Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Изучение показателей системной гемодинамики в норме и при патологии (обзор литературы) .14
1.1. Значение мониторинга сердечного выброса и системного артериального давления для клиники 15
1.2. Изменения гемодинамики при нагрузке объемом и введении вазоактивных препаратов 21
1.3. Изменения системной гемодинамики при кровопотере и их компенсация 27
Глава 2. Материалы и методы исследования .38
2.1. Методы оценки сердечного выброса и артериального давления в остром эксперименте 38
2.2. Методы неинвазивной оценки параметров гемодинамики .50
2.3. Общая количественная характеристика проведенного исследования 56
2.4. Математическая обработка полученных результатов .57
2.4.1. Расчет и применение передаточных функций 57
2.4.2. Расчет скорости распространения пульсовой волны .65
2.4.3. Краткое описание методики расчета передаточных функций 67
2.4.4. Статистический анализ полученных результатов 69
Глава 3. Результаты исследования .72
3.1. Оценка параметров системной гемодинамики по данным исследования периферических сосудов в относительно стабильных условиях 72
3.1.1. Оценка параметров системной гемодинамики в остром эксперименте 72
3.1.2. Неинвазивная оценка ударного объема левого желудочка и системного артериального давления 80
3.2. Оценка параметров системной гемодинамики в условиях переходных процессов кровообращения 89
3.2.1. Изменения гемодинамики при введении вазоактивных препаратов 89
3.2.2. Изменения гемодинамики при инфузии раствора полиглюкина и моделировании острой кровопотери 99
3.2.3. Применение передаточных функций для оценки системного артериального давления в условиях переходных процессов гемодинамики. 104
3.2.4. Изменения механических свойств сосудистого русла при переходных процессах гемодинамики, оцениваемых по скорости распространения пульсовой волны 115
Глава 4. Возможности и ограничения неинвазивных методов оценки показателей системной гемодинамики по данным исследования периферических сосудов (обсуждение результатов) 119
4.1. Оценка показателей системной гемодинамики в условии относительно стабильного состояния системы кровообращения .119
4.2. Оценка значений системного артериального давления и формы пульсовой волны в условиях переходных процессов в системе кровообращения 123
Заключение .136
Выводы 141
Практические рекомендации 142
Список литературы .143
Приложения 173
- Изменения гемодинамики при нагрузке объемом и введении вазоактивных препаратов
- Общая количественная характеристика проведенного исследования
- Оценка параметров системной гемодинамики в остром эксперименте
- Оценка значений системного артериального давления и формы пульсовой волны в условиях переходных процессов в системе кровообращения
Введение к работе
Актуальность исследования
Общей проблемой применения методов оценки параметров кровообращения в клинике является трудность сочетания минимальной инвазивности, простоты в использовании и необходимой точности. В первую очередь это касается методов исследования ключевых показателей системной гемодинамики: сердечного выброса (СВ) и системного артериального давления (АД). Своевременное получение информации о динамике СВ особенно важно в условиях реанимации (Кузьков В.В., Киров М.Ю., 2008; Субботин В.В. и др., 2007; Pinsky M.R., 2003; 2003;), так как зачастую это определяет тактику, продолжительность и эффективность лечения (Eingensberg P.K., Jaffe A.S., Schuster D.P., 1984). Способы контроля системного АД в клинической практике находят еще более широкое применение. Показано, что изменение давления и формы пульсовой кривой в магистральных сосудах является значимым фактором при оценке динамики и прогнозирования исхода некоторых заболеваний сосудистой системы и почек (London G.M. et al., 2001; Safar M.E. et al., 2002; Roman M.J. et al., 2007). Необходимо отметить также, что волна давления в аорте и сонной артерии существенно изменяется при назначении разных групп антигипертензив-ных препаратов (Cameron J.D., McGrath B.P., Dart A.M., 1998; Kjeldsen S.E. et al., 2002; Wing L.M. et al., 2003; Cockburn J.A. et al., 2009; Tahvanainen А. et al., 2009), возрастных изменениях параметров системной гемодинамики (Sander M. et al., 2006; Cooper E.S., Muir W.W., 2007), различных патологиях (O'Rourke M.F., Pauca A., Jiang X.J., 2001; Jelic S. et al., 2002; Wilkinson I.B. et al., 2002; Payne R.A. et al., 2007; Drager L.F. et al., 2007; Sharman J.E. et al., 2007; Noda A. et al., 2008), в условиях искусственного кровообращения (Buhre W. et al., 1999; Gdje O. et al., 2002), где значения АД задаются конструкцией перфузионного устройства.
Однако разработка и применение способов оценки обсуждаемых показателей системной гемодинамики всегда сопряжены с методическими трудностями. Наименьшей погрешностью обладают прямые методы исследования (Jansen J.R. et al., 1981; Jhanji S., Dawson J., Pearse R.M., 2008), использование которых предполагает введение катетера в сосудистое русло пациента и поэтому осуществляется только в условиях отделений специализированных кардиохирур-гических стационаров. Но и в этом случае велик риск развития осложнений
(Gmez C.M., Palazzo M.G., 1998; Sandham J.D. et al., 2003; Harvey S. et al., 2005; Hadian М, Pinsky M.R, 2006; Bussiers J.S. et al., 2007). Кроме того, измерительная погрешность данных методов возрастает в условиях быстрого изменения гемодинамики (Siegel L.C., Hennessy M.M., Pearl R.G., 1996; Aranda M. et al., 1998; Cooper E.S., Muir W.W., 2007; Gruenewald M. et al., 2008). Традиционным неинвазивным средством измерения ударного объема (УО) левого желудочка является расчет по данным ультразвуковой допплеровской эхокардиографии (Hoskins P.R., 1990; Hudson I.et al., 1990), который пригоден для скринингового контроля данного показателя, но только при наличии специальной дорогостоящей аппаратуры и подготовленного персонала.
