Вариабельность дыхания в норме и при функциональных нарушениях регуляции внешнего дыхания

Гришин, Виктор Григорьевич

Автореферат диссертации по теме "Вариабельность дыхания в норме и при функциональных нарушениях регуляции внешнего дыхания"

005006495

ГРИШИН

Виктор Григорьевич

ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ ДЫХАНИЯ В НОРМЕ И ПРИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НАРУШЕНИЯХ РЕГУЛЯЦИИ ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ

03.03.01 - Физиология,

- 8 ДЕК 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Новосибирск 2011

005006495

Работа выполнена в лаборатории физиологии дыхания Института физиологии СО РАМН и лаборатории биомедицинской информатики КТИ ВТ СО РАН.

Научный руководитель: доктор медицинских наук,

Гришин Олег Витальевич Научный консультант: доктор биологических наук,

Ратушняк Александр Савельевич

Официальные оппоненты: доктор медицинских наук,

вед. н.с. Власов Юрий Александрович, НИИПК им. ак.Мешалкина E.H., г. Новосибирск

кандидат биологических наук, вед. н.с. Лисачёв Павел Дмитриевич, Конструкторско-технологйческий институт вычислительной техники СО РАН, г. Новосибирск

Ведущее учреждение: Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации (ГБОУ ВПО СибГМУ Минздравсоцразвития России) — г. Томск.

Защита состоится «АЛ.»^g^aaJ^jg. 2011г. на заседании диссертационного совета Д 00L014.01 'при НИИ физиологии СО РАМН (630017, г.Новосибирск, ул. ак. Тимакова, 4, тел. 8 (383) 335 97 54, email: dissovet@physiol.ru)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ физиологии СО РАМН

Автореферат разослан « /V»

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

2011г.

^' Бузуева И.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Одним из фундаментальных свойств организма является функционирование систем в определенных ритмах, причем эти ритмы имеют собственную «ритмичную вариабельность» (Хакен, 2001; Флейшман, 2009; Naka-da, 2011). В биоритмах организма отражается взаимосвязь механизмов регуляции его функциональных систем. Следовательно, анализ вариабельности биоритмов дает возможность оценивать функциональное состояние системы в целом, особенно на этапах переходных состояний, когда происходят качественные изменения. Здесь имеется в виду не диагностика какой-либо конкретной патологии, а определение механизма, на уровне которого происходит изменение или нарушение регуляции дыхания. Респираторное ритмообразование у человека в значительной мере зависит от их психоэмоционального состояния, что обусловлено влиянием лимбической системы на деятельность дыхательного центра (Han, 1997; Vlemincx, 2011). Вместе с этим хорошо известно, что дыхательный ритм, как и паттерн дыхания (то есть структура каждого дыхательного цикла), формируется на основе ре-цепторной информации, получаемой от хемо- и механорецепторов, что позволяет центральному регулятору дыхания подбирать энергетически оптимальные режимы вентиляции легких (Бреслав, 1994; Van den Aardweg, 2002; Fiamma, 2007).

У человека в этом плане наиболее изучена вариабельность сердечного ритма, точнее, вариабельность временных интервалов между сердечными сокращениями (RR-интервалы). Спектральный анализ ритмограмм RR интервалов на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) позволил установить существование волновой модуляции сердечного ритма. При этом убедительно показано, что методы динамического анализа обработки биоэлектрических сигналов, по снижению вариабельности RR интервалов и, соответственно, падению определенной мощности спектра, позволяют диагностировать критическое состояние миокарда (Рабочая группа, 1999; Чуян, 2008). Установлено также, что у человека можно выделить четыре группы основных волновых пиков (Sayers, 1973). К первому относят высокочастотный спектр (HF-диапазон - от 0,15 до 0,4 Гц), который соответствует частоте дыхания. Далее следуют низкочастотный (LF - от 0,04 до 0,15 Гц), очень низкочастотный (VLF в диапазоне от 0,003 до 0,04 Гц) и ультранизкочастотный (ULF в диапазоне от 0,0001 до 0,003 Гц) спектры. Принято считать, что HF волны сопряжены с ритмом дыхания и меняются сообразно изменению частоты дыхания, хотя до сих пор нет единого мнения относительно физиологических механизмов этого явления (Рябыкина, 1998). В процессе исследования механизмов образования волн LF была разработана довольно стройная теория регуляции сердечного ритма, основан-

ная на принципе управления по отклонению со стороны симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы (Баевский, 1994; Чуян, 2008). Подстройка механизмов контроля включает в себя мониторинг гемодинамических параметров, а также поддержание оптимальных режимов сердечной деятельности (Akselrold, 1985; Saul, 1990). Наименее изученными остаются механизмы формирования волн «очень низкочастотного» (VLF - Very low frequency) спектра. На основе косвенных коррелятов построен ряд гипотез, которые связывают феномен VLF с регуляторными ритмами гипоталамуса и эндокринной системы (Чуян, 2008; Рябыкина, 1998), однако прямых доказательств существования «энергетического ритма» на уровне целостного организма пока нет. Кроме того, остается неизвестным, к какому типу волновых процессов (хаотическому или регулярному) следует относить эту периодичность.

В норме у здорового человека в состоянии относительного покоя регуляция энергетических процессов, происходит на основе принципов самоорганизации. Эти принципы, как правило, проявляются определенной ритмичной динамикой ряда «управляющих параметров» (Saul, 1990). Внешнее дыхание и органы кровообращения являются системами, обеспечивающими тканевое дыхание, поэтому характер их функционирования будет определяться динамикой энергетического запроса. Если это предположение верно, то следует ожидать, что интенсивность легочного газообмена, напрямую отражающая скорость потребления кислорода и, соответственно, величину энергетического запроса, будет иметь медленноволновую структуру, соответствующую VLF-диапазону с временным интервалом в пределах от 25 до 330 секунд. Другим доказательством могло бы служить отражение подобной вариабельности в паттерне дыхательного ритма. Однако до настоящего времени встречаются единичные работы, посвященные вариабельности показателей спирометрии, в которых обнаружен медленноволновой характер параметров легочной вентиляции (Modarreszadeh , 1990; Bruce, 1996). При этом большинство исследователей считают, что в основе вариабельности параметров внешнего дыхания лежит механизм оптимального поддержания pH и напряжения С02 в артериальной крови, а механизм подстройки вентиляции легких реализуется путем автоматического управления по принципу обратной связи на уровне центрального регулятора дыхания (Bruce, 1996; Brett, 2002; Vle-minex, 2011).

