Введение к работе
Актуальность исследования
Колебательный (пульсирующий) режим работы системы кровообращения, обеспечиваемый сократительной деятельностью сердца, является естественным, непрерывно действующим фактором функционирования кровеносной системы. Волновой характер проявляется в различных аспектах процессов регуляции сердечно-сосудистой системы: от реологических свойств крови до особенностей работы высших нервных регуляторных центров (Малкин В.Б., Гора Е.П., 1996; Баевский Р.М., 2000; Ткаченко Б.И., Поясов И.З., 2000, 2010; Котельников С.А., Ноздрачев А.Д. и др. 2000, 2002). Однако, вопросы функциональной значимости волновых характеристик (амплитуды, частоты, фазы, скорости изменения и т.д.) процессов гемодинамики остаются малоизученными.
Существенным аспектом функционирования сердечно-сосудистой системы является взаимодействие различных ритмических процессов, которое проявляется как амплитудно-частотная модуляция параметров гемодинамики: сердечного ритма, артериального и венозного давления, сосудистого тонуса, линейной и объемной скорости кровотока, и т.д. Эти модуляции обнаруживаются в сосудах всех типов и являются одним из механизмов адаптации гемодинамики к различным внешним условиям и нутритивным потребностям организма (Хаютин В.М. 1999; Баевский Р.М., 2000; Ткаченко Б.И., Поясов И.З., 2000, 2010; Vashilo E., 2003; Yasuma F., 2004; Eckberg D.L., 2003, 2009; Taylor et al. 2001, 2009; Кирилина Т.В., 2009; Крупаткин А.И, 2009, 2011).
Примером такого взаимодействия служит тесная функциональная взаимосвязь систем дыхания и кровообращения. Режим дыхания, как и режим работы сердечно-сосудистой системы, является колебательным. На уровне сердца взаимодействие проявляется как вариабельность частоты сердечных сокращений (ЧСС), обусловленная дыхательным циклом, известная как респираторная синусовая аритмия (РСА). Особенностью РСА является то, что ее амплитуда в значительной степени определяется частотой дыхания (Angelone & Coulter, 1964; Hayano et al. 1994; Eckberg, 2003; Song & Lehrer, 2003; Vaschillo et al. 2006). Частотно-зависимый феномен РСА демонстрирует резонансные свойства и, предположительно, обусловлен взаимодействием механизмов контроля ЧСС и частоты дыхания (Angelone & Coulter, 1964; Vaschillo et al., 2006).
Дыхательные колебания регистрируются и на уровне периферического кровотока (Bolton et al. 1936; Khan et al. 1991; Macefield & Wallin, 1999; Mayrovitz & Groseclose, 2002; Mueck-Weymann &, Rauh, 2002, 2003, Крупаткин А.И., 2008). Однако, механизмы формирования и физиологическое значение этих колебаний у человека пока окончательно невыяснены.
Механизмы взаимодействия механических колебаний кровотока различного генеза на уровне микроциркуляции остаются одной из проблем физиологии кровообращения. В зависимости от локализации источника модулирующих влияний, различают пассивные и активные колебания (Stefanovska et al. 1999; Крупаткин А. И, Сидоров В.В., 2005). Осцилляции первого типа генерируются за пределами системы микроциркуляции и распространяются в микроциркуляторное русло пассивно посредством гидродинамических механизмов. К таким колебаниям относят пульсовые (0.8-1.4 Гц) и дыхательные (0.2-0.4 Гц) волны. К активным относят колебания, непосредственно модулирующие кровоток на уровне микроциркуляторного русла, которые реализуются за счет сокращения гладкомышечных клеток сосудистой стенки. Это собственно миогенные (0.06-0.2 Гц), нейрогенные (0.02-0.06 Гц) и эндотелий-зависимые (0.009-0.02 Гц) колебания (Stefanovska et al. 1999; Kvernmo et al. 1999; Soderstorm et al. 2003; Крупаткин А. И, Сидоров В.В., 2005).