Поэтому проблема поиска и апробации альтернативных методов оценки системной гемодинамики остается актуальной. В последнее время особым вниманием пользуются способы, основанные на анализе пульсовой кривой в периферических сосудах с последующей реконструкцией формы волны и значений давления и потока крови в магистральных сосудах (Кузьков В.В., Киров М.Ю., 2008; O’Rourke, Seward, 2006; Jhanji S., Dawson J., Pearse R.M., 2008; Nelson M.R. et al., 2010). Данная задача была сформулирована давно (Карпман В.Л., Иоффе В.В., 1966; Александров А.Л., Кирюхин А.Б., Тищенко М.И., 1973; Фол-ков, Нил, 1976; Карпман В.Л, Парин В.В., 1980; Свещинский М.Л. и др., 1987; Frank O., 1899; Erlanger J., Hooker D., 1904; Kouchoukos N.T., Sheppard L.C., McDonald D.A., 1970), но развитие получила только в последнее десятилетие вследствие совершенствования программного обеспечения средств математической обработки.
Сопряженность взаимосвязанных, параллельно протекающих процессов гемодинамики в магистральных и периферических сосудах – пульсовых колебаний потока крови и АД – открывает возможность для вычисления передаточной функции (ПФ) – дифференциального оператора, связывающего эти показатели (Chen-Huan C. et al., 1997; Karamananoglu M. et al., 1993; 1997; Lehmann E.D., 1998; Stergiopulos N., Westerhof B.E., Westerhof N., 1998; Pauca A.L. et al., 2001; Adji A., O'Rourke M.F., 2004; O'Rourke M.F., Seward J.D., 2006; Jhanji S., Dawson J., Pearse R.M., 2008; Cameron J.D., McGrath B.P., Dart A.M., 2009). Многочисленные исследования в данном направлении указывают, что использование ПФ является пригодным для осуществления вышеуказанных задач только в относительно стабильных условиях гемодинамики или физической нагрузки (Antonutto G. et al., 1995; Zllner C. et al., 2000; Bein B. et al., 2004;
Bogert L.W., van Lieshout J.J., 2005; Della Rocca G. et al., 2007; McGee W.T. et al., 2007; Waal E.E. et al., 2007; Critchley L.A., 2009). Серьезные сдвиги в системе кровообращения, вызванные кровопотерей, введением сосудосуживающих веществ, нагрузкой объемом, операционным вмешательством или различной патологией приводят к значительному увеличению технической и вычислительной погрешности обсуждаемых методик (Waal E.E., 2008; Gruenewald M. et al., 2008; Cooper E.S., Muir W.W., 2007; Sander M. et al., 2005; Rauch H. et al., 2005; Rdig G., 1999, Waal E.E. et al., 2007, Lorsomradee S. et al., 2007)
Сравнение методов оценки параметров системной гемодинамики, полученных с помощью анализа пульсовой кривой в периферических сосудах и методом прямой (инвазивной) регистрации дает в целом хорошую сопоставимость у взрослых (Wasserman K., Mayerson H.S., 1952; Buhre W. et al., 1999; Gdje O. et al.,1999; Della Rocca G. et al., 2002; Felbinger T.W. et al., 2002; Wouters P.F. et al., 2005; Harvey S. et al., 2005; Ostergaard M., 2006; Shoemaker W.C. et al., 2006; Sphr F. et al., 2007; Waal et al., 2007; Critchley L.A., 2009; Senn A. et al., 2009) и у детей (Zllner C. et al., 2000; Peters M.J., Booth R.A., Petros A.J., 2004; Fakler U. et al., 2007), однако, взаимозаменяемость этих способов для контроля показателей системной гемодинамики в клинике категорически невозможна (Субботин В.В. и др., 2007; Jansen J.R. et al., 2001; Stover J.F. et al., 2009).
Степень разработанности темы диссертации
Попытки апробации и внедрения в клинику способов расчета показателей системной гемодинамики на основании анализа пульсовой волны предпринимались начиная с середины XX в. (Карпман В.Л., Иоффе В.В., 1966; Александров А.Л., Кирюхин А.Б., Тищенко М.И., 1973; Свещинский М.Л. и др., 1987; O'Rourke M.F., Avolio A.P., 1980). Описанные в данных работах методы, хотя и не имели высокой измерительной погрешности, но, в то же время, их использование было невозможно для оценки СВ и системного АД в динамическом режиме по причине отсутствия в то время пригодного для этих целей программного и аппаратного обеспечения.
В настоящее время в условиях клинических отделений различного профиля применяются неинвазивные (Chen-Huan С. et al., 1997; Cameron J.D. et al., 1998; Wang J.J., et al., 2004; Roman M.J. et al., 2007; McEniery C.M. et al., 2008; Compton F. et al., 2008) и малоинвазивные, то есть требующие катетеризации только периферических артерий (Wesseling K.H. et al., 1993; Scolletta S. et al.,
2005; Cecconi M., McKinney E., Rhodes A., 2006; Lorsomradee S. et al., 2007; Sak-ka S.G. et al., 2007; Mayer J. et al., 2008) методы, которые способны вести оценку показателей системной гемодинамики по данным исследования периферических сосудов в динамическом режиме. Общей проблемой их применения является зависимость вычислительной погрешности от стабильности гемодинами-ческих параметров (Antonutto G. et al., 1995; Zllner C.et al., 2000; Bein B. et al., 2004; Bogert L.W., van Lieshout J.J, 2005; Della Rocca G. et al., 2007; McGee W.T. et al., 2007; Waal E.E. et al., 2007; Critchley L.A., 2009). В то же время установлено, что показатели системной гемодинамики, оцениваемые обсуждаемым методом после быстрого введения сосудосуживающих препаратов, нагрузке объемом и массивной кровопотере, а также в условиях искусственного кровообращения могут существенно отличаться от полученных при прямой регистрации в тех же условиях (Waal E.E., 2008; Gruenewald M. et al., 2008; Cooper E.S., Muir W.W., 2007; Sander M. et al., 2005; Rauch H. et al., 2005; Rdig G., 1999, Waal E.E. et al., 2007, Lorsomradee S. et al., 2007).
