Точные неинвазивные измерения основных величин гемодинамики и качественная оценка функций сердца и сосудов в фазах сердечного цикла

Воронова О., Зернов В., Колмаков С., Мамбергер К., Македонский Д., Руденко М., Руденко С., Вебер К.
Фирма «Кардиокод – Финленд», г. Куопио, Финляндия
www.cardiocode.de ; www.cardiocode.ru

Введение. Кардиологов давно интересовала возможность измерения параметров гемодинамики. Особенно важно знать объемы крови, перекачиваемые сердцем в различные фазы сердечного цикла. Если знать какие объемы крови перекачивают отделы сердца в различные фазы, то можно с высокой точностью диагностировать самые тончайшие изменения происходящие в сердечно – сосудистой системе не только при патологии, но и в норме. Ранее объемы крови можно было измерить только путем катетеризации крупных артерий. Позже появилась возможность измерять ударный объем крови с помощью ультразвуковых сканеров. Однако возможность измерять объемы крови входящие и выходящие в отделы сердца и транспортируемые сосудами в каждой из фаз сердечного цикла оставалась только мечтой. Этому мешало несовершенство теории гемодинамики.

В этой статье мы расскажем об интереснейших результатах, полученных принципиально новым прибором, сконструированным международной группой ученых, которые позволяют по новому взглянуть на теорию гемодинамики и практику диагностики сердца и сосудов.

С начала 80-х годов авторы данной статьи интенсивно занимались фазовым анализом сердечного цикла [1]. Были известны результаты других исследований [2], которые близко подошли к построению адекватной модели гемодинамики. Однако предлагаемые теории на практике не подтверждались. Было ясно, что необходимо точно установить биофизические процессы формирующие кровоток и на практике добиться измерения их основных параметров. Ответы на поставленные вопросы нам удалось найти при исследовании сердца с помощью фазового анализа сердечного цикла, синхронно зарегистрированных электрокардиограммы и реограммы с восходящей аорты. [3].

Цель исследования. Разработка нового неинвазивного метода определения основных объемных величин гемодинамики на основе фазового анализа сердечного цикла.

Метод. Исследование гемодинамических процессов в системе кровообращения было осуществлено на принципиально новой научной основе, на концепции о движении крови по сосудам в «третьем» режиме. Первые теоретические и экспериментальные исследования в области гидродинамики, приведшие к разработке теории «третьего» режима течения жидкости, были осуществлены Г.М. Поединцевым более 30 лет назад [1]. Было установлено, что в тончайшем пограничном слое жидкости в момент возникновения движения из состояния покоя зарождается пакет концентрических волн трения, которые распространяются от стенки трубы к ее центру. Схематично это показано на рис. 1.

Рис. 1. Формирование бегущих волн трения при возникновении движения жидкости в трубе

Достигая оси потока, волны исчезают. В длинной трубе при докритических числах Рейнольдса этот процесс продолжается лишь доли секунды, до того момента, пока не исчезнут все волны трения, кроме расплывшейся пристеночной волны. В итоге, нестационарное течение жидкости переформируется в стационарное течение Гагена-Пуазейля (ламинарное).

Таким образом, при возникновении движения жидкости в трубе в течение очень короткого времени имеет место изменяющийся волнообразный профиль скорости, а в соответствии с законом Бернулли, и волнообразный профиль статического давления. Если в такой поток попадут взвешенные частицы, то поперечные градиенты статического давления вытолкнут их в слои с самым низким давлением, а согласно закону Бернулли, это будут слои с самой высокой скоростью движения. То есть произойдет структурирование потока движущейся жидкости. Есть и еще одна уникальная особенность – в этот период движение жидкости осуществляется с несравнимо меньшими потерями напора на трение, чем при установившемся ламинарном течении.

Был найден способ удержания в трубе режима движения жидкости со стоячим волновым профилем скорости и статического давления в течение неограниченного времени [1]. Это возможно осуществить лишь при пульсирующем режиме. Наиболее эффективным будет движение жидкости в пульсирующем режиме по эластичной трубе, причем скорость движения жидкости и радиус трубы должны изменяться в каждом импульсе по строго определенному закону. А именно:

где t_o > 0, t > t_o ;

r_t- текущий радиус расширения трубки;

r_о- начальный радиус ( при t = t_о );

t - текущее время;

t_о - время разгона потока до максимальной скорости в импульсе;

W_t – текущее значение скорости движения жидкости;

W_о – максимальное значение скорости в импульсе (при t = t_о).

