Разработка методов и средств оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой

Актуальность проблемы. Нарушения работы систем управления организма приводят к развитию различных заболеваний. Биологическим системам свойственно дублирование управляющих механизмов, поэтому нарушение функций одной управляющей системы приводит к сложным реакциям перераспределения функций управления между дублирующими системами. При этом организм как функциональная система переходит к другой устойчивой рабочей точке, с другим устойчивым набором рабочих параметров. Причем, в целом ряде случаев эта новая рабочая точка находится за границами физиологической нормы и характеризует наличие патологии.

Сбои в работе управляющей системы, отвечающей за стабилизацию артериального давления (АД), приводят к эссенциальной гипотензии или гипертензии. Наиболее распространенная и опасная нозология из них — это эссенциальная гипертензия (ЭГ). Согласно докладу экспертов научного общества по изучению артериальной гипертензии, распространенность ЭГ в России составляет среди мужчин 39.2%, среди женщин 41.1% (Кушаковский М.С.). Особенно опасны осложнения ЭГ — ишемическая болезнь сердца (ИБС) и инсульт. По данным рабочей группы Всемирной организации здравоохранения среди населения России в возрасте от 45 до 74 лет свыше 85% случаев смерти от сердечно-сосудистых заболеваний приходится на ИБС и инсульт, а Россия по смертности от этих нозологий находится на одном из первых мест в Европе. Причем большая часть сердечных больных погибает в результате расстройств регуляции деятельности сердца при наличии еще значительных функциональных резервов миокарда даже после инфаркта и хронической ИБС (Хомазюк А.И.).

Первичные механизмы возникновения ЭГ связаны с нарушениями функций управления, что приводит к запуску компенсаторных, приспособленческих реакций, которые обеспечиваются дублирующими системами управления, в результате чего организм как функциональная система переходит на другой уровень функционирования с изменением рабочего параметра — артериального давления — за предел физиологической нормы. От того, какая управляющая система (вегетативная нервная, эндокринная, система регуляции баланса натрия и воды в организме и т. д.) вносит основной вклад в поддержание патологического значения АД во многом зависит тактика лечения. Однако современная методика лечения эссенциальной гипертензии (ступенчатый метод) представляет собой эмпирический подбор лекарств методом проб и ошибок, так как выяснять патогенетические механизмы эссенциальной гипертензии в каждом конкретном случае или очень дорого, или вообще невозможно на сегодняшний день (до 77% всех артериальных гипертоний имеют неясную этиологию, Виноградов A.B.).

Одной из важнейших управляющих систем, которая обеспечивает регуляцию деятельности сердца, а также стабилизацию артериального давления, является вегетативная нервная система (ВНС). Чем больше напряженность физиологических регулирующих систем, тем меньший возможен от них ответ на возбуждающие стимулы (Вейн A.M.). Поэтому оценка вегетативной обеспеченности (т.е. вегетативной реактивности на определенные виды деятельности) является инструментом для дифференцирования гиперадренергической формы патогенеза ЭГ.

Существует множество методов определения состояния вегетативной нервной системы: психофизиологические опросники, биохимические анализы мочи и крови, исследование вариабельности сердечного ритма (ВСР) и т. д. Однако все они имеют те или иные недостатки и ограничения. В частности, значительный недостаток психофизиологических опросников — это большой субъективизм значительного количества показателей. Определение катехоламинов в моче очень сильно зависит от состояния почек, активности ферментов, разрушающих эти нейропередатчики и т. д. Исследование плазмы крови — это инвазивная процедура, во время которой может развиться очень сильная нервная реакция, что завуалирует искомые показатели.

Гораздо большую популярность завоевали методы исследования ВСР, так как эти показатели оцениваются объективно и неинвазивно, а изменения частоты сердечных сокращений напрямую зависят от изменения активности вегетативной нервной системы. Однако ценность показателей состояния вегетативной нервной системы, особенно параметров, характеризующих симпатический тонус, вычисленных с помощью современных методик исследования ВСР (вариационная пульсометрия, спектральный анализ ВСР и др.) в целом ряде случаев сомнительна и является предметом дискуссий (Хаютин В.М., Лукошкова Е.В.). Показатели ВСР также не отличаются высокой воспроизводимостью (Яблучанский Н.И., Баевский P.M.). Для физиологической корректности результата исследования вегетативной нервной системы необходимо сокращать время обследования пациента. Однако в этом случае имеет место противоречие с математической корректностью рассчитываемых показателей (Фёдоров В.Ф.), которое состоит в том, что для корректности математических формул необходимо наоборот, увеличивать время обследования. Для обеспечения математической корректности при изучении управляющих воздействий нервной системы с инфранизкими частотами в методах исследования ВСР применяют окна наблюдения с апертурой в единицы-десятки минут. За это время на человека постоянно действуют неконтролируемые случайные факторы, которые искажают результат исследования. Повысить помехозащищенность показателей состояния вегетативной нервной системы можно путем использования явления функционального резонанса (ФР), которым обладает вегетативная система управления сердечным ритмом (Ващилло Е.Г., Зингерман А. М, Константинов М.А.). Для возбуждения ФР в вегетативную систему управления сердечным ритмом необходимо вносить внешние возмущения с частотой около 0.1 Гц. Наиболее эффективно использовать при этом управляемое дыхание, так как вследствие дыхательных движений создается аддитивное изменение интраторакального давления, которое непосредственно действует на вегетативные барорецептивные поля, расположенные в грудной клетке.