При правильной постановке задачи указанных ограничений удается избежать. Различными авторами показана возможность применения данных методов для регистрации показателей системной гемодинамики при оценке эффективности антигипертензивных препаратов (Buhre W. et al., 1999; Kjeldsen S.E. et al., 2002; Wing L.M. et al., 2003; Nelson M.R. et al., 2010), возрастных изменений гемодинамики (Takazawa K. et al., 1998), при патологии (Schram M.T. et al., 2004; Wilkinson I.B. et al., 2002) и в условиях искусственного кровообращения (Buhre W. et al., 1999; Gdje O. et al., 1999).
Исходя из сказанного, следует, что в литературе не имеется однозначного мнения о возможности применения методов оценки показателей системной гемодинамики по данным исследования периферических сосудов как при стабильной гемодинамике, так и в условиях переходных процессов кровообращения и при патологии. Все это и определило постановку цели и задач настоящего исследования.
Цель исследования
Изучение возможности неинвазивной непрерывной регистрации СВ и АД в магистральных артериях по данным исследования периферических сосудов у здоровых испытуемых и в острых опытах на крысах как в относительно стабильных условиях, так и при переходных состояниях системы кровообращения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Изучить возможность оценки АД и СВ по данным исследования периферических сосудов в острых опытах на крысах и при обследовании контингента здоровых добровольцев.
-
Установить возможность использования неинвазивного метода ар-териоритмографии по способу Пеназа для получения значений УО левого желудочка и оценки СВ.
-
Апробировать методы регистрации абсолютных значений и формы пульсовой кривой давления в сонной артерии на основании данных исследования периферических сосудов в эксперименте при введении вазоактивных препаратов, после нагрузки объемом и моделирования острой кровопотери.
-
Оценить изменение механических свойств сосудистого русла при введении вазоактивных препаратов, увеличении объема циркулирующей крови и моделировании острой кровопотери.
Научная новизна исследования
-
Обоснована реконструкция величины и формы пульсовых волн АД, а также объемной скорости потока крови в аорте с применением неинвазивного метода Пеназа.
-
Впервые получены результаты, описывающие возрастные изменения механических свойств сосудистого русла человека с применением артерио-ритмографии по методу Пеназа. Впервые осуществлена реконструкция значений и формы пульсовой волны (ФПВ) АД в острых опытах на крысах в условиях стабильной гемодинамики.
-
Впервые осуществлена реконструкция значений и ФПВ АД в острых опытах на крысах в условиях переходных процессов в системе кровообращения после введения вазоактивных препаратов, нагрузки объемом, а также при моделировании патологического процесса – острой кровопотери.
-
Впервые осуществлена оценка жесткости сосудистого русла в условиях переходных процессов гемодинамики и при кровопотере в острых опытах на животных.
-
Впервые на основании анализа экспериментального материала (крысы) предложена классификация вариантов пульсовой кривой экспериментальных животных.
Теоретическая и практическая значимость исследования
Полученные результаты, касающиеся применимости обобщенных ПФ (ОПФ) и усреднённых ПФ (УПФ) и обобщенного сосудистого импеданса (ОСИ) для количественной оценки основных параметров системной гемодинамики могут быть использованы при создании программного обеспечения, позволяющего осуществить контроль данных параметров в динамическом режиме. Получены данные о возможности использования данной методики и математического аппарата при моделировании наиболее часто встречающихся переходных процессов гемодинамики в клинике – введении вазоактивных препаратов, нагрузке объемом и кровопотере. Установлена роль изменения механических свойств сосудистого русла в данных условиях и влияние этих изменений на системную гемодинамику.
Получены результаты, указывающие на перспективность использования артериоритмографии по методу Пеназа для получения значений пульсовой кривой периферических сосудов с целью последующего анализа и расчета ПФ. После апробации при скрининговых исследованиях в динамическом режиме в больших популяционных группах возможно широкое применение обсуждаемых методик в практическом здравоохранении, например, в условиях реанимации, в условиях служб ургентной терапии догоспитального этапа. Методика также пригодна для применения в условиях кабинетов функциональной диагностики при медицинских стационарах или поликлинических отделениях. В тех случаях, когда применение артериоритмографии периферических сосудов в сочетании с ПФ эффективно, то данные методики могут быть использованы в отделениях реанимации и интенсивной терапии, отделениях скорой и неотложной медицинской помощи, а также в отделениях функциональной диагностики.
Методология и методы исследования
Диссертационное исследование состояло из подготовительной, экспериментальной и клинико-экспериментальной частей. В ходе подготовительного этапа проведен анализ источников отечественной и зарубежной литературы. В острых опытах на крысах апробировалась возможность оценки системного АД и СВ по данным исследования периферических сосудов в условиях стабильной гемодинамики, при инфузии дополнительного объема жидкости в сосудистое русло и моделировании кровопотери. Задача, поставленная в клинико-экспериментальной части исследования заключалась в апробации возможности
неинвазивной оценки системного АД и УО левого желудочка по данным исследования периферических сосудов.
Внедрение результатов исследования
Результаты исследования внедрены в учебный процесс на кафедре нормальной физиологии ГБОУ ВПО СПбГПМУ Минздрава РФ, использованы при проведении экспериментов в лаборатории кровообращения Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, в отделении молекулярной и радиационной биофизики ФГБУ Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН, в лечебный и научный процесс клиники ГБОУ ВПО СПбГПМУ Минздрава.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Неинвазивный метод артериоритмографии по способу Пеназа является адекватным для оценки УО левого желудочка путем экстраполяции с использованием ПФ. Погрешность оценки величины СВ, АД и ФПВ в магистральных артериях с применением ПФ на основании метода Пеназа, не превышает погрешности расчета этих показателей на основании данных ультразвуковой эхокардиографии.