Дыхание - процесс периодический, колебательный и по своей природе имеет определенное сходство с механическими колебательными процессами в таких характеристиках, как частота и амплитуда. Следовательно, по аналогии с методами технической диагностики, где уже достаточно долго основным способом получения диагностической информации является не анализ формы колебаний, а анализ их спектрального состава, можно предположить, что и в физиологии дыхания

возможно применение исследования с помощью спектрального анализа. В современной функциональной диагностике легких ни один из традиционных методов исследования дыхания не использует оценку функции дыхания с применением спектрального анализа. В то же время применение этих методов обеспечивает высокую информативность и достоверность мониторинга различных механизмов, повышает оперативность обследования. Это обусловило постановку задачи применения апробированных в технике методов мониторинга применительно к методам и средствам анализа различных процессов в человеческом организме, а особенно дыхания.

Решение этих проблем в значительной мере ограничено из-за сложной и не до конца понятной организации регуляции дыхания, в основе которой лежит фактически двойной тип управления - произвольный и непроизвольный, осуществляющийся через независимые нервные пути (Сафонов, 2003; Бреслав, 2007). Одним из подходов для изучения функциональных и патологических нарушений этих процессов может быть, так же как и в кардиологии, исследование ритмов дыхания. Однако современные методы исследования функции внешнего дыхания не позволяют проводить подобный анализ. До сих пор не решена техническая проблема накопления данных для полноценного анализа респираторных ритмов. Широко распространенный механографический метод записи дыхания с помощью одного или двух тензодатчиков, закрепляющихся в виде пояса на грудной клетке, не может использоваться для оценки вариабельности дыхания из-за низкой точности определения продолжительности дыхательного цикла. Мы полагаем, что для этих целей необходимо использовать методы, непосредственно контролирующие вентиляционную функцию, такие как капнография или пневмография. Причем продолжительность исследования, в зависимости от задач спектрального анализа, должна обеспечивать накопление данных в течение 5-30 минутного периода. Фрагментарные исследования, выполненные в этом направлении, в частности с использованием метода "breath-by-breath", уже позволяют в какой-то мере оценить значение спектров дыхательных ритмов (Modarreszadeh, 1990; Caminal et al., 2004), однако эти исследования носили поисковый характер без какой-либо определенной диагностической задачи. В связи с вышеизложенным, были сформулированы цель и задачи настоящей работы.

Цель исследования

Изучить особенности паттернов дыхания с использованием различных методов анализа респираторных ритмов у человека в норме и при функциональных нарушениях регуляции дыхания.

Задачи исследования

1. Разработать метод высокоточной регистрации внешнего дыхания для спектрального анализа дыхательных ритмов.

2. Исследовать механизмы формирования периодических изменений показателей вентиляционной функции и легочного газообмена.

3. Изучить временные характеристики паттерна дыхания в норме, и у лиц с психогенной одышкой.

4. Исследовать спектральные характеристики дыхания при психогенной одышке и дыхательной недостаточности в сравнении с нормой.

Научная новизна

1. Впервые доказана ритмичная динамика газообменной функции внешнего дыхания в УЬР-диапазоне с периодом колебаний в пределах от 1 до 5,5 минут. Результаты исследования основаны на анализе спектров скорости потока по пневмограмме и показателей легочного газообмена, которые были получены двумя разными методами исследования в течение 30-минутных временных интервалов. Стабильный характер медленных колебаний показателей вентиляции и легочного газообмена указывает на особый, самостоятельный механизм их формирования. Наиболее вероятно, что медленноволновая динамическая периодичность параметров легочного газообмена отражает процесс синхронизации осцилляторов с несоизмеримыми частотами, когда доминирует двухчастотная периодичность. Если первый осциллятор представлен хеморецепторным механизмом регуляции внешнего дыхания, то природа второго осциллятора остается неизвестной. Устойчивая периодическая динамика показателей энергетического запроса (потребления кислорода и выделения С02) указывает на то, что именно энергетические процессы формируют другой (или другие) осцилляторы периодических процессов.

2. Установлено, что в основе психогенной одышки лежат физиологические механизмы адаптации регуляции дыхания, обеспечивающие автоматизм дыхания, с одной стороны, и механизмы взаимодействия центрального регулятора дыхания и корковых структур, с другой. Нарушение взаимодействия различных уровней управления дыханием отражается в смещении уставки по С02 в сторону гипокапнии, учащении дыхания, а также в нарастании «аритмичности» дыхательных циклов. Причем, все эти изменения могут быть установлены с помощью метода капнографии и пневмографии.

Научно-практическая значимость

1. Разработан метод, позволяющий выполнять высокоточные измерения медленных воздушных потоков при регистрации вентиляции легких, обеспечивающие спектральный анализ паттернов дыхания.

2. На основе изучения вариабельности дыхания и результатов спектрального анализа дыхательных ритмов определены наиболее информативные показатели для объективной диагностики психогенной одышки.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанный метод высокоточной регистрации внешнего дыхания для спектрального анализа дыхательных ритмов обеспечивает проведение спектрального анализа паттернов дыхания у человека. Метод реализован с помощью разработанного устройства «Пневмосет» на основе термосенсорных датчиков и программного обеспечения для записи и обработки пневмо-грамм в реальном режиме времени

2. Скорость энергетических процессов в организме человека характеризуется медленно волновой вариабельностью, которая совпадает с вариабельностью дыхательного ритма. Медленоволновая динамическая периодичность параметров легочного газообмена отражает процесс синхронизации осцилляторов с несоизмеримыми частотами. Наиболее вероятно, что первый осциллятор представлен хеморецепторным механизмом регуляции внешнего дыхания. Природа второго осциллятора остается неизвестной. Учитывая тот факт, что скорость потребления кислорода и выделения С02 являются функцией энергетического запроса, можно полагать, что именно энергетические процессы формируют другой (или другие) осцилляторы периодических процессов.

