Содержание к диссертации
Список сокращений 5
Введение 7
Глава 1. Обзор литературы 18
1.1 Интерпретация в биомедицинских исследованиях динамики
вольтажных показателей QRS при изменении размеров сердца 18
Традиционный электрокардиографический подход 19
Эффект Броуди 22
Влияние шунтирования внутриполостной кровью 26
Влияние электропроводности органов и тканей грудной клетки, окружающих сердце 27
Влияние внеклеточного электрического сопротивления 31
Влияние изменения ориентации волокон миокарда
при изменении размеров сердца (растяжении) 33
1.1.7 Сравнительные исследования на теплокровных и
холоднокровных животных 34
1.2 Динамика кардиоэлектрических потенциалов на поверхности тела
при проведении нагрузочных проб 36
1.2.1 Влияние частоты сердечных сокращений на вольтажные
показатели QRS 37
1.2.2 Влияние величины венозного возврата на вольтажные
показатели QRS 39
1.3 Современные модели электрической активности сердца и динамика
кардиоэлектрических потенциалов на поверхности тела 42
Анализ траектории волны возбуждения в миокарде 43
Анализ состояния кардиомиоцитов 46
Имитационное моделирование 47
Моделирование гипертрофических изменений миокарда 49
Глава 2. Материал и методы 53
Электрокардиографический материал и другие физиологические показатели, зарегистрированные во время полетов по параболе Кеплера 55
ЭКГ по Франку, базовый импеданс грудной клетки и другие показатели, зарегистрированные во время коротких постуральных проб 59
2.3 ЭКГ-12 и базовый импеданс, зарегистрированные во время
длительных постуральных проб 60
ЭКГ-12 при проведении процедуры гемодиализа 62
ЭКГ-12 при проведении первой фазы процедуры плазмафереза 63
2.6 ЭКГ-12 и другие физиологические показатели, зарегистрированные
у пациентов с различными размерами тела 64
2.7 Статистические методы 66
Глава 3. Результаты 69
3.1 Динамика вольтажных показателей QRS во время параболических
полетов 69
3.1.1 Динамика вольтажных показателей при вертикальном
положении тела 61
3.1.2 Зависимость динамики показателей QRS от наличия отрица
тельного давления вокруг нижней части тела в период микрогравитации, т.е.
от использования ОДНТ 78
3.1.3 Динамика вольтажных показателей при горизонтальном
положении тела 84
Динамика QRS при коротких постуральных пробах (кП) 84
Динамика вольтажных показателей QRS и базового импеданса при длительных ортостатических пробах (дОП) 85
Изменение комплекса QRS после процедуры гемодиализа 89
3.5 Изменение комплекса QRS после проведения первой фазы процедуры
плазмафереза 94
3.6 Зависимость вольтажных показателей QRS от размеров тела
обследованных 94
Выявление ГЛЖ по данных ЭКГ в зависимости от способа индексации ММЛЖ 98
Информативность ЭКГ-критериев 100
Сравнительный анализ зависимости ультразвуковых
показателей ГЛЖ от ИМТ у мужчин и женщин 100
Глава 4. Обсуждение 105
4.1 Динамика кардиоэлектрических потенциалов на поверхности тела
человека во время параболических полетов и постуральных проб 105
4.2 Динамика QRS при проведении процедур гемодиализа и
плазмафереза 111
4.3 Сердечная гемодинамика и перераспределение жидких сред
организма 114
4.4 Зависимость распределения кардиоэлектрических потенциалов на
поверхности тела человека от размеров тела 116
ЭКГ-критерии ГЛЖ 116
Эхо-КГ критерии ГЛЖ 118
Заключение 120
Список литературы 129
Приложение 1 155
Приложение 2 156
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ АГ - артериальная гипертензия; БИ — базовый импеданс; ГД - гемодиализ;
ГЛЖ - гипертрофия миокарда левого желудочка; ДАД - диастолическое артериальное давление; дОП - длительная ортостатическая проба; ИММЛЖ - индексированная масса миокарда левого желудочка; ИМТ - индекс массы тела; КДР — конечно-диастолический размер; кОП — короткая ортостатическая проба; КСР - конечно-систолический размер; ЛЖ - левый желудочек; ММЛЖ - масса миокарда левого желудочка; ОДНТ — отрицательное давление вокруг нижней части тела; ПА - плазмаферез; 1111 - параболические полеты; ППТ - площадь поверхности тела;
ППТидеал - площадь поверхности тела идеальной фигуры соответствующего роста;
РТ - размеры тела;
САД — систолическое артериальное давление; ТЗСЛЖ — толщина задней стенки левого желудочка; ТМЖП - толщина межжелудочковой перегородки; ЭКГ - электрокардиография;
ЭКГ-12 - традиционная система регистрации ЭКГ в 12 отведениях или электрокардиограмма, зарегистрированная в этой системе; ЭхоКГ — эхокардиография;
Svl - зубец S в отведении vl; Rz - зубец R в отведении Z;
lg - нормальный уровень гравитации; 2g - гипергравитация; Og -микрогравитация.