Этот режим был назван «третьим» в отличие от двух известных режимов, турбулентного и ламинарного (пуазейлевского).

Именно в «третьем» режиме, а не в ламинарном (пуазейлевском), движется кровь по кровеносным сосудам [1,3]. Он отличается существенно меньшими потерями напора на трение, а также волнообразным профилем скорости и статического давления, под воздействием которого поток крови в кровеносных сосудах расслаивается на чередующиеся концентрические скоростные слои, заполненные форменными элементами, и заторможенные слои, заполненные плазмой (рис. 2).

На основе теории «третьего» режима был разработан математический метод определения величин основных гемодинамических параметров. Они формируются фазовой работой сердца, точнее говоря, фазовой структурой сердечного цикла.

Для расшифровки фазовой структуры сердечного цикла были использованы синхронные записи электрокардиограммы и реограммы с восходящей аорты. Они представлены на рис. 3.

Принципиально важным является место регистрации этих сигналов. Способ расположения электродов в нашем методе можно сравнить с известным методом EASI. Нами используются только 2 электрода E и S. Существенным отличием является то, что с электродов ЭКГ снимается синхронно и сигнал РЕО. Мы назвали этот метод точечной реографией. Реальные записи, полученные этим методом, представлены на рис. 4.

Рис. 2. Эпюры скоростей движения жидкости в одном и том же проходном сечении трубки в разное время (t_1< t_2< t_3< t_4< t₅) разгона. Эритроциты концентрируются в форме колец между которыми находится плаза крови, что резко снижает трение в сосудах

Рис. 3. Фазовые соотношения электрокардиограммы и реограммы восходящей аорты. (точечная реография – снятие с электродов ЭКГ одновременно и РЕО)

Рис. 4. ЭКГ + РЕО восходящей аорты, зарегистрированные у здорового молодого человека (на рисунке показаны ЭКГ, производная ЭКГ, РЕО, производная РЕО)

Для разработки критериев регистрации границ начала и конца фаз сердечного цикла на ЭКГ и РЕО, регистрируемых с тела человека, были использованы их производные [3]. Такой подход позволил автоматизировать процесс расшифровки фазовой структуры сердечного цикла.

Результаты. Реализация на практике полученных теоретических результатов позволила по измеренным длительностям фаз сердечного цикла рассчитывать следующие объемные параметры гемодинамики:

SV - ударный объем крови, мл;

MV - минутный объем крови, л;

PV1 - объем крови, притекающий в желудочек сердца в фазу ранней диастолы,

характеризующий присасывающую функцию желудочка, мл;

PV2 - объем крови, притекающий в левый желудочек сердца в фазу систолы

предсердия, характеризующий сократительную функцию предсердия, мл;

PV3 - объем крови, изгоняемый желудочком сердца в фазу быстрого изгнания, мл;

PV4 - объем крови, изгоняемый желудочком сердца в фазу медленного изгнания, мл;

PV5 – объем крови (часть SV), перекачиваемый восходящей аортой как

перистальтическим насосом, характеризующий тонус аорты, мл.

Одновременно можно дать качественную оценку следующим параметрам:

- Функция клапана аорты;

- Особенности анатомии клапана аорты;

- Эластичность аорты;

- Наличие сужения устья аорты;

- Сократительная функция межжелудочковой перегородки;

- Сократительная функция миокарда;

- Состояние венозного кровотока;

- Состояние функции легких;

- Наличие стеноза крупных сосудов;

- Наличие проблемы предынсультного состояния.

Объемно-фазовый анализ функционирования системы кровообращения является принципиально новым методом исследования и дает новейшую информацию о всех ее аспектах как в норме, так и в патологии. Как показала практика, метод успешно конкурирует со всей совокупностью известных методов исследования, таких как электрокардиограф, холтер, ультразвуковые методы, за счет значительно большей информативности, простоты, экономической эффективности и доступности широкому кругу людей.

