Хвильова структура показників гемодинаміки при різному вихідному рівні частоти дихання у чоловіків

Purpose. To find out the features of the wave structure of oscillations of SV and duration of RR interval in healthy young men with a different level of respiratory rate.

Methods. The measurements are carried out on 120 healthy young men aged from 17 to 23 years. By the distribution of the initial value of the Mo duration of respiratory cycle men were divided into 3 groups: tachypnea (39 men) - with abnormally rapid breathing, normopnea (62 men) - with normal respiratory rate and bradypnea (19 men) - with abnormally slow breathing. Time series were analyzed with five-minutes implementations of successive stroke volume and R-R duration in the “Caspico” program. For the duration of cardiocycles were distinguished 3 main spectral components: HF (0,15-0,4 Hz), LF (0,04-0,15 Hz), VLF (0-0,04 Hz) and total power of the spectrum (TP), the power of high frequency oscillations in normalized units (HFnorm). These indicators for SV were respectively HFsv, LFsv, VLHV, TPsv and HFnorm^.

Results. People with low and high frequency of breathing in a state of rest are characterized by the relatively higher amplitude of oscillations of duration of R -R interval and stroke volume in the range of 0,04-0,15 Hz than normopnea. By bradypnea it is stipulated by a violation of respiratory periodicals in this frequency range and higher level of activation of parasympathetic link of the vegetative nervous system, by tachypnea it is stipulated by a number of factors: relatively higher level of blood-filling of organs in thorax, increase of sympathetic effects on the heart and increase of spontaneous baro-reflex sensitivity. By dosed load it is vice verse - relatively larger sympathetic activation is observed by bradypnea.

Conclusion. Taking into account the output frequency of breathing can significantly improve the diagnostic value of the methods for analyzing of the variability of the stroke volume and heart rate.

Keywords:heart rate variability, respiratory frequency.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Параметри коливань гемодинамічних показників між окремими особами суттєво розрізняються [1]. Така міжіндивідуальна девіантність цих характеристик функціонування організму може бути обумовлена індивідуально-типологічними особливостями людини. Тому доцільним є дослідження особливостей хвильової структури коливань ударного об'єму крові (УОК) та тривалості Я-Я інтервалу (т-Я-Я) при різних рівнях основних вегетативних показників, таких як частота дихання та об'єм серцевого викиду, котрі згідно з даними багатьох досліджень вважаються достатньо сталими для кожної людини [2, 3, 4].

Показано, що варіабельність серцевого ритму (ВСР) в осіб із різною типологією за частотою дихання та зміни її хвильової структури при різноманітних навантаженнях розрізняються [5]. Разом з тим, малодослідженими залишаються зміни коливань ударного об'єму крові при цьому.

Мета роботи. З'ясувати особливості хвильової структури коливань УОК та т-Я-Я у здорових молодих чоловіків із різним вихідним рівнем частоти дихання.

Методика

Виміри проведені на 120 здорових молодих чоловіках віком від 17 до 23 років з дотриманням вимог законодавства України про охорону здоров'я і Гельсінської декларації 2000 р., директиви Європейського товариства 86/609 стосовно участі людей у медико-біологічних дослідженнях.

Процедура вимірювань для всіх осіб була стандартною. Попередньо проводили інструктаж (5-10 хвилин). Потім на тіло обстежуваного встановлювали електроди та датчики і вкладали його на кушетку, де він відпочивав 10 -15 хвилин. Після цього проводили 5-хвилинні записи сигналів від реографа та пневмографа. Пробу регламентованого дихання з частотою 8 та 6 цикл./хв проводили в положенні лежачи впродовж 5 хвилин. Ритм дихання задавався словесними командами, записаними на комп'ютер. Через 5-6 хвилин після завершення цього тесту здійснювали активну ортопробу тривалістю 7 хвилин. В якості розумового навантаження використовували 10-хвилинний тест по визначенню працездатності головного мозку в режимі зворотного зв'язку за методикою М. В. Макаренка [6] з використанням системи «Діагност-1».

За розподілом вихідного значення Мо тривалості дихального циклу чоловіків виділили групи: тахіпноїки - 39 осіб із високою частотою дихання (ВЧД), нормопноїки - 62 особи з середньою частотою (СЧД) та брадіпноїки - 19 осіб із низькою частотою дихання (НЧД).