Изменение частоты дыхания в условиях взаимодействия работающих в колебательном режиме сердечно-сосудистой и дыхательной систем может создавать условия для резонансного отклика параметров сердечного ритма и артериального давления у человека (Angelone & Coulter, 1964; Vaschillo et al., 2006). В этой связи вызывают интерес исследования амплитудно-частотных особенностей дыхательной модуляции периферического кровотока в зависимости от частоты дыхательного ритма и возможных резонансно-подобных взаимодействий колебаний кровотока на уровне микроциркуляторного русла.
Цель и задачи исследования
Целью работы является исследование механизмов функционального взаимодействия сердечно-сосудистой и дыхательной систем при контролируемом по частоте и глубине дыхании.
Задачи исследования:
-
определить характер зависимости амплитуды дыхательных колебаний сердечного ритма от частоты контролируемого дыхания в условиях фиксированной глубины дыхания.
-
изучить особенности формирования дыхательных осцилляций кровотока в системе микроциркуляции кожи человека в зонах с различной степенью выраженности симпатической иннервации в условиях контролируемой частоты и глубины дыхания;
-
изучить влияние автономной нервной системы на формирование респираторно-зависимых колебаний в сердечно-сосудистой системе человека при контролируемом по частоте и глубине дыхании.
Положения, выносимые на защиту
-
В условиях фиксированной глубины дыхания амплитуда респираторно-связанных колебаний частоты сердечных сокращений зависит от частоты дыхания, что может быть обусловлено резонансным взаимодействием кардиальных и респираторных регуляторных механизмов;
-
Респираторно-зависимые колебания микроциркуляторного кровотока кожи имеют центральное происхождение и в условиях фиксированной глубины дыхания не зависят от частоты дыхательного ритма;
-
Формирование респираторно-зависимых колебаний микроциркуляторного кровотока кожи зависит от локальных особенностей симпатической иннервации сосудов и соотношения активности симпатического и парасимпатического отделов автономной нервной системы.
Научная новизна исследования
Впервые проведены комплексные исследования связи параметров вариабельности сердечного ритма, кислородной сатурации крови и респираторно-зависимых колебаний скорости кожного кровотока в зонах с различной степенью выраженности симпатической иннервации с параметрами контролируемого в широком диапазоне частот (от 0,03 до 0,25 Гц) дыхания.
Показаны нелинейные свойства и многокомпонентность системы генерации респираторно-зависимых осцилляций на уровне сердечного ритма и продемонстрированы резонансные характеристики её амплитудно-частотной зависимости.
Проведена оценка влияния баланса активности отделов автономной нервной системы на амплитуду РСА и респираторно-зависимых колебаний скорости кровотока кожи при контролируемом дыхании. Показано различие в механизмах формирования респираторных колебаний ВСР и скорости микроциркуляторного кровотока в зависимости от соотношения активности отделов автономной нервной системы испытуемых и региональных особенностей симпатической сосудистой иннервации.
Теоретическая и практическая значимость работы
Полученные данные вносят вклад в разработку теории волновой регуляции физиологических функций сердца и тонуса сосудов посредством резонансного взаимодействия ритмических процессов дыхания и кровообращения. Результаты исследований расширяют представление о роли регуляторных механизмов центрального и местного генеза в формировании респираторно-зависимых осцилляций кровотока на уровне микроциркуляторного русла. Полученные данные открывают новые возможности для разработки методов активации различных регуляторных процессов в сердечнососудистой системе. Результаты работы углубляют существующие представления о специфике респираторно-зависимых механизмов модуляции кровотока на центральном (регуляция ритма сердца) и периферическом (кровоток в системе микроциркуляции кожи) уровнях сердечно-сосудистой системы человека.
Результаты исследований могут быть использованы в курсе лекций по проблемам физиологии для студентов медицинских, биологических, педагогических и психологических специальностей.
