, но в абсолютных значениях возрастает более чем в 3 раза. Общая мощность спектра ниже фонового показателя в 5 раз. Таким об- разом, можно говорить о значительном снижении уровня текущего функционального состояния организма.

Таким образом, частотные характеристики вариабельности ритма сердца достоверно различаются при записях в нормальном состоянии, с нагрузочной пробой и в восстановительном периоде после нагрузки. Однако статистическая значимость данных различий невелика, что видно из таблицы. Поэтому ввиду большой внутригрупповой вариабельности рекомендуется проведение исследования с использованием критерия индивидуальной нормы. Данную методику можно рассматривать как весьма перспективную для создания средств самоконтроля психофизиологического состояния спортсменов.