Ударний об'єм крові визначали за показниками диференціальної реоплетизмограми (РПГ) за формулою, запропонованою W.G. Kubicek. Тривалість кожного кардіоциклу розраховували за часовими параметрами найвищої точки зубця QRS електрокардіограми. Часові ряди послідовних УОК та т-RR аналізували у програмі Caspico [7]. Розрізняли три головних спектральних компоненти для т-RR - HF (0,15-0,4 Гц), LF (0,04-0,15 Гц), VLF (0-0,04 Гц), загальну потужність спектру (ТР), потужність високочастотних коливань у нормалізованих одиницях (HFnorm). Для УОК це були відповідно VLF^sv, LF^sv, HF^sv, TP^sv та HFnorm^sv.

Статистичний аналіз даних здійснювали за допомогою непараметричних критеріїв, оскільки розподіл показників в основному був ненормальним.

Результати та їх обговорення

У зв'язку з наявністю типологічних груп за частотою дихання у здорових молодих чоловіків виникає необхідність з'ясувати особливості як параметрів центральної гемодинаміки, так і їх коливань у цих групах у стані спокою та при різних навантаженнях. В спокої лежачи не виявлено вірогідних відмінностей тривалості інтервалу R-R, ударного об'єму крові та серцевого індексу між тахі-, нормо- та брадіпноїками. В той же час особи з ВЧД мали значуще вищий рівень кровонаповнення органів грудної клітки, ніж чоловіки з СЧД та НЧД. Цілком можливо, що така особливість має пристосувальне значення для покращення газообміну в легенях для тахіпноїків. В цій групі чоловіків із високій частотою дихання, зрозуміло, буде дещо нижчим дихальний об'єм та більшим відносний об'єм мертвого простору. Тому збільшення кровонаповнення легенів створює сприятливі умови для газообміну за механізмом, описаним J. West [8].

При переході у вертикальне положення тіла на фоні значного зменшення УОК, серцевого індексу, т-R-R та рівня кровонаповнення органів грудної клітки не було відмічено значущих відмінностей між порівнюваними групами. Також відсутні достовірні відмінності за цими фізіологічними параметрами між особами, що різняться за частотою дихання, при розумовому та фізичному навантаженнях. Хоча потрібно відмітити, що рівень кровонаповнення органів грудної клітки за всіх умов у тахіпноїків є дещо вищим, ніж у нормо- та брадіпноїків.

Отже, основні гомеостатичні показники гемодинаміки в осіб із різною частотою дихання в досліджуваних умовах не відрізняються. Разом з цим, згідно з даними П. К. Анохіна [9] підтримання достатньо сталого рівня цих показників може вимагати значної їх флуктуації в осіб різної типології.

Так, у спокої лежачи виявлені суттєві відмінності у хвильовій структурі тривалості інтервалу Я-Я та ударного об'єму крові у представників різних типологічних груп за частотою дихання (табл. 1).

Таблиця 1 Показники коливань гемодинаміки в осіб із різною вихідною частотою дихання за умов спокою

Примітка. ¦ - р<0,05 - у порівнянні з групою осіб із ВЧД; < - р<0,05 - між групами чоловіків із СЧД та НЧД

Потужність коливань т-Я-Яу діапазоні дуже низьких частоту першій групі (ВЧД) була вірогідно вища, ніж у другій. ЬБ розрізнялась у всіх групах: найменшим цей показник був у групі з СЧД, а найбільшим - в осіб із НЧД. Така ж закономірність спостерігалась за значенням загальної потужності спектру коливань ЧСС. НБ_погт була вищою у групі чоловіків із СЧД, ніж у крайніх групах. Тому вищій рівень ЬБ у першій групі в порівнянні з другою можна пояснити більшим рівнем симпатичних впливів на серцевий ритм. В той же час найвищий рівень ЬБ у третій групі, напевно, пов'язаний із наявністю в ній осіб із частотою дихання (33% від загальної кількості) чи реалізаціями окремих дихальних циклів, які зміщуються у діапазон низьких частот серцевого ритму. Отже, використання співвідношення потужностей спектру в діапазонах 0,04-0,15 Гц та 0,15-0,4 Гц чи нормалізованої потужності в діапазоні високих частот в осіб із НЧД для оцінки вегетативного тонусу може привести до хибних висновків. Крім цього, показано, що сама структура коливань т-Я-Яможе бути неоднорідною [10].