3. Паттерн дыхания при психогенной одышке характеризуется гипо-капнией, учащением дыхания и дыхательной аритмией. В основе учащения дыхания и увеличения вариабельности респираторного ритма лежит нарушение регуляции по отклонению на уровне центрального регулятора дыхания, которое имеет психогенное (эмоциональное) происхождение.

4. Спектральный анализ вариабельности дыхания может быть использован в качестве объективного метода для дифференциальной диагностики психогенной одышки и дыхательной недостаточности.

Апробация материалов диссертации

Основные результаты диссертации обсуждены на всероссийских и международных конгрессах: Всероссийской конференции «Актуальные проблемы здравоохранения Сибири» (Ленинск-Кузнецкий, 1998); Х-ой научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной медицины» (Новосибирск, 1999); ГУ-ом съезде физиологов Сибири (Новосибирск, 2002); Молодёжной научно-практической конференции (Новосибирск, 2004); Всероссийской научно-практической конференции «Санаторно-курортное лечение: фундаментальные, прикладные и организационные аспекты» (Новосибирск, 2007); Международной конференции: "Новые технологии в экспериментальной биологии и медицине" (Ростов-на-,2007); I

7

Межрегиональной научно-практической конференции «Психосоматические и пограничные нервно-психические расстройства в детском и подростковом возрасте» (Новосибирск, 2008); VI Сибирском физиологическом съезде (Барнаул, 2008); ШЕЕ REGION 8- International conference on computational technologies in electrical and electronics engineering "SIBIRCON- 2008", (Novosibirsk, Russia, 2008); IX международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2008» (Новосибирск, 2008); XXI Всероссийском съезде физиологов (Калуга, 2010); Всероссийском конгрессе «Психосоциальные факторы и внутренние болезни» (Новосибирск, 2011). Исследования поддержаны грантами РГНФ «Психологические нарушения и функциональные дыхательные расстройства в детском возрасте», проект № 08-06-00024а/

Публикации

По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 10 статей в реферируемых научных журналах, включенных в список ВАК.

Структура и объем диссертации

Содержание диссертации изложено на 102 странице печатного текста. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания использованных в работе материалов и методов, главы результатов исследования, обсуждения, выводов, указателя цитируемой литературы. Работа иллюстрирована 24 таблицами и 15 рисунками. Библиографический список включает 61 отечественных и 72 зарубежных источников.

Личный вклад автора

Весь материал, представленный в диссертации, получен, обработан и проанализирован автором.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Контингент обследуемых больных к здоровых

Исследование проведено у 106 здоровых - мужчин (79 человек) и женщин (27 человек) в возрасте от 20 до 63 лет и у 30 пациентов (12 мужчин и 18 женщин) в возрасте от 18 до 64 лет с основным клиническим диагнозом -психогенная одышка. Основанием для диагноза служили данные функциональной диагностики системы внешнего дыхания и системы кровообращения, отражающие функциональную норму, а также жалобы на чувство дыхательного дискомфорта (неполноценный вдох, частые вздохи и т.д.), которое проходило при циклической физической нагрузке. Диагноз психогенной одышки (ПО) ставился врачом-терапевтом после исключения патологии органов дыхания и кровообращения. Исследование методом пневмографии проведено у 15 здоровых - мужчин (9 человек) и женщин (6 человек) в возрасте от 20 до 53 лет, у 14 пациентов (5 мужчин и 9 женщин) в возрас-

8

те от 40 лет до 76 лет с основным клиническим диагнозом хронический бронхит или бронхиальная астма в стадии ремиссии в сочетании с дыхательной недостаточностью 0-1 степени (ДН-0, ДН-1). Основанием для диагноза служили данные истории болезни или выписки из истории болезни.

Методы исследования паттернов дыхания

Паттерн дыхания изучали методом капнографии. Для этого использовали соединенный с компьютером медицинский капнометр «Микон» (производство ЗАО «Ласпек», Россия).Определялись концентрация С02 в конечной порции выдыхаемого воздуха в об. % (FctC02) и частота дыхания (f). По каждому циклу автоматически рассчитывалось отношение времени выдоха к общему времени дыхательного цикла (Rcoz)- Запись капнограммы длилась от 3 до 5 минут, поэтому для индивидуального анализа использовались средние величины показателей, которые рассчитывались автоматически. Дополнительно рассчитывался показатель CVRco2 - как коэффициент вариации, выраженный в процентах для Rco2, по формуле:

CVRco2 = SD/M *100%,

где SD - среднеквадратичное отклонение, М - средняя величина Rco2. Показатель CVRco2 позволял оценивать «аритмичность» дыхания. Также рассчитывали коэффициент Фрида (Кф) - отношение f к FetC02 (Fried, 1987) и предложенный нами «коэффициент психогенной одышки» (Кпо), рассчитываемый по формуле:

Кпо = (CVRc02 * 0 / FetC02

Паттерн дыхания изучали методом пневмографии. Для этого использовали соединенный с компьютером прибор Pneumoset (производство ООО ДСС, Россия) для определения воздушного потока. Пневмограмма записывалась с частотой 50 Гц в течение 5 минут или 30 минут, в зависимости от поставленной задачи. Для записи и анализа пневмограммы использовалось программное обеспечение Pneumoset Pro (разработка ООО ДСС).