Рассмотрим наиболее уникальные случаи из практики, зафиксированные новым разработанным прибором. К ним можно отнести результаты исследований гемодинамики у пациентов с искусственным клапаном аорты и предрасположенным к внезапной сердечной смерти.

Результаты исследования гемодинамики в случае наличия у человека искусственного клапана аорты представлены на рис. 5. Данные соответствуют моменту перехода пациента из горизонтального в вертикальное положение при ортостатической пробе. В правой нижней части рисунка показано процентное отклонение от нормы измеренных основных параметров гемодинамики. Все они завышены. Больше всего – на 106, 04% отличается PV1 – объем крови, поступающий в левый желудочек в фазу ранней диастолы, характеризующий присасывающую функцию левого желудочка. Меньше всего PV2 – объем крови, поступающий в левый желудочек в фазу систолы предсердия, характеризующий сократительную функцию предсердия. Через несколько минут, когда переходные процессы у пациента, вызванные ортостатической пробой стабилизируются, параметры гемодинамики становятся ближе к норме.

Вопрос о внезапной сердечной смерти связан с регистрацией аномального QRS комплекса, представленного на рис. 6.

Рис. 5. Фазовая гемодинамика пациента с искусственным клапаном аорты. Результаты обследования.

Рис. 6. Аномальный QRS комплекс и его влияние на гемодинамические параметры

Его амплитуда выше обычной приблизительно в три раза. Поэтому, амплитуда сокращения межжелудочковой перегородки также превышает нормальную во столько же раз. Но при этом увеличивается и ударный объем крови изгоняемый аортой. Видно, что во втором цикле, где генерируется аномальный QRS комплекс, ударный объем PV = 128 мл. В то время, как, средний показатель равен 62 мл. Межжелудочковая перегородка сильно сократившись не дает сократиться стенкам желудочков, на что указывает отсутствие зубца S. Фаза напряжения и фаза быстрого изгнания на ЭКГ выглядит почти прямой линией. Прямая линия указывает на отсутствие изменения сигнала между дифференциальными входами усилителя биопотенциала, а значит отсутствием движения миокарда в этой фазе.

Далее, в фазе ранней диастолы, межжелудочковая перегородка восстанавливается и циклический процесс нормальных кардиоциклов повторяется. Но могут создаться условия, что межжелудочковая перегородка не сможет расслабится и вернуться в исходное состояние и тогда наступит внезапная сердечная смерть.

Большой ударный объем крови может стать причиной инсульта.

Как показала практика, предвестником аномального QRS служит определенная симптоматика. В частности, периодически возникающая внезапная потеря сознания. Может наблюдаться и не полная потеря сознания, сопровождающаяся сильным головокружением. У спортсменов, в группу риска можно отнести перетренированных людей у которых часто сводят мышцы судорогой.

Выход из создавшегося положения находят в подаче в область сердца импульса высоковольтного напряжения, который расслабляет межжелудочковую перегородку.

С 2004 год, когда метод был внедрен в практику, нами было обследовано около 3000 пациентов. Полученные данные позволили по новому взглянуть на существующую теорию функционирования сердечно – сосудистой системы и «закрыть белые пятна» в теории кардиологии.

Разработан новый метод и прибор для неинвазивного определения объемных параметров гемодинамики, суть которого заключается в измерении длительностям фаз сердечного цикла по ЭКГ и РЕОграмме и далее постановки их в выведенные математические уравнения «третьего» режима текучести жидкости и расчета численных величин гемодинамики у конкретного пациента. Прибор сертифицирован в ЕС и России.

1. Поединцев Г.М. О режиме движения крови по кровеносным сосудам. В сб. научн.трудов: Развитие новых неинвазивных методов исследования в кардиологии. – Воронеж, 1983, с.17-35.

2. Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. - М.: Мир, 1981. - 624 с.

3. Теоретические основы фазового анализа сердечного цикла. - Москва, Хельсинки: Изд-во ИКМ, 2007. – 336 с.

Источник: Кардиокод