CrnV - корнельский вольтажный ЭКГ-критерий ГЛЖ;
Crn Р — корнельский ЭКГ-критерий произведения вольтажа и длительности
QRS;
SL — ЭКГ-критерий ГЛЖ Соколова-Лайона;
Введение к работе
Электрокардиография является одним из наиболее распространенных средств контроля за состоянием миокарда. На протяжении более чем столетней истории этого метода накоплен значительный фактологический материал, позволяющий выделить основные закономерности отклонений ЭКГ при различных заболеваниях сердца. Однако определение механизмов, обуславливающих ту или иную динамику кардиоэлектрических потенциалов, представляет пока существенные трудности. Одна из основных проблем состоит в сложности дифференциации изменений ЭКГ, вызванных различными по своей природе факторами: а) изменением собственно электрической активности кардиомиоцитов (его оценка является основной задачей электрокардиографии); б) увеличением или уменьшением расстояния от эпикарда до регистрирующих электродов, которое может быть следствием как изменения формы и размеров сердца вследствие, например, гипертрофии миокарда или дилатации камер, так и некоторого сдвига и ротации сердца, например, при смене пациентом позы или при напряжении мышц брюшного пресса, вызывающем смещение диафрагмы, и в) изменением электропроводности органов и тканей грудной клетки вследствие перераспределения крови и других биологических жидкостей.
Эта проблема еще более усложняется при длительном ЭКГ-мониторировании и анализе электрокардиограммы на фоне динамических нагрузок, поскольку в этих условиях неизбежно влияние различных биофизических факторов, которое может обуславливать значительные изменения электропроводности торса и расстояния до электродов и таким образом камуфлировать динамику электрической активности кардиомиоцитов. Специфика этого влияния связана с наличием в организме человека трех различных сред: жидкой (кровь, лимфа, интерстициальная жидкость и др.), эластичной (мышцы, сухожилия, внутренние органы и др.) и твердой костно-
хрящевой. Для жидких сред характерны гидростатические эффекты с последующим перераспределением объемов, для эластичных — явления растяжения и сжатия, для твердых — определенная вероятность структурных повреждений [7, 8, 18, 96]. Кроме того, биохимические изменения, сопровождая указанные выше реакции, могут менять электропроводящие свойства органов и тканей.