Датчик потока представляет термосенсор NTC 833 (производство HIGROSENS Instruments, инерционность - 0,7 с) заключённый в мундштук-специальный формирователь потока. Регистрация пневмограммы производилась шестнадцатиразрядным АЦП каждые 20 мс. Для записи и анализа пневмограммы использовалось программное обеспечение «Pneumoset Pro» (разработка ООО ДСС, Россия).

Регистрацию параметров легочного газообмена за каждый дыхательный цикл проводили на метаболографе Ultima PFX (США) в течении 30 минут . Дыхание осуществлялось через лицевую маску. Спектральный анализ динамики значения измеряемого параметра был проведен по следующим показателям: FetC02 - концентрация углекислого газа в конечной порции выдоха; VC02 - выделение углекислого газа; V02 - потребление кислорода; Ve - минутный объём дыхания; Vt - дыхательный объём. Кроме

того, проводился спектральный анализ вариабельности временных интервалов между дыхательными циклами (Тдц), являющихся обратной величиной частоты дыхания - £

Для анализа вариабельности показателей внешнего дыхания в Уи диапазоне (0,003 - 0,0075 Гц) сначала проводили запись пневмограммы в течение 30 минут (РпеишоБеО, а затем без перерыва в течение 30 минут регистрировали параметры легочного газообмена и вентиляции методом «ЬгеаЛ-Ьу-ЬгеаШ» (оксиспирометрия, РРХ). Спектры показателей пневмограммы строились методом быстрого преобразования Фурье (БПФ) с окном 65636 отсчётов и шириной спектральной полосы 0,003 Гц. Анализу подвергалась область спектра в в Уи диапазоне. По спектру определялась частота основной гармоники пневмограммы в области сверхнизких частот. Для параметров вентиляции (Тд.ц., Уе, У0 и легочного газообмена (У02, УС02), полученных методом «ЬгеаЛ-Ьу-ЬгсаЛ», стоились спектры (БПФ) с окном 1024 отсчёта и шириной спектральной полосы 0,003 Гц. По спектрам определялась амплитуда и частота максимума в Уи диапазоне.

Спектральный анализ проводили с помощью программного пакета РотеегСгарЬ у.З.З (В18ой, Россия) по данным капнографии, пневмографии. Спектр строился методом БПФ с окном 4096 отсчётов и шириной спектральной полосы 0,025 Гц. Затем спектр нормировали по максимуму (по амплитуде основной гармоники, которая соответствует частоте дыхания, принятой за 100%). Для облегчения анализа весь спектр мощности был раздел на три частотные области.

Таким образом, в область дыхания попадают основные гармоники для всех испытуемых в группе. Учитывая такое деление, рассчитывалась общая мощность спектра как сумма амплитуд всех гармоник, мощность НЧ спектра как сумма амплитуд НЧ гармоник и мощность ВЧ спектра как сумма амплитуд ВЧ гармоник спектра для каждого пациента. Затем производилось сравнение групп здоровых и больных отдельно по общей мощности спектра, мощности НЧ и ВЧ спектров.

Статистическая обработка данных

При статистическом анализе динамики количественных показателей использовали парный /-критерий Стъюдента, а для сравнения между группами - непарный /-критерий Стьюдента. Учитывая малочисленность выборки и отсутствие нормального распределения в ряде выборках, для проверки достоверности различий между группами использовали непараметрические критерии статистики (Гублер и др. 1973), а именно, ГГ-критерий Манна-Уитни. Достоверными считали различия при р<0,05. Разброс данных в работе представлен в виде стандартного отклонения.

Дизайн исследований

Весь цикл исследований разделён на два больших блока - исследование медленноволновой вариабельности (в диапазоне 0,003 - 0,007 Гц) параметров вентиляции и лёгочного газообмена у здоровых (блок 1), и исследование паттернов дйхания в норме (у здоровых) и при нарушениях регуляции внешнего дыхания (блок 2). Для реализации первого блока исследований был разработан датчик воздушного потока (Рпештюзе!), позволяющий регистрировать пневмограмму (дыхание) человека с высокой точностью. Мед-ленноволновая вариабельность вентиляции регистрировалась двумя методами: методом пневмографии 30 минут (вариабельность частоты дыхания), метод оксиспирометрии 30 минут по параметрам вариабельности времени дыхательного цикла и дыхательного объёма.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Разработка нового метода для высокоточной регистрации медленных

воздушных потоков

Для экспериментов автором были разработаны аппаратные и программные средства для определения мгновенной скорости воздушного потока (пневмограммы) вдыхаемого/выдыхаемого воздуха (рисунок 2). Комплекс состоит из скоростного датчика дыхания (быстродействие 0,7 с), электронного блока для обработки сигнала пневмограммы, и программного обеспечения для записи, воспроизведения и отображения на экране компьютера сигнала пневмограммы. На рисунке 1 представлена блок-схема комплекса и вид экрана программы. Проведённые исследования показали, что пневмография, получаемая с помощью термосенсорных датчиков для высокоточных измерений медленных воздушных потоков при регистрации вентиляции легких, обеспечивает спектральный анализ паттернов дыхания.

Скоростной датчик

потока (с температурной компенсацией)

Электронный блок

Усилитель

фильтр

реобраэозатеш U-F

Рисунок 1 - Блок-схема комплекса «Pneumoset».

Исследование медленноволновой вариабельности параметров вентиляции и лёгочного газообмена у здоровых

Анализ показателей пневмографии

Анализ вариабельности скорости потока по 30-минутным пневмограм-мам методом БПФ обнаружил две группы основных пиков (рисунок 2). Первый - в диапазоне 0,2 - 0,3 Гц (временной диапазон - 3-5 сек), что полностью соответствует частоте дыхания (f), величина которой у обследованных варьировала от 12 до 20 в минуту. Второй - в диапазоне 0,002 - 0,0075 Гц, что соответствует VLF диапазону. Таким образом, временной период обнаруженных циклов находился в пределах от 185 до 435 секунд. Среднее значение максимальной амплитуды в VLF-диапазоне составило 19,5±17,4 % от основной гармоники, а средняя частота 4,09 ±1,12 Гц*10"3, что соответствует 4-х минутному периоду.