-
Погрешность оценки величины СВ, АД и ФПВ в магистральных артериях минимальна в условиях относительно стабильной гемодинамики и введении вазоактивных препаратов при стабильных механических свойствах сосудистого русла.
-
При моделировании переходных процессов в системе кровообращения, вызванных увеличением или уменьшение жесткости сосудов – нагрузке объемом и кровопотере, погрешность применения ПФ резко возрастает.
4. Использование ОПФ для оценки параметров системной гемодинамики
при моделировании переходных процессов, способствующих изменению меха
нических свойств сосудов, является ненадежным. Для этих целей целесообраз
но применение усреднённых (индивидуализированных) передаточных функций
(УПФ).
Личный вклад автора в проведенном исследовании реализовался на всех этапах работы и заключался в теоретическом изучении поставленной проблемы, определении цели и задач исследования, формировании гипотез и ди-
зайна исследования, выполнении острых экспериментов, отборе и обследовании испытуемых. Автор самостоятельно производил разработку и ведение первичной учетной документации, выполнил весь объем экспериментальных и клинико-экспериментальных исследований. Основной объем работы по обобщению и интерпретации результатов исследования, формулированию выводов и практических рекомендаций выполнен лично диссертантом.
Доля автора в разработке идеи и концепции исследования составила 90%, в сборе материала – 90%, в обработке и анализе результатов исследования – 100%.
Апробация материалов диссертации
Материалы диссертации отражены в 14 работах, опубликованных в открытой печати, из них 4 – в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Результаты исследования доложены на Всероссийской конференции с международным участием «Механизмы регуляции физиологических систем организма в процессе адаптации к условиям среды», посвященной 85-летию со дня основания Института физиологии им. И.П. Павлова РАН (Санкт-Петербург – Колтуши, 2010); Всероссийской конференции молодых ученых «Механизмы адаптации физиологических систем организма к факторам среды, посвященной 85-летию со дня основания Института физиологии им. И.П. Павлова РАН (Санкт-Петербург – Колтуши, 2010); на XXI съезде Физиологического общества им. И.П.Павлова, (г. Калуга, 2010); рабочем совещании «Биомеханика-2011» (Санкт-Петербург, 2011); IV Международном молодежном медицинском конгрессе «Санкт-Петербургские научные чтения», (Санкт-Петербург, 2011 год); XV Юбилейной Всероссийской медико-биологической конференции молодых исследователей (с международным участием) «Фундаментальная наука и клиническая медицина – Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 2012); на III Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 220-летию со дня рождения академика К.М. Бэра, «Механизмы функционирования висцеральных систем», (Санкт-Петербург, 2012); и рабочем совещании «Биомеханика-2013», (Санкт-Петербург, 2013); XXII Съезде Физиологического общества им. И.П. Павлова, (Волгоград, 2013).
Объем и структура работы
Диссертация изложена на 185 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 4 глав (обзора литературы, материалов и методов исследования, результатов исследования, обсуждения полученных результатов, заключения, выводов; содержит 28 рисунков и 11 таблиц. Приложения содержат 9 таблиц. Список литературы включает 302 источника, из них 79 отечественных и 223 иностранных авторов.
Изменения гемодинамики при нагрузке объемом и введении вазоактивных препаратов
Для создания модели гипертензии, вызванной повышением внутрисосуди-стого объема жидкости в эксперименте традиционно используют препарат на основе декстрана – полиглюкин [18, 38, 45, 49, 284]. При нормоволемическом вливании полиглюкина в сосудистое русло происходит увеличение объема внутри-сосудистой жидкости и, как следствие, гемодилюции, сопровождающейся относительным снижением числа эритроцитов и уменьшением гематокритного показателя [18, 67]. Однако объем циркулирующей крови (ОЦК) при этом возрастает только на 25% от объема влитого полиглюкина (при восстановлении кровопоте-ри на 80%) [284], так как увеличение внутрисосудистого объема очень быстро приводит к перераспределению плазмы крови между сосудистым и внесосудси-тым пространством, а также увеличению диуреза [18, 284].
Увеличение ОЦК за счет дополнительного объема внутрисосудистой жидкости сопровождается быстрым возрастанием СВ в среднем в 1,5–2 раза (20–40% от исходных значений) [18, 38, 45, 46, 49,]. Это происходит как вследствие включения механизмов Франка – Старлинга, так и снижения вязкости крови [145-150, 249]. При этом регионарный кровоток возрастает неодинаково в различных областях [234]. Показано значительное увеличение объемной скорости потока крови в сосудах печени, желудочно-кишечного тракта, легочных артериях [18], коронарных сосудах [18, 227, 228], позвоночных артериях [234]. При восстановлении массивной кровопотери с применением полиглюкина в ряде случаев происходит уменьшение сократительной способности миокарда вследствие его гипоксии или повышенной нагрузки объемом, что приводит к снижению СВ [18, 79]. Показано, что полиглюкин не является вазоактивным препаратом [18, 79].