Апробация результатов работы
Результаты работы были представлены на заседании секции XXXV научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава ТГПУ им. Л.Н. Толстого (Тула, 2008), 14-ой международной Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология – наука XXI века» (Пущино, 2010), XXI Съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Калуга, 2010), III Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2010» (Москва, 2010), 6 региональной научно-практической конференции молодых ученых (Тула, 2010), Международной конференции «Здоровье в XXI веке» (Тула, 2010), 8-й международной конференции «Системное кровообращение, микроциркуляция и гемореология» симпозиум «Методы исследования и регистрация параметров микроциркуляции и гемореологии» (Ярославль, 2011), 16-ой международной Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология – наука XXI века» (Пущино, 2012).
По материалам диссертации опубликовано 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ изданий, и 11 тезисов докладов.
Объём и структура диссертации
Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит разделы «Введение», «Литературный обзор», «Материалы и методы исследования», «Результаты исследования», «Обсуждение результатов», «Заключение», «Выводы», «Список публикаций по теме диссертации», «Список цитируемой литературы». Библиографический указатель включает 231 источников: 52 отечественных и 179 зарубежных. Работа содержит 8 таблиц и 20 рисунков.
В исследовании принимали участие 160 нормотензивных некурящих девушек 18-25 лет нормального телосложения без выявленных патологий сердечно-сосудистой, дыхательной систем и кожи. Все испытуемые давали добровольное согласие на участие в эксперименте на основе полной информированности о методе и ходе проведения процедуры. Испытуемые воздерживались от приема вазоактивных препаратов, алкогольных и кофеинсодержащих напитков, по меньшей мере, за 4 часа до исследования.
Для исследования воздействия контролируемого по частоте и глубине дыхания на сердечно-сосудистую систему проводили одновременную регистрацию параметров периферического кровотока, вариабельности сердечного ритма, дыхательных экскурсий и показателя оксигенации ткани.
Глубину, форму и частоту дыхательных движений регистрировали с использованием ленточного потенциометрического датчика, закрепленного на грудной клетке испытуемых. Аналоговый сигнал датчика подвергался оцифровке с частотой дискретизации 10 Гц и выводился на монитор персонального компьютера. Испытуемые, управляя глубиной, формой и частотой экскурсий грудной клетки, визуально совмещали собственную кривую дыхания (показания с грудного пневмографического датчика) с эталонной кривой, демонстрируемой на мониторе персонального компьютера. В качестве эталона использовали синусоидальную кривую с задаваемыми амплитудой и периодом. Были использованы следующие частоты контролируемого дыхательного ритма: 0.25 Гц (15 раз/мин), 0.16 Гц ( 10 раз/мин), 0.10 Гц (6 раз/мин), 0.07 Гц ( 4 раз/мин), 0.05 Гц (3 раз/мин), и 0.03 Гц ( 2 раз/мин). Указанные значения частоты дыхательного ритма выбирались, исходя из равномерности распределения значений в логарифмическом масштабе частоты, что обусловлено необходимостью анализа колебаний кровотока и сердечного ритма в широком диапазоне частот. Для исследования частотно-зависимых эффектов дыхания испытуемые дышали с фиксированной глубиной. Задаваемая глубина дыхания была постоянной для всех используемых частот дыхания и индивидуально подбиралась в предварительных экспериментах, исходя из условий относительного комфорта испытуемых во всех указанных режимах дыхания и, соответственно, возможности поддерживать заданные параметры дыхания на протяжении 5 минут. В условиях наших экспериментов она составила 40% от максимальной величины экскурсии грудной клетки измеренной в ходе процедуры оценки жизненной ёмкости легких испытуемых (ЖЕЛ). Данные ЖЕЛ были получены при использовании спирографа MIR Spirobank II (MIR, Италия). Для исследования эффекта глубины дыхания испытуемые дышали с фиксированной частотой дыхательного ритма 0.1 и 0.25 Гц. Для каждой из указанных частот дыхания были использованы следующие величины глубины контролируемого дыхательного ритма (экскурсии грудной клетки): 10, 20, 30 и 40% от максимальной величины экскурсии грудной клетки измеренной в ходе процедуры оценки ЖЕЛ испытуемых.
Для исследования вариабельности сердечного ритма (ВСР) проводилась регистрация электрокардиограммы во II стандартном отведении посредством полиграфа CONAN-m (InCo, Россия). Частота дискретизации сигнала – 300 Гц. Полученные электрокардиограммы подвергали математической обработке в программе CОNAN 4.1 (InCo, Россия) с целью обнаружения QRS-комплексов и преобразования в последовательности RR-интервалов.