Еще первые исследователи в области электрокардиографии отмечали, что объем биологических жидкостей в грудной клетке и размеры органов могут влиять на форму ЭКГ [113, 114, 116, 203]. В настоящее время значимость этих факторов доказана как при аналитическом моделировании [20, 123, 170], так и в экспериментальных работах на открытой грудной клетке животных [127, 154-156, 194]. Однако в большинстве аналитических моделей оценивают изолированное влияние отдельных морфологических структур грудной клетки, не полностью учитывая реальную конфигурацию и расположение органов в грудной клетке; так, например, наиболее часто используется сферическая модель легких. Кроме того, разные модели дают существенно различающиеся между собой количественные результаты, что резко затрудняет их использование при клиническом анализе ЭКГ [99]. То же относится и к результатам, полученным на открытой грудной клетке животных, поскольку очевидна значимость влияния экспериментальных условий на количественные результаты. Все это приводит к тому, что в традиционной электрокардиографии все изменения кардиоэлектрических потенциалов на поверхности тела считаются обусловленными либо изменениями электрической активности миокардиальных клеток, либо изменением расстояния от поверхности сердца' до электродов. Исключение составляют случаи с эмфиземой легких, выраженным ожирением, тиреотоксикозом; микседемой и некоторыми другими видами патологий, для которых выработаны эмпирические подходы, в большинстве случаев сводящиеся к констатации увеличения или снижения вольтажа ЭКГ при соответствующей патологии [5, 14, 146].
Вместе с тем, в литературе появляется все больше работ, показывающих несостоятельность традиционных подходов к интерпретации ЭКГ, когда изменения вольтажа QRS связываются только с изменениями электрической активности миокарда или расстояния между эпикардом и электродами. Y.Rudy с соавторами [199] доказал значимость влияния увеличения электропроводности легких на вольтаж ЭКГ в клинических условиях. По данным E.Vitolo с соавторами [234] и K.Ishikawa с соавторами [107] изменение электропроводности крови и общего количества жидкости в организме во время процедуры гемодиализа может быть причиной противонаправленных изменений вольтажа ЭКГ и объема камер сердца, в то время как традиционный ЭКГ-анализ исходит из предположения об однонаправленности этих вариаций.
Сложность определения механизмов, посредством которых различные
биофизические и физиологические факторы влияют на ЭКГ человека, в
значительной, степени обусловлена невозможностью оценки их
' изолированного контролируемого воздействия. Например, невозможно
оценить изолированное влияние на вольтажные показатели ЭКГ динамики частоты сердечных сокращений. Чтобы вызвать значимое изменение ЧСС, необходимо дать испытуемому физическую, интеллектуальную или фармакологическую нагрузку, что, помимо увеличения частоты сердечного ритма, будет сопровождаться целым комплексом ответных реакций, таких как изменение давления, силы сокращения миокарда, перераспределение крови и т.д. Определить, в какой степени соответствующие изменения ЭКГ были вызваны динамикой ЧСС, а в какой - динамикой других физиологических показателей, практически невозможно: Это делает необходимым выбор таких экспериментальных условий, которые, с одной стороны, провоцируют реакции* организма, сходные с теми, которые наблюдаются при проведении процедур функциональной диагностики, а с другой, позволяют установить соответствие между регистрируемыми изменениями ЭКГ и физиологическими реакциями. Для этого необходимо, во-первых, исключить влияние значимых для ЭКГ, но
-і J
it"
трудноконтролируемых факторов (гематокрита, ионного состава биологических жидкостей в миокарде и т.д.); во-вторых, реакция на исходное воздействие и компенсаторные реакции должны быть хорошо изучены, однотипны у всех обследуемых и сводиться к динамике небольшого количества физиологических показателей; в третьих, должны быть известны результаты экспериментов на животных, изолированном сердце или препаратах миокарда, которые позволяют прогнозировать влияние на ЭКГ динамики меняющихся в процессе эксперимента показателей.
В связи с этим представляет интерес модель перераспределения биологических жидкостей и изменения электропроводности торса в условиях переменной гравитации во время полета специально оборудованного самолета по параболе Кеплера. Особенностью такой модели является быстрое (в течение 2-3 секунд) перераспределение значительного объема крови у испытуемого, находящегося в вертикальном положении, сначала в каудальном направлении (в период гипергравитации на восходящем колене параболы), а затем, через 20 секунд, в краниальном (в период микрогравитации в верхней части параболы). Столь быстрое перераспределение крови происходит без изменения ее электропроводности, меняется объем сердца, и миокардиальные волокна несколько растягиваются. Однако поскольку подобные механические изменения не влияют на амплитуду и скорость нарастания трансмембранного потенциала кардиомиоцитов [11, 125, 126], то можно полагать, что в данном исследовании динамика распределения электрических потенциалов на поверхности тела в период деполяризации миокарда желудочков обусловлена изменением степени кровенаполнения органов' и тканей грудной клетки и изменением расстояния до электродов (вследствие изменения размеров сердца). Все остальные факторы, влияющие на кардиоэлектрические потенциалы, остаются относительно постоянными. Дополнительным достоинством данной модели является возможность уменьшать
перераспределение крови в краниальном направлении за счет использования ОДНТ в период микрогравитации.