Подібні особливості відмічені і для коливань УОК в осіб різних типологічних груп (табл. 2). Так, ЬБ⁵™ була вірогідно вищою в осіб із НЧД у порівнянні з іншими групами, а в осіб із ВЧД - у порівнянні з групою СЧД. Знову ж для групи осіб із НЧД це пояснюється зсувом дихального діапазону у зону низьких частот, а для чоловіків першої групи - більш високим рівнем симпатичної активності, ніж у чоловіків із СЧД. Значуще вищий рівень загальної потужності коливань ударного об'єму крові у групі з ВЧД у порівнянні з особами з СЧД може бути обумовлений більшим кровонаповненням органів грудної клітки. За літературними даними амплітуда коливань ударного об'єму крові суттєво залежить від цього показника [11].

Таблиця 2 Показники коливань гемодинаміки в осіб із різною вихідною частотою дихання при ортопробі

Примітка. * - р<0,05 - у порівнянні з групою осіб із ВЧД; < - р<0,05 - між групами з СЧД та НЧД

хвильовий коливання ударний кров

Дещо парадоксальним є факт більшої загальної потужності коливань т -Я-Я в осіб із ВЧД у порівнянні з групою обстежуваних із СЧД, оскільки більша варіативність ЧСС багатьма авторами оцінюється як характеристика високих адаптаційних можливостей організму людини [ 1]. Для підтвердження цього факту проводили пробу з регламентованим диханням із частотою 6 циклів за хвилину. Цей вплив не змінював та не приводив до відмінностей між порівнюваними групами за рівнями т-Я-Я та ударного об'єму крові. Разом з цим зберігаються значущі відмінності у потужності спектру у діапазоні 0-0,04 Гц між особами І-ї та ІІ-ї груп (відповідно 1043 [812; 1618] мс² та 773 [443; 1350] мс²).

Вірогідно найменша потужність спектру у ЬБ-діапазоні спостерігається в осіб із СЧД (5465 [3538; 8830] мс²), а відмінності між групами осіб із ВЧД (8457 [4071; 12063] мс²) та з НЧД (10121 [5645; 17040] мс²) зникають. Подібні закономірності відмічені також у рівнях загальної потужності спектру. Крім цього існують значущі відмінності у значеннях НБ між особами першої та другої груп. Аналіз медіанних спектрограм показав, що тахіпноїки мають більшу потужність спектру коливань т -Я-Я на частотах 0,2 Гц та 0,3 Гц, котрі є гармоніками основної хвилі на частоті 0,1 Гц. Такі результати можуть свідчити як про більшу потужність основної хвилі, так і про більші відмінності форми цієї хвилі від ідеальної синусоїди у тахіпноїків.

Отже, при регламентованому диханні підтверджується більша варіативність масивів кардіоінтервалів в осіб із високою вихідною частотою дихання, ніж у чоловіків із середнім її рівнем.

За результатами спектрального аналізу коливань УОК при регламентованому диханні вірогідних відмінностей за показниками УЬБ'^таЬБ'^ між типологічними групами не знайдено, хоча на частоті 0,11 Гц між значеннями медіанних спектрограм у осіб із ВЧД та СЧД існує значуща різниця. Значуще більше в осіб із ВЧД (31,7 [22,5; 48,3] мл²) у порівнянні з групою СЧД (25,5 [11,6; 34,8] мл²) та НЧД (21,1 [15,1; 34] мл²). Знову ж, як і в випадку з коливаннями т-Я-Я, такі зміни викликані як більшою варіативністю осциляцій УОК, так і значною амплітудою додаткових хвиль на частотах, кратних частоті основної хвилі.

Більша потужність коливань УОК при регламентованому диханні в осіб із ВЧД у порівнянні з чоловіками з СЧД може бути обумовлена як дещо більшим, хоча і не вірогідним, кровонаповненням органів грудної клітки, так і більш високим рівнем їх функціональних можливостей.

Перехід у вертикальне положення спричиняв перебудову структури коливань як ударного об'єму крові, так і тривалості інтервалу Я-Я в осіб всіх трьох типологічних груп (табл. 2). При цьому загальна потужність коливань т-Я-Я була значуще вищою у брадіпноїків (3191 [1725; 7708] мс²) у порівнянні з нормопноїками (2176 [1009; 3082] мс²) та не відрізнялась від рівня у тахіпноїків (2566 [1218; 3297] мс²). ИБ та ЬБ у брадіпноїків були вірогідно вищими, ніж у інших типологічних групах.