Артериальное давление при инфузии полиглюкина возрастает в среднем в 1,5 раза (примерно от 25 до 40% от исходного) [45, 46, 49]. Это происходит гораздо с меньшей скоростью, чем увеличение СВ вследствие включения быстродействующих механизмов регуляции гемодинамики [4, 118]. При участии меха-норецепторов каротидного синуса и дуги аорты запускается депрессорный рефлекс, который приводит к уменьшению частоты сердечных сокращений (ЧСС) за счет увеличения тонуса нервных центров блуждающего нерва и снижению общего периферического сопротивления сосудов (ОПС) за счет расслабления гладких мышц, входящих в состав сосудистой стенки артериол [4, 31, 118, 160, 158, 162]. Имеет место очень значительное изменение ЧСС в ходе данной рефлекторной реакции: при повышении АД до 180–200 мм рт. ст. ЧСС уменьшается примерно на 50% по сравнению с исходным уровнем АД, при этом СВ изменяется незначительно – приблизительно на 11% по сравнению с исходными значениями. [30]. Сосудистый тонус изменяется значительно во всех органах – повышению АД в каротидных синусах всего на 20 мм рт. ст соответствует увеличение ОПС примерно на 40% [177], наибольшие изменения проявляются в сосудах скелетных мышц задних конечностей [71].
Данный рефлекс запускается очень быстро: при внезапном изменении АД в каротидном синусе и дуге аорты примерно через 1–2 с происходит снижение АД на 50% от исходной величины за 30–40 с [160]. Диапазон чувствительности ба-рорецепторов дуги аорты и каротидного синуса составляет от 100 до 180 мм рт. ст [160], при этом максимальная чувствительность барорефлектороной системы соответствует 160 мм рт. ст. [134]. Обсуждаемый механизм регуляции гемодинамики имеет очень жесткие физиологические рамки: если уровень АД в дуге аорты и каротидном синусе поддерживается выше 100 мм рт. ст. и ниже 180 мм рт. ст. в течение определенного времени (больше 3–10 мин), или он возрастает выше 180 мм рт. ст., то в этом случае барорецепторы дуги аорты и каротидного синуса имеют свойство адаптироваться [158, 160, 162]. После отключения барорецепто-ров увеличение СВ и возрастание объемной скорости кровотока в тканях приводит к запуску механизмов ауторегуляции органного кровотока по принципу феномена Остроумова – Бейлисса за счет системной вазоконстрикции. Как следствие ОПС при этом также возрастает, однако его прирост в данных условиях не превышает 30–35% от исходных значений. [45, 48, 159]. В некоторых случаях увеличения ОПС не происходит или оно вообще снижается [47]. Поэтому системную вазоконстрикцию, происходящую в данных условиях, нужно рассматривать как механизм, препятствующий изменению характера и скорости кровотока на местном уровне в тканях. Существенного изменения системной гемодинамики в данных условиях не происходит.
Вазоконстрикция при инфузии дополнительного объема жидкости в сосудистое русло возникает не во всех случаях. Многочисленные исследования указывают на вазодилатацию при гемодилюции вследствие гипоксии гладких мышц сосудов [18, 19, 66]. Однако для того, чтобы после инфузии дополнительного объема жидкости произошло расширение сосудов, необходимо, чтобы разведение крови было значительным. Показано, что вазодилатация возникает при введении полиглюкина не менее 20–30% ОЦК [19], и снижении гематокритного показателя до 10–20% вследствие значительного разведения крови [66]. Известно также, что значительная гемодилюция наступает только при замещении ОЦК плазмозамещающим раствором на фоне его дефицита после кровопотери [18, 19, 66]. При нормоволемическом вливании дополнительного объема жидкости значительного разведения крови не бывает [184].
Спустя 20–30 мин после инфузии дополнительного объема крови происходит нормализация ОЦК и, как следствие, СВ из-за включения механизмов средней продолжительности действия и долговременной регуляции системной гемодинамики: ренин-ангиотензиновой системы, усиления транссудации жидкости через капилляры и почечных механизмов регуляции объема и давления, которые запускаются в среднем через 20 мин после изменения объема крови и АД, максимума своего влияния достигают от 1–3 ч до 4 суток и действуют бесконечно долго [158, 160–163, 165, 166]. Под воздействием повышенного давления крови в почечных сосудах происходит снижение возбудимости почечных барорецепто-ров юкстагломерулярного аппарата, что приводит к уменьшению выделения ренина в кровь. Понижение концентрации ренина в плазме является причиной ин-гибирования всего ангиотензин-ренинового каскада. Это приводит к уменьшению ОПС практически во всех сосудистых областях. Кроме того, снижение концентрации альдостерона способствует уменьшению реабсорбции ионов натрия и воды в дистальных канальцах нефронов почки, и как следствие увеличению объема мочеотделения [160–162, 165, 166].
Для создания экспериментальных моделей гипо- или гипертензии без изменений ОЦК используют препараты натрия нитропруссид [2, 5, 38, 43, 48], папаверина гидрохлорид [48] и адреналина гидрохлорид [39, 42, 44].
Натрия нитропруссид применяют для создания ступенчатой и дозозависи-мой гипотензии [38, 43, 48]. При введении данного препарата в кровоток происходит расслабление гладких мышц артерий, артериол и венул повсеместно, без выраженной регионарной специфичности, что, в свою очередь, приводит к уменьшению нагрузки на сердце и потребности миокарда в кислороде [26]. Кроме того, нитропруссид натрия снижает тонические симпатические влияния на ар-териолы, венулы и сердце [25].
Общая количественная характеристика проведенного исследования
Математические методы, примененные в работе позволяли производить расчет системного АД, УО левого желудочка, ФПВ системного АД и потока крови в аорте. Для осуществления поставленной задачи использовались ПФ – дифференциальные математические операторы, выражающие связь между входным в центральных сосудах, и выходным сигналом исследуемой системы [82, 108, 111, 185, 193, 221, 223, 266, 292]. Выходной сигнал – значения АД и ФПВ – регистрировался в регионарных сосудах (бедренной артерии крысы, лучевой и пальцевой артерии человека), выходной – АД, ФПВ, УО, форма волны потока крови – в общих сонных артериях и аорте. Оценка АД и ФПВ в общей сонной артерии производилась в острых экспериментах, так как она является наиболее анатомически близко к сердцу расположенным сосудом большого круга кровообращения, в который технически возможно поместить катетер, соединенный с датчиком для прямой регистрации изучаемых параметров.