Спектр пневадогр-а ммы

Частот», Гц

Рисунок 2 - Два пика на спектре пневмограммы, полученные при спектральном анализе методом быстрого преобразования Фурье.

Анализ показателей вентиляции и легочного газообмена

На первом этапе был проведен анализ вариабельности дыхания по показателю Тдц, который регистрировался при исследовании на метаболо-графе с использованием метода «ЬгеаШ-Ьу-ЬгеаШ». Среднее значение частотного диапазона, в которой располагались пиковые значения амплитуд, составил 5,16 ± 1,73 Гц*10"3. Таким образом, временное значение цикла по данным анализа Тдц в среднем составляет около 3-х минут. Несмотря на некоторое отличие от данных, полученных при пневмографии (4,09 ± 1,12 статистическое сравнение (и-критерий Манна-Уитни) достоверных различий по расположению пиковых значений не выявило.

На втором этапе был проведен анализ параметров легочного газообмена. На рисунке 3 представлен короткий отрезок 30-минутной записи, где отражена динамика интенсивности поглощения кислорода (УСЬ) и скорости выделения углекислого газа (УСОг) у одного из обследованных в течение 6 минут.

-402 — V С02

400 -| 300 -| 200 -2 100 J

1 2 3 4 5 6 Время, мин

Рисунок 3 - Пример индивидуальной динамики потребления кислорода (У02) и выделения С02 (УС02) у здорового мужчины 35 лет.

Обращает внимание определенная динамическая периодичность, или вариабельность, этих параметров, имеющая цикличность в пределах 3-х минут, что соответствует УЬР диапазону. Для установления закономерного характера данной динамики, был проведен спектральный анализ вариабельности значений основных параметров легочного газообмена. По всем исследуемым параметрам (РеСОг, У02, УС02, Уе, V,) были обнаружены области спектральных пиков в тех же диапазонах, которые определялись при спектральном анализе величины скорости потока по пневмограмме, а также величины Тдц при исследовании на метаболографе. Все эти зоны располагались в УЬР-диапазоне.

Сопоставление результатов анализа пневмографии и газообмена

В таблице 1 представлены средние значения частотных характеристик пиковых значений для всех анализированных параметров. Это сопоставление позволяет оценить достоверность совпадения спектральных характеристик в медленноволновом диапазоне для всех исследованных параметров. Нетрудно заметить, что максимум пиков располагается фактически в одном диапазоне.

Таблица 1. Средние значения (М ± БО) частотных характеристик (Гц.Ю"3) расположения пиковых значений спектра для показателей легочного газообмена и пневмографии. * - отличие от результатов по пневмографии достоверно, р<0,05.

Вариабельность показателей легочного газообмена Частота вариабельности Тдц Частота вариабельности {

РеС02 6,24 ±3,73 5,16 ± 1,73 4,09 ± 1,12

УС02 5,65 ±2,80

У02 6,53 ± 2,60 *

Уе 5,66 ± 2,76

VI 5,75 ± 2,98

Можно заключить, что исследования с использованием двух независимых методов, проведенные к тому же в разный период времени, продемонстрировали ритмичную динамику газообменной функции внешнего дыхания в УЦ7-диапазоне с периодом колебаний в пределах от 1 до 5,5 минут. Анализ результатов позволяют сделать предположение об устойчивом характере выявленного волнового процесса, который объединяется одним набором управляющих механизмов.

Исследование паттернов дыхания в норме и при нарушениях регуляции внешнего дыхания

По пятиминутным записям капнограмм, для группы Здоровые и ПО, измерялись показатели частоты дыхания £ концентрации углекислого газа в конце выдоха и рассчитывались Кф, д.ц/%, Ясо2, СУКсоз, %, Кпо, д.ц/%. В таблице 2 представлены результаты сравнения. Первый параметр в таблице - концентрация С02 в конце выдоха или Ре(С02 отражает наличие гипервентиляции, которая часто встречается при ПО. Закономерно, что по этому показателю группы отличаются. У здоровых Ре1С02 соответствует норме, а в группе ПО - ниже нормы (норма 4.5 %). ПО сопровождается более частым дыханием. Однако более выраженное различие между группами наблюдается при сравнении коэффициента вариации показателя ЯС02, отражающего структуру дыхательного цикла. Это означает, что ПО характеризуется неустойчивым дыхательным ритмом. Этот показатель мы условно назвали «аритмичностью дыхания». Таким образом изменение паттерна дыхания при психогенной одышке характеризуется повышением частоты дыхания и увеличением вариабельности временных характеристик дыхательного цикла. Очевидно, эти изменения не зависят от гипервентиляционных нарушений.

Таблица 2. Сравнение измеренных и расчетных показателей капнографии у здоровых и лиц с клиническим диагнозом психогенной одышки (М ± БР).

Показатели Здоровые, Лица с ПО, Соотношение Р=

п=106 п=30 ПО/Здоровые

РегС02, об. % 5,24 ± 0,36 4,07 ± 0,47 0,78 0,000

Г, д.ц./мин. 14,3 ±3,74 17,9 ±4,50 1,25 0,000

Кф, д.ц/% 2,76 ± 0,78 4,48 ± 1,35 1,62 0,000

Ясо2 0,64 ± 0,07 0,65 ± 0,03 1,01 0,643

СУИсо2, % 8,91 ±2,16 12,7 ±3,14 1,42 0,000

Кпо, д.ц/% 24,6 ±8,9 54,6 ± 14,6 2,22 0,000

Результаты спектрального анализа методом БПФ

С целью изучения особенностей спектральных характеристик дыхания при функциональных нарушениях регуляции внешнего дыхания был проведен спектральный анализ методом БПФ капнограмм у 15 здоровых, 14 лиц с диагнозом психогенная одышка без признаков нарушения функции внешнего дыхания и кровообращения, а также у 13 больных хроническим бронхитом и бронхиальной астмой в стадии ремиссии с клиническими признаками дыхательной недостаточности 0-1 степени. Дополнительно был проведен сравнительный анализ пневмограмм у здоровых и больных с ДН. Для спектрального анализа паттерна дыхания использовались пятиминутные записи капнограммы (60 - 80 дыхательных циклов) с квантованием по времени 0,05 с, а для пневмограмм - с квантованием 0,02 с. Ширина спектральной полосы для графического анализа составляла 0,025 Гц.