Поэтому разработка методов и средств оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой, позволяющих оценивать состояние как парасимпатического (ПСНС), так и симпатического (СНС) отделов вегетативной нервной системы, что, в свою очередь, позволит дифференцировать гиперадренергическую форму патогенеза ЭГ, является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 204 «Технологии живых систем».

Целью работы является разработка методов и средств оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой, позволяющих неинвазивно, в реальном времени контролировать работу отделов вегетативной нервной системы.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Исследование зависимости сердечного ритма от дыхательных изменений интраторакального давления.

2. Разработка математической модели контура регуляции ритма сердца, обеспечивающего стабилизацию артериального давления, с учетом резонансных свойств его компонент.

3. Исследование механизмов влияния тонуса ВНС на параметры ФР.

4. Разработка способа возбуждения ФР с учетом изменчивости основной частоты резонанса.

5. Разработка медико-технической системы регистрации ЭКС с передачей информации по телекоммуникационным каналам, позволяющей осуществить способ возбуждения ФР с учетом изменчивости основной частоты резонанса;

6. Разработка алгоритмов и программ, реализующих цифровую обработку электрокардиосигнала в реальном масштабе времени для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспираторной системы;

7. Синтез решающих правил по оценке вегетативной обеспеченности и экспериментальные исследования, позволяющие подтвердить адекватность выбранного признакового пространства для оценки вегетативного обеспечения.

Методы исследований. В работе использовались методы системного анализа, теории автоматического управления, математического моделирования, математической статистики, цифровой обработки сигналов и распознавания образов.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

• математическая модель контура регуляции ритма сердца, обеспечивающего стабилизацию артериального давления, отличающаяся учетом изменений интраторакального давления из-за дыхательных движений и изменчивости во времени резонансных параметров обратной связи, позволяющая получить аналитические соотношения между регистрируемыми параметрами и состоянием регулирующих систем;

• способ биологической обратной связи, отличающийся вводом в канал регистрации частоты сердечных сокращений анализатора экстремумов и блока выдачи синхронизированных с собственной частотой резонанса команд «вдоха-выдоха», позволяющий повысить точность возбуждающей частоты дыхательных движений за счет динамического учета изменчивости частоты функционального резонанса;

• способ оценки степени напряженности симпатического отдела вегетативной нервной системы, отличающийся использованием параметров функционального резонанса (ФР) вместе с ортостатической пробой, позволяющий получать оценки на коротких апертурах наблюдения, а также определять дисфункцию адренергических систем управления;

• способ обработки сигналов при телеметрической регистрации биопотенциалов, отличающийся гибкой компенсацией дрейфа изолинии в подвижном модуле, позволяющий повысить точность телеметрической регистрации биопотенциалов с учетом ограниченности динамического диапазона измерительного тракта;

• решающие правила для принятия решений о недостаточности вегетативного обеспечения, отличающиеся совместным использованием параметров ФР и ортостатической пробы, позволяющие дифференцировать гиперадренергическую форму ЭГ.

Практическая значимость и результаты внедрения работы.

Разработанные математические модели, способы, алгоритмы и проведенные исследования позволили создать опытно-конструкторский образец телемедицинской системы регистрации ЭКС для оперативного и холтеровского контроля электрокардиосигнала, который позволяет реализовывать цифровую обработку сигнала в реальном масштабе времени на компьютере, формировать петлю биологической обратной связи, формируя тем самым функциональный резонанс, обрабатывать, накоплять, передавать по телекоммуникационным каналам, визуализировать результаты исследования.

Получено заключение Министерства здравоохранения Российской Федерации о целесообразности дальнейшей разработки и освоения технических средств, реализующих разработанные в диссертации способы, утверждены медико-технические требования (соответственно протокол № 1 от 13 мая 2003 г. и протокол № 4 от 15 июля 2003 г. комиссии по клиникодиагностическим приборам и аппаратам Комитета по новой медицинской техники).