В многочисленных исследованиях показано, что ПФ являются надежным математическим аппаратом для осуществления поставленных задач. Их применение открывает возможность оценки с допустимой погрешностью значения АД и ФПВ в системных сосудах [111, 185, 193, 223, 266], а также УО левого желудочка и форму волны аортального потока [119, 252, 282] на основании данных периферических сосудов в клинических условиях.
Проводя регистрацию АД и ФПВ в бедренной артерии, проводили расчет Фурье-спектра зарегистрированных кривых, а затем, применяя ПФ (обобщенную и индивидуализированную) и обратное преобразование Фурье, рассчитывали системное АД, ФПВ в системных сосудах, УО левого желудочка и форму волны аортального потока. Расчет указанных показателей проводили в условиях относительно стабильной гемодинамики (фоновом режиме до различных воздействий) и при переходных процессах гемодинамики (прилож.1). Формы пульсовых волн были проанализированы в каждой серии экспериментов и классифицированы на А и С-типы [130, 210, 292]. Результаты измеренных различными способами и рассчитанных параметров сравнивались между собой при статистической обработке результатов во всех опытах с использованием методов, описанных ниже. После окончания острого эксперимента получали цифровые записи мгновенных значений АД и в некоторых опытах объемной скорости потока крови. Продолжительность этих записей составляла от 3 до 10 мин. Перед началом обработки производилась разбивка анализируемого массива на отдельные отрезки. Они включали в себя мгновенные значения АД в сонных и бедренных артериях и соответствовали фоновому состоянию до воздействий (стабильной гемодинамики), соответствовали введению растворов адреналина гидрохлорида, нитропруссида натрия, полиглюкина или кровопотери, состоянию после данного введения или перед следующим. Каждый из данных отрезков составлял в среднем от 2 до 5 мин. Необходимо отметить, что отрезки записи мгновенных значений АД, соответствующие введению препаратов или кровопотери не использовались для реконструкции системного АД. Анализу подвергались интервалы записей до и после указанных событий, которые составляли в среднем от 2 до 5 мин при всех условиях и во всех опытах. Эти интервалы выбирались как следующие за стабилизацией колебаний АД относительно среднего его значения, которые были вызваны введением препаратов или кровопотерей.
В каждом анализируемом интервале записи АД и (или) потока крови в сонной артерии (аорте) и бедренной артерии эти значения усреднялись нормированием каждого цикла «начало систолы – начало следующей систолы» на среднюю ЧСС. В среднем они включали от 200 до 800 циклов сокращения сердца. Данный прием позволил исключить влияние вариабельности ЧСС на последующие расчеты, а также избежать эффекта «размытия» фронтов и экстремумов усредненной кривой. Волна усредненного потока крови и АД рассчитывалась как среднее арифметическое всех мгновенных значений АД и потока крови в анализируемом интервале записи. Для каждой из полученных усредненных кривых потока и АД был рассчитан их Фурье-спектр, используя быстрое преобразование Фурье. Спектр Фурье представлял собой комплексный ряд коэффициентов для разложения исходной кривой в сумму косинусов и синусов. Для осуществления последующего расчета ПФ из каждого спектра вычислялась амплитуда и сдвиг фаз каждой гармоники (формула 2–7). Всего анализировалось 10 гармоник в каждом исследовании, что, как показано [296], является достаточным для реконструкции системного АД по данным исследования периферических сосудов. В качестве значимых для реконструкции частот брался диапазон от 0 до 60 Гц. Анализ спектра кривых АД, реконструированных с использованием обратного преобразования Фурье на основании применения ПФ, показывает, что все гармоники с частотой больше 60 Гц не несут значимой для реконструкции формы волны АД информации. Снижение вычислительной погрешности, которое дает до бавление гармоник с частотой больше 60 Гц не компенсирует измерительные погрешности регистрации кривой АД.
Оценка параметров системной гемодинамики в остром эксперименте
АД – пример синхронной записи АД в сонной и бедренной артерии у крысы в состоянии стабильной гемодинамики (фоновой записи АД до различных воздействий). Значения АД в сонной и бедренной артерии, измеренные напрямую приведены в таблице 2; значения аортального потока крови, полученные при прямом измерении приведены в таблице 3. На основании полученных данных была построена ОПФ, амплитуда и разность фаз которой показаны на рис. 6. Данная ОПФ позволяет производить расчет величины системного АД в сонной артерии, используя значения АД и ФПВ в бедренных артериях. Эта ОПФ явилась результатом усреднения ПФ, полученных при анализе фоновой записи АД в сонной и бедренной артерии в общей сложности, у 60 крыс (21 опыт был поставлено в условии относительно стабильной ге модинамики, у 49 крыс ОПФ получена при анализе фоновой регистрации АД перед каким-либо воздействием). Усредненная ЧСС у крыс в данной выборке составляла 324±39 (ударов в минуту, что соответствует средней длительности цикла «начало систолы - начало следующей систолы») 173,2±19,2 мс. Обобщенные передаточные функции, связывающие АД в периферических сосудах и артериальное давление в сонной артерии. А: по оси абсцисс: частота (Гц), по оси ординат: отношение амплитуд, B: по оси абсцисс: частота (Гц), по оси ординат: разность фаз, рад. Применение ОПФ позволило реконструировать ФПВ системного АД и рассчитать его абсолютные значения в относительно стабильных условиях гемодинамики. Сравнение величин АД в сонных артериях, измеренных напрямую и рассчитанных с применением ОПФ у представленных 38 крыс не имеют статистически значимых отличий друг от друга (рис. 7, табл. 2).