Сравнение здоровых и группы ПО

Проводили построение спектрограмм с подсчётом площади спектра в выделенных низко- и высокочастотных диапазонах. Анализ был нацелен на поиск достоверных различий между спектрами здоровых и лиц, имеющих ПО, здоровых и больных с ДН, а так же различия между группой больных ПО и больных с ДН.

Таблица 3. Уровень статистической значимости, определённый по II-критерию Манна-Уитни для групп Здоровые и ПО. * - р<0,05

Спектр капнограммы

Общая мощность спектра (Р0бЩ) р=0,0045*

Мощность НЧ спектра (Рнч) р=0,0012*

Мощность ВЧ спектра (Рвч) р=0,0495*

Было обнаружено, что во всех частотных областях мощность спектра в группе ПО достоверно выше, чем в группе здоровых (р<0,05), причём величина различия была многократной: Робщ По > Робщ.норма в 2 раза, РНч по > Рнч.норма в 5 раз, Рвч по > Рвч.норма в 4 раза. Статистический анализ показал, что здоровые и больные ДН не имеют достоверных различий во всех областях спектра.

Таблица 4. Уровень статистической значимости, определяемый по и-критерию Манна-Уитни для групп ПО и ДН._

Спектр капнограммы

Общая мощность спектра р=0,1742

Мощность НЧ спектра р=0,0191*

Мощность ВЧ спектра р=0,1094

По общей мощности спектра различие между группами не достоверно. В то же время в низкочастотной области спектра его мощность в группе ПО достоверно выше (р<0,05) чем в группе больных ДН. В высокочастотной области спектра различие между группами не достоверно.

Выводы

1. Пневмографический метод высокоточных измерений медленных воздуш-

ных потоков при регистрации вентиляции легких, обеспечивает спектральный анализ паттернов дыхания.

2. Анализ спектров скорости потока (по пневмограмме) и показателей ле-

гочного газообмена (при исследовании на метаболографе) указывает на то, что в респираторном ритмообразовании участвуют механизмы, формирующие ритмичную динамику газообменной функции внешнего дыхания в VLF-диапазоне с периодом колебаний в пределах от 1 до 5,5 минут.

3. Одним из информативных показателей психогенной одышки является

комплексный параметр, учитывающий три типа изменений паттерна дыхания: снижение концентрации С02 в конце выдоха (снижение FetC02), учащение дыхания и нарушение его ритма, который можно выразить через коэффициент вариации одной из временных характеристик дыхательного цикла.

4. Сравнительный спектральный анализ показал, что у здоровых и больных

с дыхательной недостаточностью 0-1 степени дыхательный ритм не имеет достоверных отличий. В то же время эти группы достоверно отличаются от больных с психогенной одышкой. Так, общая мощность спектра при психогенной одышке выше в 2 раза, чем у здоровых, в 6 раз выше в низкочастотной области спектра и в 4 раза выше в высокочастотной области. При этом у больных с дыхательной недостаточностью мощность спектра в низкочастотном диапазоне ниже в 3 раза, чем у больных с психогенной одышкой.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Grishin О.V. Capnography as a biocontrol method in hyperventilation syndrome diagnostics and therapy / Grishin O.V., Zubkov A.A., Grishin V.G. // Surfing the Wave of Technology - San Diego. - 1997. - P. 183 - 186.

2. Гришин О.В., Гришин В.Г., Зубков A.A. Клиническое применение капно-графии в биоуправлении для диагностики и лечения гипервентилляционного синдрома. БИОУПРABЛЕНИЕ-3 : ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА. Новосибирск, 1998 г. С. 123-129.

3. Гришин О.В., Гришин В.Г., Зубков A.A. Капнография в биоуправлении для диагностики и лечения гипервентилляционного синдрома. Материалы IV международной научно-техническая конференции АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ АПЭП-98 по секции "Медицинская электроника" Новосибирск, 23-26 сентября 1998 г. т.5. С.21-22.

5. Гришин О.В., Гришин .В.Г., Грошев Д.Е., Евтушенко М.И., Макуха В.К., Степанов C.B. Спирометаболический комплекс для определения энерготрат у человека при низкой интенсивности обмена в покое. Материалы VI международной конференции « Актуальные проблемы электронного приборостроения - АПЭП- 2002», том V, Медицинская электроника, Новосибирск, 23-26 сентября, 2002, С. 84-89.

6. Гришин О.В., Гришин .В.Г., Грошев Д.Е., Евтушенко М.И., Макуха В.К., Степанов C.B. Возвращение в клиническую медицину непрямой калориметрии как метода измерения энерготрат организма. Материалы XXII Международной научно-технической конференции: «Проблемы электроники» 11-13 июня. 2002, г. Киев, Украина, Электроника и связь 2002, №15 С. 17-18.

7. Гришин О.В., Гришин В.Г., Евтушенко М.И., Зубков A.A. Коррекция гипервентиляционного синдрома с использованием БОС капнографии на основе формирования игровой доминанты у детей школьного возраста, больных бронхиальной астмой. Биоуправление-4. Теория и практика под ред. М.Б. Штарка и М. Шварца, Новосибирск 2002, С.216 -220.

8. Гришин О.В., Гришин В.Г., Евтушенко М.И., Эффективность использования компьютерных игр в лечении дыхательных расстройств у больных бронхиальной астмой. Тез. докл. 4 съезда физиологов Сибири и Дальнего Востока, Новосибирск 2002, С.85.