Значне переважання амплітуди коливань т-Я-Я в осіб із низькою частотою дихання третьої групи в діапазоні 0,04-0,15 Гц не можна пояснити тільки за рахунок зміщення дихальних хвиль на ці частоти (13 % осіб). Цілком можливо, що таке явище може бути, по-перше, наслідком більш значної активації симпатичної ланки вегетативної нервової системи, а, по-друге, будь-які впливи на низьких частотах (в тому числі і симпатичні) можуть викликати явище резонансу у брадіпноїків у більшій мірі за рахунок формування специфічної функціональної системи у них, ніж у осіб інших типологічних груп.

Міжгрупові відмінності у коливаннях УОК відмічені тільки у діапазоні дуже низьких частот. Найбільшою УЬБ була у тахіпноїків, меншою - у брадіпноїків, а найменшою - у нормопноїків.

Таким чином, при ортопробі різниці у структурі коливань гемодинаміки між представниками різних груп за частотою дихання у спокої деякою мірою нівелюються. В найбільшій мірі типологічні особливості за частотою дихання фізіологічних коливань гемодинаміки проявляються у спокої лежачи.

Амплітуда та хвильова структура коливань т-Я-Я у осіб ІІІ-ї групи при виконанні дозованого розумового навантаження має суттєві відмінності від представників інших груп (рис. 1).

висока ? середня И низька І

Рис. 1. Потужність коливань тривалості інтервалу Я-Я при розумовому навантаженні у стандартних частотних діапазонах в осіб різної типології дихання.

Примітка. * - р<0,05 між групами осіб із НЧД та ВЧД; & - р<0,05 між групами чоловіків із НЧД та СЧД

Брадіпноїки мали вірогідно вищий рівень УЬБ та ЬБ при відсутності відмінностей у ИБ. Тому і ИБ_П0іт у них було достовірно менше, ніж у тахіпноїків. Це свідчить про більший рівень симпатичної активації у них, оскільки у всіх чоловіків частота дихання була в межах високочастотного діапазону серцевого ритму. Цілком можливо, при розумовому навантаженні відбувається засвоєння ритму робочих рухів і цей ритм найближчий до звичної частоти дихальних осциляцій тахіпноїків. Тому і симпатична активація у них значно менша, ніж в осіб, котрі засвоюють незвичний їм ритм. Разом з цим, за об'ємом виконаної розумової роботи значущих відмінностей між різними групами не виявлено.

Це припущення підтверджується і результатами аналізу коливань УОК при розумовому навантаженні. Так, НР⁸\_0ГШ у тахіпноїків (71,73 [62,52; 83,18]%) не відрізнялась від її рівня у нормопноїків (78,73 [65,17; 84,48]%). В той же час цей показник був значуще меншим у брадіпноїків (65,67[50,1; 77,34]%) у порівнянні з особами середньої групи.

Таким чином, серед фізіологічних механізмів, які, ймовірно, є причиною відмінностей хвильової структури серцевого ритму в осіб із різним вихідним рівнем частоти дихання, можна виділити наступні:

1. Порівняно вищий рівень кровонаповнення органів грудної клітки в осіб із високою частотою дихання, що можна розцінювати як пристосування для більш ефективного газообміну в легенях внаслідок меншого рівня дихального об'єму в них;

2. Наявні відмінності у стані спокою в активності симпатичної нервової системи, яка може відображатись на частоті дихання. Крім того, аналіз реактивності на різні збурення за законом Вільдера про вихідні величини в осіб різних типологічних груп буде необ'єктивним;

3. Можливий різний рівень вуглекислого газу в крові чи різна чутливість дихального центру до нього. За літературними даними [12] ці фактори суттєво впливають на ВСР;

4. Резонансні зміни на частотах, на котрих зазвичай здійснюється дихання. Останнє характерно для осіб з низькою частотою дихання, у яких реалізація дихання здійснюється у діапазоні дії спонтанного барорефлексу. Навіть при переміщенні частоти дихання у інші діапазони будь-який вплив (приміром, функціонування барорефлексу) у звичному діапазоні дихання викликає резонансне збільшення хвиль серцевого ритму;

5. В осіб із високим вихідним рівнем частоти дихання індивідуальна варіативність тривалості спіроциклів суттєво вище, ніж в осіб інших типологічних груп. Отже, поряд із домінуючим рівнем тривалості спірокомплексу у них можуть відбуватись подовжені інтервали між вдихами. У літературі є дані [13], що у нормі на 15 звичайних спіроциклів може спостерігатись один подовжений. Таке пристосування, цілком вірогідно, слугує для додаткової вентиляції легенів.

Висновок