Для оценки возможных эффектов гипо- и гипервентиляции регистрировали уровень кислородной сатурации крови (SpO2) посредством пульсоксиметрического датчика спирографа MIR Spirobank II (MIR, Италия), размещаемого на II пальце правой руки испытуемых.
Регистрацию колебаний микроциркуляторного кровотока осуществляли в коже руки с помощью двухканального лазерного флоуметра ЛАКК-02 (ЛАЗМА, Россия) с двумя идентичными каналами (длина волны 0.63 мкм, мощность излучения 0.5 мВт). Зонды флоуметра располагали на ладонной поверхности дистальной фаланги II пальца левой кисти и наружной поверхности левого предплечья вблизи лучезапястного сустава. Указанные области кожи были выбраны, как зоны с различными доминирующими механизмами регуляции сосудистого тонуса. Кожа ладонной поверхности дистальной фаланги пальца кисти богата артериоло-венулярными анастомозами и имеет выраженную адренергическую иннервацию. Кожа наружной поверхности предплечья, напротив, характеризуется малым числом анастомозов и демонстрирует преимущественно нутритивный кровоток. Регистрируемый сигнал – показатель микроциркуляции (ПМ), характеризует степень перфузии ткани кровью и измеряется в условных (перфузионных) единицах (пф.ед.). Частота дискретизации лазерной допплеровской флоуграммы (ЛДФ-граммы) составляла 16 Гц.
Исследование проводили в помещении при температуре 20-24 С. Во время эксперимента испытуемые находились в положении сидя. После предварительной адаптации испытуемых к условиям помещения для каждого испытуемого определяли величину жизненной емкости легких и рассчитывали индивидуальную величину глубины дыхания. В экспериментах по исследованию частотной зависимости осуществляли синхронную регистрацию дыхания, ЭКГ, оксигенации и ЛДФ на протяжении 7 последовательных 5-минутных периодов, первый – при естественном ритме дыхания, последующие шесть – в режиме контролируемого дыхания с частотами 0.25, 0.16, 0.1, 0.07, 0.05 и 0.03 Гц. Для исследования эффектов глубины дыхания было проведено 2 серии экспериментов с фиксированной частотой дыхания 0.1 и 0.25 Гц. В каждой серии осуществляли синхронную регистрацию дыхания и ЛДФ на протяжении 4 последовательных 5-минутных периодов с контролируемой глубиной дыхания: 10, 20, 30 и 40% от индивидуального максимума. Между записями испытуемый в течение 2-3 минут тренировался и настраивался на каждый из режимов контролируемого дыхания. Испытуемые, которые испытывали трудности в контроле заданных режимов дыхания или отмечали симптомы ухудшения самочувствия на любом из его этапов, немедленно прекращали дальнейшее участие в исследовании.
Для всех зарегистрированных сигналов рассчитывали амплитудно-частотные спектры на основе непрерывного адаптивного вейвлет-преобразования (Tankanag & Chemeris, 2008, 2009). Анализировали максимальные амплитуды пиков спектров на частоте навязанного дыхательного ритма. Для оценки баланса активности симпатической/парасимпатической систем использовали показатель отношения мощности спектральных компонентов LF/HF, полученное на основе стандартных методик посредством Фурье-преобразования (Camm et al. 1996). Анализ параметров частотной области ВСР выполняли в программе Kubios HRV v. 2.0 (BSAMIG, University of Kuopio, Finland).
Статистический анализ результатов исследования выполняли при помощи пакета SigmaPlot 11.0 (Systat Software, Inc., 2008). В связи с тем, что распределение значений некоторых выборок данных не являлось нормальным (критерий Шапиро-Уилка), для анализа достоверности различий использовали непараметрический однофакторный дисперсионный анализ для повторных измерений (критерий Фридмана), с последующим множественным попарным сравнением по методу Тьюки. Статистически значимыми считались различия при р < 0.05.