9. Гришин О.В., Зинченко М.И., Гришин В.Г. Отдалённые результаты коррекции дыхательных расстройств с применением игрового компьютерного биоуправления. Тезисы докладов всероссийской научно-практической конференции «Санаторно-курортное лечение: фундаментальные, прикладные и организационные аспекты». Новосибирск, Консилиум, 2007, №4, С.89.

10. Зинченко М.И., Гришин В.Г., Гришин О.В. Биоуправление в коррекции гипервентиляционного синдрома при астме у детей. Тезисы докладов XX съезда физиологического общества им. И.П. Павлова. М. 2007, С. 238-239.

11. О.В. Гришин, В.Г. Гришин, М.И. Зинченко, Е.В. Парамошкина, Эффективность игрового биоуправления при бронхиальной астме у детей. Отдаленные результаты. Материалы международной конференции: "Новые технологии в экспериментальной биологии и медицине" в г.Ростов-на-Дону (Россия) 10-12 октября 2007.

12. Гришин О.В., Гришин В.Г., Зинченко М.И., Зубков A.A. Патент на Способ лечения дыхательных расстройств у больных с патологией кардиореспира-торной системы. Решение ФИПС о выдаче патента на изобретение от

26.06.2007. С.12.

13. Басалаева С.В, Гладырь С.Н., Уманцева Н.Д, Гришин В.Г. Реакции системы транспорта кислорода на гипоксию. Тезисы докладов VI Сибирского физиологического съезда 25-27 июня, Барнаул, 2008, т.1, С. 102.

14. Гришин В.Г., Гришин О.В., Зинченко М.И., Парамошкина Е.В. Патогенетические и психосоматические аспекты терапии методом респираторного биоуправления. Материалы I Межрегиональной научно-практической конференции «Психосоматические и пограничные нервно-психические расстройства в детском и подростковом возрасте» Новосибирск, 2008, С.94.

15. Grishin O.V., Grishin V.G., Zinchenko M.I. The Application of Pneumography for BFB Treatment of Astma. Proceedings IEEE REGION 8- International conference on computational technologies in electrical and electronics engineering "SIBIRCON- 2008", Novosibirsk, Russia, July 21-25, 2008, P. 225-226.

16. Гришин В.Г., Гришин О.В., Зинченко M.И. Новый метод респираторного биоуправления на основе пневмограммы. Материалы IX международной конференции актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2008. t.V, 24-26.9.2008 С. 102-103.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В РЕФЕРИРУЕМЫХ НАУЧНЫХ ЖУРНАЛАХ, ВКЛЮЧЕННЫХ В СПИСОК ВАК

1. Гришин В.Г., Гришин О.В., Зубков А.А., Красноборова М.В. Клиническое применение капнографии в биоуправлении для диагностики и лечения гипервентиляционного синдрома. Бюллетень СО РАМН, №1 (91), март, 1999 г. С. 55-59.

Гришин О.В., Гришин О.В., Гультяева В.В. Зинченко М.Н. Влияние дыхательного тренинга, основанного на БОС-капнографии сочетании с компьютерными играми, на состояние здоровья у детей- астматиков. Рос. Физиол. Журн. им. Сеченова, 2004, т.90, №8, ч.1 , С. 514.

Гришин О.В., Гришин В.Г., Гультяева В.В., Зинченко М.И. Эффективность биологической обратной связи в коррекции дыхательных расстройств у детей с бронхиальной астмой. Бюлл. Сибирской медицины, том 4, 2005, пр. 1, С. 43.

Гришин О.В., Зинченко М.И., Гришин В.Г. Отдаленные результаты коррекции гипервентиляционного синдрома методом респираторного биоуправления при астме у детей. Бюлл. СО РАМН, 2007, №3, С.103-108. Гришин О.В., Макуха В.К., Гришин В.Г., Басалаева C.B., Устюжаиинова Н.В., Уманцева Н.Д. Опытно-конструкторская разработка «Оксив-дельта» для функциональной диагностики газообменной функции легких. Медицин-скае техника. 2007, Т.Нюль-Авг.(4), С.51-53.

Grishin О. V., Makukha V. К., Grishin V. G., Basalaeva S. V., Ustyuzhaninova N. V., Umantseva N.D. Oksiv_Delta Preproduction System for Functional Diagnosis

of the Gas Exchange Function of Lung., Biomedical Engineering, 2007, Vol. 41 No. 4, P. 198-200.

7. Гришин О.В., Парамошкина Е.В., Зинченко М.И., Гришин В.Г., Устюжани нова Н.В. Психологический статус и дыхание у детей с психосоматическо патологией. Бюлл. СО РАМН, 2009, №6, С.67-72 .

8. Гришин О.В., Парамошкина Е.В., Гришин В.Г. Респираторное биоуправле ние в коррекции функциональных дыхательных расстройств у детей с психо соматической патологией. Бюлл. СО РАМН, 2010, №6, С. 24-28.

9. Гришин О.В., Устюжанинова Н.В., Басалаева C.B., Уманцева Н.Д., Музычен ко JI.M., Гришин В.Г. Критерии переходных состояний от нормы к хрониче ской легочной патологии. Бюлл. СО РАМН, ТОМ 30, № 4, 2010. С. 87-94.