Другой моделью, вызывающей перераспределение крови в каудальном направлении является ортостатическая проба. В отличие от параболических полетов при проведении постуральных проб меняется направление вектора гравитации относительно длинной оси тела, а не его величина. Это вызывает перераспределение крови, сходное с перераспределением во время параболических полетов, но менее выраженное и протекающее медленнее. Однако широкое использование постуральных проб в функциональной диагностике (прежде всего, в диагностике синкопальных состояний и ортостатической неустойчивости) и в имитационных экспериментах в авиакосмической медицине определяет важность адекватной интерпретации ЭКГ-изменений в этих условиях.
Кроме того, длительные (20-45 минут) постуральные пробы с регистрацией базового импеданса грудной клетки являются удобной моделью для сравнительной оценки значимости влияния изменения электропроводности и позиции сердца на электрокардиограмму человека. Они позволяют проанализировать динамику QRS, сопоставляя ее с изменениями электропроводящих свойств торса как при изменении положения тела при повороте, так и в течение последующего ортостаза, сопровождающегося перераспределением жидких сред организма в каудальном направлении.
Дополнительный анализ динамики ЭКГ-потенциалов при медленном варьировании электропроводности тела, но неизменной позиции сердца, а также различий вольтажных показателей QRS в группах лиц с различной электропроводностью торса необходим для уточнения выявленных закономерностей. Удобной моделью постепенного снижения электропроводности тела является процедура гемодиализа (за счет ультрафильтрации 2-4 литров жидкости), а увеличения — первая фаза процедуры плазмафереза, когда часть плазмы крови заменяется раствором
Рингера (увеличивается электропроводность крови, а кроме того, поскольку уменьшение онкотического давления способствует выходу жидкости из сосудистого русла и некоторому накоплению ее в тканях, это может дополнительно увеличивать электропроводность тела).
Цель настоящего исследования — выявить основные закономерности и механизмы влияния перераспределения биологических жидкостей и изменения электропроводности органов и тканей грудной клетки на кардиоэлектрические потенциалы на поверхности тела человека в период деполяризации миокарда желудочков.
В исследование включены только показатели, регистрируемые в период деполяризации желудочков (комплекс QRS на электрокардиограмме), поскольку распределение потенциалов в этот период более устойчиво по сравнению периодом реполяризации. Параметры реполяризации зависят от продолжительности потенциалов действия кардиомиоцитов, а значит, зависят от растяжения миокардиальных клеток, сердечного ритма и многих других трудно контролируемых факторов. Напротив, амплитуда и скорость нарастания потенциала действия кардиомиоцита желудочка в норме практически постоянны, не зависят от его растяжения, сердечного ритма (до 350 ударов в минуту), концентрации ацетилхолина и катехоламинов [11, 117, 125, 126, 184]. Это позволяет оценить динамику кардиоэлектрических потенциалов в условиях, когда доминирующим оказывается влияние факторов, не связанных с электрической активностью миокардиальных клеток.
Задачами исследования были следующие: 1. Выявить закономерности изменения кардиоэлектрических потенциалов под влиянием быстрого перераспределения биологических жидкостей и
гравитационно-зависимой деформации органов грудной клетки а) в условиях переменной гравитации во время параболических полетов и б) при коротких постуральных пробах.