Сравнение величин АД, измеренных напрямую и реконструированных с применением ОПФ у крыс в состоянии стабильной гемодинамики. По оси ординат: АД, мм рт. ст.; по оси абсцисс: сравнение значений систолического АД, измеренных напрямую (A) и рассчитанных с применением ОПФ (B), p=0,75; сравнение значений диастолического АД, измеренных напрямую (С) и рассчитанных с применением ОПФ (D), p=0,51. Полученные значения p свидетельствуют об отсутствии статистически значимых отличий значений АД, измеренных разными методами. Полученные путем прямых измерений кривые АД в сонных артериях в относительно стабильных условиях гемодинамики и аналогичные кривые, реконструированные с применением ОПФ, имели значительную степень совпадения по форме – продолжительность и амплитуда систолических подъемов и диасто-лических спадов, соответствие максимальных значений кривых АД, соответствие точек перегибов кривых, соответствие продолжительности, амплитуд и формы вторичных подъемов кривых, полученным прямым измерением (рис. 8). Полученные кривые системного АД были классифицированы на A, B и С-типы (рис. 9) согласно общепринятой классификации для анализа пульсовых волн у людей [130, 210, 292]. У животных в данной выборке у 70% крыс определялись волны С-типа, у 30% – типа A или B. Стоит отметить, что детальные различия между A и B типом определить не представлялось возможным из-за индивидуальных морфологических особенностей пульсовых волн. Поэтому правомочно сказать, что у крыс в 30% случаев определялись пульсовые волны, не относящиеся к С-типу. Рис. 9. Примеры A (B) и С-типов пульсовых волн у животных в данной выборке. По оси абсцисс: время, мс; по оси ординат: АД, мм рт. ст. Пульсовая волна С-типа характеризуется наличием точки перегиба, определяющейся в дикро-тическую фазу. Волны А или B типа характеризуются наличием точки перегиба на анакроте или в момент систолического пика (дифференцировка в данной серии опытов затруднена). При сравнение значений СВ, измеренных напрямую и реконструированных с применением ОСИ по данным АД в бедренной артерии, получены значения p=0,92; при сравнении значений СВ, измеренных напрямую и реконструированных с применением ОСИ по данным АД в сонной артерии, получены значения p=0,78. Полученные значения p свидетельствуют об отсутствии статистически значимых отличий значений СВ, измеренных разными методами. На основании рассчитанного системного АД был вычислен ОСИ, который делал возможным переход от значений и ФПВ системного АД к величинам ударного объема. Соотношение амплитуд и разность фаз при расчете ОСИ показаны на рисунке 13. Среднее значение УО левых желудочков у испытуемых из «старшей» и «младшей» возрастных групп составляло: рассчитанными по способу Teichholz на основании измерений М-модальной эхокардиограммы – 65,8±21,9 мл и 74,8±20 мл соответственно, а полученных с помощью передаточной функции – 70,8±16,8 и 77,4±37,8 мл соответственно. Таким образом, статистический анализ показал, что величины УО левого желудочка, усредненные для каждой группы испытуемых, при применении обоих методов не имеют статистически значимых отличий друг от друга (рис. 14).
Оценка значений системного артериального давления и формы пульсовой волны в условиях переходных процессов в системе кровообращения
Самостоятельный этап работы был посвящен апробации метода количественной оценки системного АД и ФПВ в системных сосудах после введения ва-зоактивных препаратов, нагрузки объемом и кровопотери. Кратковременные изменения гемодинамики под влиянием различных переходных процессов неизбежно приводят к изменению механических свойств сосудов [74, 131]. Учитывая, что ОПФ является способом описания механических свойств сосудистого русла [221, 292], ее значения в данных условиях также меняются [292]. Поэтому в данной работе осуществлялся контроль изменений жесткости сосудистого русла после воздействия вазоактивных препаратов, нагрузки объемом и кровопотери. Для выполнения данной задачи до и после воздействия с последующим сравнением были рассчитаны ВХПВ и СРПВ. Очевидна связь между упругими свойствами сосудов и СРПВ, которая может быть рассчитана с использованием уравнения Моенса – Кортевега (формула 9) [14, 22, 153]. Согласно данной формуле, СРПВ находится в прямой зависимости от модуля упругости (модуля Юнга), который является отражением упругих свойств стенки сосудов [14, 22]. где: PWV – скорость распространения пульсовой волны; E – модуль Юнга; h – толщина стенки сосуда; – плотность крови; d – диаметр просвета сосуда. Скорость распространения пульсовой волны является относительно точным и простым методом оценки жесткости сосудистого русла in vivo [17, 211– 213, 221]. В клинической практике СРПВ используют для оценки возрастных изменений жесткости стенки сосудов [269, 285], а также с целью выяснения пато-гномоничных изменений величин данного показателя при различных заболеваниях, в условиях которых происходит изменение механических свойств сосудов [101, 120, 156, 195, 196, 212]. Необходимо отметить, что наиболее точным методом получения данных для расчета СРПВ является прямая регистрация АД [300].
Результаты оценки системного АД и ФПВ в сонных артериях по данным исследования периферических сосудов в условиях воздействия вазопрессорного препарата адреналина гидрохлорида указывает на возможность применения как ОПФ, так и УПФ (индивидуализированной ПФ) для адреналина с целью осуществления поставленных задач. В данной работе показано, что значительное увеличение АД после введения адреналина происходило только в первые 30 с, затем уровень АД снижался. Таким образом, через 2–5 мин после введения препарата (временной период, в течение которого имелась техническая возможность оценки системного АД и ФПВ в сонных артериях с применением ПФ), значения АД не превышали фоновый уровень более, чем на 10 мм рт.ст., при этом статистической значимости данных изменений не имело места. Однако данные литературы [13, 25, 26, 73, 215] а также отсутствие полной компенсации АД указывают на то, что действие адреналина на сердце и сосуды не ограничивается 30 с. Это могло бы привести к изменению механических свойств сосудов и исключить возможность применения ОПФ для расчета системного АД и ФПВ в сонных артериях. Изменений жесткости сосудов, косвенно оцениваемых через СРПВ не было выявлено, на что указывает отсутствие статистически значимого изменения этого показателя.