Результаты работы внедрены в учебном процессе на кафедре «Биомедицинской инженерии» Курского государственного технического университета и на кафедре общеинженерной подготовки Курского государственного медицинского университета.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», (Москва, 1999), VI российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии-98» (Курск, 1998), на Международных научно-технических конференциях «Медико-экологические информационные технологии», (Курск, 1999;2003), на Молодежной научно-технической конференции технических вузов центральной России (Брянск, 2000), на Международной научно-технической конференции «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании» (Тверь, 2002).

Публикации. Самостоятельно и в соавторстве по материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Краткое содержание работы. В первой главе анализируется роль вегетативной нервной системы в поддержании гомеостаза на примере патогенеза эссенциальной гипертензии, исследуются современные способы оценки состояния вегетативной нервной системы. Проведен анализ ограничений и противоречий этих способов, на основании которого показана целесообразность исследования управляющих систем организма резонансными воздействиями.

Во второй главе рассматриваются вопросы построения математической модели контура регуляции ритма сердца (Ш1 интервалов), обеспечивающего стабилизацию артериального давления с учетом резонансных свойств его компонент.

В третьей главе рассматриваются вопросы аппаратной и алгоритмической поддержки для оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований способов и средств оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой.

4.6 Выводы четвертой главы.

В результате проведенных исследований было установлено, что у людей с большой вегетативной обеспеченностью деятельности лежа средняя амплитуда функционального резонанса ССС находится в пределах от 0.16 до 0.36 сек, а ДМГАК составляет от 0.1 до 0.31 секстоя амплитуда функционального резонанса ССС находится в пределах от 0.07 до 0.31 сек, а ДМГАК составляет от 0.01 до 0.16 сек. У исследуемых пациентов в основном также наблюдается уменьшение адаптационных резервов в ортостазе.

Под действием равномерной нагрузки на велоэргометре происходит практически равномерное уменьшение показателей вегетативного обеспечения, так как происходит увеличение напряженности симпатического отдела вегетативной нервной системы и антагонистическое угнетение парасимпатического отдела.

В результате проведенного кластерного анализа было определено, что центром кластера (прототипом) неудовлетворительного вегетативного обеспечения в координатах амплитуда резонанса — ДМГАК является вектор (0.07, 0.1), центром кластера (прототипом) удовлетворительного вегетативного обеспечения является вектор (0.16, 0.14), центром кластера (прототипом) отличного вегетативного обеспечения является вектор (0.29, 0.23).

Сформулированы решающие правила для определения недостаточности вегетативного обеспечения, исследования которых позволяют сделать вывод об удовлетворительном качестве предложенного решающего правила при дифференцировании гиперсимпатической формы эссенциальной гипертензии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Предлагаемая работа посвящена решению научных и практических задач, связанных с разработкой методов и средств оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой.

В результате выполнения работы получены следующие основные результаты:

1 Исследованы зависимости сердечного ритма от дыхательных изменений интраторакального давления, отражающие резонансные свойства барорефлективной обратной связи, которые показали, что для оценки вегетативного обеспечения целесообразно использовать ФР кардиореспираторной системы.

2 Разработана математическая модель контура регуляции ритма сердца, стабилизирующего артериальное давление с учетом резонансных свойств его компонент, позволяющая получить аналитические соотношения между регистрируемыми параметрами и состоянием регулирующих систем.

3 На основе проведенных исследований механизмов влияния тонуса ВНС на параметры ФР разработаны оценки симпатической и парасимпатической обеспеченности деятельности человека.

4 Разработан способ возбуждения функционального резонанса кардиореспираторной системы, позволяющий повысить точность возбуждающей частоты дыхательных движений за счет динамического учета изменчивости основной частоты функционального резонанса.

5 Разработаны алгоритмы программные модули, реализующие обработку ЭКС в реальном масштабе времени, обеспечивающие формирование петли биологической обратной связи в диагностической системе для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспираторной системы.

6 Разработана медицинская система регистрации ЭКС с передачей информации по телекоммуникационным каналам, отличающаяся гибкой маркируемой компенсацией дрейфа изолинии и позволяющая реализовать разработанный способ возбуждения ФР.

7 Проведены активные эксперименты с группой спортсменов и с группой гипертоников позволяющие сделать заключение об эффективности предложенных показателей оценки вегетативного обеспечения. Сформулированы решающие правила для принятия решений о недостаточности вегетативного обеспечения, позволяющие выделить три класса вегетативной обеспеченности и дифференцировать гиперсимпатическую форму патогенеза ЭГ.