2. Выявить закономерности изменения кардиоэлектрических потенциалов
под влиянием медленно протекающего перераспределения биологических
жидкостей а) при длительных ортостатических пробах, б) при дегидратации
организма во время процедуры гемодиализа и в) при частичной замене плазмы
крови раствором Рингера в процессе первой фазы плазмафереза;
3. Выявить общие закономерности динамики кардиоэлектрических
потенциалов под влиянием как быстрого, так и медленно протекающего
перераспределения биологических жидкостей, а также гравитационно-
зависимой деформации органов грудной клетки.
4. Оценить зависимость распределения кардиоэлектрических
потенциалов на поверхности грудной клетки от конституциональных
особенностей обследуемых (пол, ИМТ).
5. Предложить биофизическую и физиологическую интерпретацию
выявленных закономерностей, определить механизмы, посредством которых
биофизические факторы влияют на кардиоэлектрические потенциалы на
поверхности грудной клетки в период деполяризации миокарда желудочков.
Перераспределение биологических жидкостей оценивалось по изменению величины базового импеданса грудной клетки, размеры сердца - по данным эхокардиографии. ЭКГ непрерывно регистрировалась по системе Франка и по традиционной системе ЭКГ-12 с помощью компьютерного кардиорегистратора.
Основной материал исследования
I - ЭКГ по системе Франка, базовый импеданс грудной клетки и конечно-диастолический объем левого желудочка, зарегистрированные во время
полетов специально оборудованных самолетов по параболе Кеплера (27 практически здоровых лиц);
II - ЭКГ-12, ЭКГ по системе Франка и базовый импеданс, зарегистрированные во время ортостатичских проб (14 практически здоровых лиц, 8 больных с нейрокардиогенными синкопальными состояниями);
III— ЭКГ-12, зарегистрированные до и, после процедур гемодиализа (14 человек) и плазмафереза (8 человек),
IV — ЭКГ-12 из электронного архива для оценки влияния размеров тела (индекса массы тела) на кардиоэлектрические потенциалы (385 человек).
Научная новизна
Впервые сформирована целостная концепция влияния биофизических факторов на вольтажные показатели ЭКГ в период деполяризации миокарда желудочков, не связанного с трансмембранными ионными токами кардиомиоцитов.- Доминирующим механизмом, ответственным за динамику
1 QRS в этих условиях, является изменение внеклеточного электрического-
сопротивления органов и тканей грудной клетки, на которое непосредственное влияние оказывают объем биологических жидкостей как в грудной клетке в целом, так и в сердечной стенке, а также электрические свойства крови. Зависимость от размеров сердца менее выражена. Повышение внеклеточного сопротивления обуславливает соответствующее снижение эффекта шунтирования внеклеточных токов, возникающих при распространении возбуждения по. миокарду, что увеличивает суммарный ток, текущий к поверхности тела, и; как следствие, вольтажные показатели* ЭКГ. Снижение внеклеточного сопротивления вызывает противоположные изменения.
Кроме того; при перераспределении биологических жидкостей рефлекторное изменение силы сокращения определяет динамику внеклеточного
і сопротивления в миокарде в систолу и, как следствие, дополнительную
динамику вольтажных показателей второй половины комплекса QRS,
соответствующих по времени фазе изометрического сокращения желудочков. В связи с этим наиболее выражены изменения вольтажных показателей QRS в отведениях на передней поверхности грудной клетки в период возбуждения задних и задне-базальных отделов миокарда желудочков в начале фазы изометрического сокращения.
Теоретическая и практическая значимость работы
Результаты исследования позволят увеличить эффективность электрокардиографического исследования в условиях, вызывающих изменения электропроводности органов и тканей грудной клетки вследствие изменения параметров центральной гемодинамики и общего количества жидкости в организме: при проведении функциональных проб, на фоне антигипертензивной терапии, а также в условиях переменной гравитации и космического полета. Диапазон изменения вольтажных показателей QRS под действием биофизических факторов, не влияющих на трансмембранные ионные токи кардиомиоцитов в период деполяризации, составляет от 0.2 мВ до 1 мВ. Изменение электропроводности органов и тканей грудной клетки в наибольшей степени влияет на амплитуды зубца S в передних грудных отведениях (v2-v4) и зубца R в отведении Z по Франку. Увеличение внеклеточного сопротивления приводит к возрастанию вольтажных показателей, а его снижение - вызывает противоположные изменения. Использование выявленных закономерностей и механизмов влияния электропроводности тканей и расстояния от сердца до электродов позволило разработать ЭКГ-критерии ГЛЖ для лиц с избыточной массой тела вследствие увеличения жировых слоев.