В данной работе была предпринята попытка оценки системного АД в условиях системной вазодилатации, вызванной введением нитропруссида натрия. Быстрая и полная компенсация АД (менее 30 с) после введения данного препарата ограничивала возможность осуществления поставленных задач в условиях системной вазодилатации. Как говорилось выше, эффект нитропруссида натрия держится в течение достаточно продолжительного времени [26, 157]. Это могло бы привести к изменению упругости сосудов мышечного типа, что, в свою очередь, сделало бы невозможным расчет АД в аорте через ОПФ [212, 221]. Механизмы, лежащие в основе компенсации системной гемодинамики в данных условиях были изучены в настоящей работе. В опытах на крысах линии Вистар была проведена синхронная регистрация АД и объемной скорости кровотока в восходящей аорте с расчетом ОПС после введения препаратов с вазодила-таторными свойствами – папаверина гидрохлорида и нитропруссида натрия. Объем введения растворов данных препаратов и их дозы соответствовали объему и дозам введения нитропруссида натрия в опытах с задачей оценки системного АД и ФПВ в сонных артериях по данным периферических сосудов. Как показано в таблице 10, объем жидкости, который вводили в сосудистую систему животного не превышал 2% от ОЦК.
В опытах с перекрестным кровообращением [40] было обнаружено статистически значимое увеличение АД, центрального венозного давления и СВ уже при введении 0,5–1% ОЦК через 10–15 с после инфузии раствора полиглюкина. Кроме того, здесь же показано, что данные эффекты наблюдаются у животных с ваготомией и (или) перевязанной сонной артерией. В опытах без выключения рефлексогенных зон дуги аорты и каротидного синуса ЧСС не изменяется при ступенчатом введении 0,5, 1 и 2,5% ОЦК; статистически значимое уменьшение ЧСС наблюдается только после введении пяти и более процентов ОЦК. Этим и объясняется отсутствие статистически значимых изменений ЧСС во всех опытах, где имела место нагрузка объемом в экспериментах, поставленных в настоящей работе. В литературе [40] указывается на ведущую роль механизма Франка – Старлинга в системной реакции гемодинамики на малые изменения ОЦК, при этом показано значение рециркуляции введенной жидкости в реализации данного механизма. Рефлекторные реакции с барорецепторов каротидного синуса и дуги аорты при изменении ОЦК на 0,5–2,5% не имело физиологического значения.
Результаты обсуждаемой серии экспериментов в настоящей работе указывают на статистически значимое увеличение СВ (примерно на 25% после введения обоих препаратов) при статистически значимом снижении систолического, диастолического и среднего АД, а так же ОПС после введения растворов папаверина гидрохлорида и нитропруссида натрия. Опираясь на данные литературы [40], а также учитывая, что в обсуждаемой серии экспериментов и в опытах с задачей реконструкции АД и ФПВ в системных сосудах, препараты вводили в одинаковом объеме растворителя, можно предположить, что быстрая компенсация АД имела место вследствие того, что механизм Франка – Старлинга в условиях снижения ОПС «побеждает» вазодилататорные свойства данных препаратов и способствует повышению АД. Высокая скорость включения описанных механизмов была выявлена в данной серии экспериментов, что также согласуется с приведенными данными литературы [40]. Необходимо также отметить, что компенсирующий снижение АД в условиях системной вазодилатации механизм Франка – Старлинга одинаково включался при введении как нитропруссида натрия, так и папаверина гидрохлорида. Как говорилось выше, данные препараты имеют разные механизмы вазодилатации [26] и, как следует из наших результатов, время, в течение которого системная реакция АД развивалась до компенсации, у них различается.
Результаты апробации возможности оценки значений АД и ФПВ в сонных артериях по данным исследования периферических сосудов после введения нит ропруссида натрия указывают на возможность оценки данных показателей с применением и ОПФ, и УПФ (индивидуализированных ПФ) для нитропруссида натрия. Известно, что вазодилататорный эффект, опосредованный введением данного препарата держится в течение достаточно продолжительного времени [157]. Это могло бы привести к изменению упругости сосудов мышечного типа, что, в свою очередь, сделало бы невозможным расчет АД и ФПВ в системных сосудах через ОПФ. В результате косвенной оценки жесткости сосудистого русла через СРПВ после введения нитропруссида натрия не выявлено статистически значимых изменений этого показателя. Следовательно, изменений механических свойств сосудов после введения данного препарата не происходило.
Известно, что значительную роль в формировании формы волны давления в магистральных сосудах играет возвращенная пульсовая волна при ее отражении от специфических точек сосудистого русла, которыми могут служить участки наибольшего сужения сосудов на периферии [22, 212]. Поэтому можно предположить, что введение сосудосуживающих и сосудорасширяющих препаратов будет менять количество точек отражения пульсовой волны, и, как следствие, отраженная пульсовая волна будет возвращаться раньше или позже, и тем самым менять конфигурацию результирующей волны давления в системных сосудах. В данной работе показано, что эффекты адреналина и нитропруссида натрия в применённых дозах существенно не изменяют количество точек отражения пульсовой волны и не смещают баланс вкладов различных периферических участков в формирование пульсовой кривой в сонных артериях.
После введения раствора полиглюкина происходило статистически значимое увеличение АД, а после моделирования острой кровопотери большего и меньшего объема происходило статистически значимое уменьшение АД. Это позволило провести апробацию оценки АД и ФПВ в сонных артериях с использованием анализа пульсовой кривой в периферических сосудах.