Работа выполнена по плану научно-исследовательских работ НИИ кардиологии им. А.Л.Мясникова РКНПК в рамках научных тем № 55 «Разработка оптимального комплекса неинвазивных методов функциональной
и ультразвуковой диагностики для длительных динамических наблюдений за больными артериальной гипертонией» и № 79 «Разработка новых методов диагностики системных и регионарных дисрегуляторных изменений у больных артериальной гипертонией и адаптация этих методов для использования в амбулаторных условиях».
Первичная и статистическая обработка полученных данных, анализ научной литературы по изучаемой проблеме и смежным вопросам, разработка всех теоретических положений и выводов данной работы, а также подготовка текстов публикаций и компьютерных программ для первичной обработки данных сделаны автором лично. Кроме того, регистрация электрокардиограмм во время полетов самолета ИЛ-76 МДК, во время процедур гемодиализа и плазмафереза и во время постуральных проб также проведены автором.
Результаты исследований доложены на следующих международных и российских конференциях:
Компьютерная электрокардиография на рубеже столетий, Москва, 1999;
XII конференции по космической биологии и авиакосмической медицине,
Москва, 2002;
Российский национальный конгрессе кардиологов «От исследований к клинической практике», Санкт-Петербург, 2002;
V Международная научно-практическая конференция «Пилотируемые полеты в космос», Моск.обл. Звездный городок, 2003;
Российская конференция с международным участием «Организм и окружающая.среда: адаптация к экстремальным условиям», Москва, 2003;
25th Annual International Gravitational Physiology Meeting, Москва, 2004;
XIII конференция ПО' космической биологии и авиакосмической
медицине, Москва, 2006;
VIII Всероссийская научно-практическая конференция «Технологии функциональной диагностики в современной клинической практике», Москва, 2007.
Апробация работы состоялась на заседании Ученого Совета Института Клинической кардиологии им. А.Л.Мясникова РКНПК 8 июля 2008 года.
Положения, выносимые на защиту
При перераспределении биологических жидкостей в каудальном или краниальном направлении, а также при дегидратации организма динамика вольтажных показателей> QRS определяется преимущественно изменением электрического сопротивления сердечной стенки, а также других органов и тканей грудной клетки вследствие изменения в них объема биологических жидкостей. Влияние возникающих при этом вариаций расстояния от эпикарда до ЭКГ-электродов менее значимо.
Увеличение (снижение) силы сокращения миокарда- при перераспределении биологических жидкостей в каудальном (краниальном) направлении приводит к соответствующему изменению объема внеклеточного пространства в сердечной стенке и, как следствие, к изменению ее электрического сопротивления. В большей степени это влияет на вторую половину QRS, отражающую возбуждение задних и задне-базальных отделов миокарда желудочков в начале фазы изометрического сокращения. Наиболее выражено возрастание амплитуды зубца S в передних грудных отведениях (v2-v4) и зубца R в отведении Z по Франку при увеличении силы сокращения и противоположные изменения при ее снижении.
Влияние экстракардиальных факторов, таких как дегидратация организма, увеличение размеров тела и его среднего эл. сопротивления за счет жировых слоев не меняется в течение сердечного цикла и обуславливает изменения вольтажных показателей всего комплекса QRS.
Публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ .
![Роль эндогенной интоксикации в нарушении гомеостаза организма человека при хронических дерматозах [Электронный ресурс]](/i/i/4437/209768.png "Роль эндогенной интоксикации в нарушении гомеостаза организма человека при хронических дерматозах [Электронный ресурс] Анненкова Анна Борисовна")