10. Гришин О.В., Басалаева C.B., Уманцева Н.Д., Устюжанинова Н.В., Гриши В.Г., Митрофанов И.М. Увеличение скорости выделения со2 в покое npi кратковременной гипоксии у здоровых людей. ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА 2011, том 37, №4, С. 1-7.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БПФ - быстрое преобразование Фурье

HF - высокочастотный диапазон

LF - низкочастотный диапазон

VLF - очень низкочастотный диапазон

ULF - ультранизкочастотный диапазон

pH - уровень кислотности

С02 - углекислый газ

о2 - кислород

МОД - минутный объем дыхания

цнс - центральная нервная система

дц - дыхательный центр

дн - дыхательные нейроны

Ра02 - парциальное напряжение кислорода в артериальной крови

РФ - ретикулярная формация

снч - сверхнизкая частота

ГВС - Гипервентиляционный синдром

РаС02 - парциальное напряжение углекислого газа в артериальной

крови

ДО - дыхательный объём

АТФ - Аденозина трифосфат

ПО - психогенная одышка

ВДР - вариабельность дыхательного ритма

ЭКГ - электрокардиограмма

HRV - Heart Rate Variability

РДП - регистрация дыхательных паттернов

MARM - Manual Assessment of Respiratory Motion

ДН - дыхательная недостаточность

FetC02 - концентрация C02 в конце выдоха

RC02 - время выдоха по капнографии С02

CVRco2 - коэффициент вариации, выраженный в процентах для Rco2

Кф - коэффициент Фрида

Кпо - коэффициент психогенной одышки

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

Vt - дыхательный объем

Ve - объем легочной вентиляции в минуту

f - частота дыхания за минуту

VC02 - выделение углекислого газа

V02 - потребление кислорода

Тдц - продолжительность дыхательного цикла

ЧД - частота дыхания

Твд - длительности вдоха

Твыд - длительности выдоха

Пвд - длительность паузы на вдохе

Пвыд - длительность паузы выдоха

ВСР - вариабельность сердечного ритма

ЧСС - частота сердечных сокращений

НЧ - низкие частоты

ВЧ - высокие частоты

Сдано в набор 17.09.11. Подписано в печать 17.11.11. Формат 60x84 /16. Гарнитура Times. Заказ № 560. Тираж 100 шт. Бумага офсетная.

Отпечатано в типографии «Издательский дом «Манускрипт» 630060, г. Новосибирск, ул. Зеленая горка, 1. тел./факс: (383) 3064181, www.manu-nsk.ru

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Гришин, Виктор Григорьевич

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Регуляция дыхания

1.2. Ритмообразование в дыхательном центре

1.3. Кортикальная регуляция дыхания

1.4. Вариабельность дыхания

1.5. Дыхательные ритмы при функциональных нарушениях регуляции дыхания

1.5.1. Гипервентиляционный синдром (ГВС)

1.5.2. Изменения дыхательного паттерна при психогенной отдышке

1.6. Методы анализа дыхательного ритма

1.6.1. Методы статистического анализа дыхательного ритма

1.6.2. Временной анализ

1.6.3. Гистографический анализ

1.6.4. Спектральный анализ (метод Фурье-преобразований)

1.6.5. Вейвлет-анализ

1.7. Современные методы регистрации дыхательных паттернов

Глава 2. Материалы и методы исследования.

2.1 Контингент обследуемых больных и здоровых

2.2 Метод исследования паттернов дыхания по капнографическим параметрам 2.2.1 Капнография

2.2.2. Пневмография

2.2.3. Исследование легочного газообмена

2.3 Спектральный анализ рсспираторны; паттернов

2.4. Статистическая обработка данных

2.5. Безопасность проведенных исследований

2.6. Дизайн исследований

Глава 3. Результаты.

3.1. Исследование медленноволновой вариабельности параметров вентиляции и лёгочного газообмена у здоровых

3.1.1. Разработка аппаратно-программного комплекса «РпеитозеЬ для высокоточной регистрации медленных воздушных потоков.

3.1.2. Спектральный анализ медленных колебаний паттерна дыхания 55 и показателей основного обмена

3.1.2.1. Анализ показателей пневмографии

3.1.2.2. Анализ показателей легочного газообмена

3.1.2.3. Сопоставление результатов анализа пневмографии и газообмена

3.2. Исследование паттернов дыхания в норме и при нарушениях регуляции ^ внешнего дыхания

3.2.1. Сравнение паттернов дыхания по капнографическим параметрам в норме и при психогенной одышке

3.2.3. Результаты спектрального анализа методом БПФ паттернов дыхания

3.2.3.1. Сравнение по капнограммам группы здоровых и группы ПО

3.2.3.2. Сравнение по капнограммам группы здоровых с группой ДН

3.2.3.3. Сравнение по капнограммам группы ДН с группой ПО

3.2.3.4. Сравнение по пневмограммам группы здоровых с группой ДН

Глава 4. Обсуждение.

Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Вариабельность дыхания в норме и при функциональных нарушениях регуляции внешнего дыхания"

Одним из фундаментальных свойств организма является функционирование систем в определенных ритмах, причем эти ритмы имеют собственную «ритмичную вариабельность» (Хакен, 2001; Флейшман, 2009; Nakada, 2011). В биоритмах организма отражается взаимосвязь механизмов регуляции его функциональных систем. Следовательно, анализ вариабельности биоритмов дает возможность оценивать функциональное состояние системы в целом, особенно на этапах переходных состояний, когда происходят качественные изменения. Здесь имеется в виду не диагностика какой-либо конкретной патологии, а определение механизма, на уровне которого происходит изменение или нарушение регуляции дыхания.

В этом плане одним из актуальных направлений в интегративной физиологии, занимающейся, в частности, проблемами саморегуляции сложных систем, является проблема регуляции дыхания (Бреслав, 2002; Сафонов 2003, 2006; Исаев, 2005; Smith, 2009), изучение которой у человека имеет существенные ограничения в плане проведения экспериментальных исследований. Респираторное ритмообразование у человека в значительной мере зависит от их психоэмоционального состояния, что обусловлено влиянием лимбической системы на деятельность дыхательного центра (Han, 1997; Vlemincx, 2011). Вместе с этим хорошо известно, что дыхательный ритм, как и паттерн дыхания (то есть структура каждого дыхательного цикла), формируется на основе рецепторной информации, получаемой от хемо- и механорецепторов, что позволяет центральному регулятору дыхания подбирать энергетически оптимальные режимы вентиляции легких (Бреслав, 1994; Van den Aardweg, 2002; Fiamma, 2007).

У человека в этом плане наиболее изучена вариабельность сердечного ритма, точнее, вариабельность временных интервалов между сердечными сокращениями (RR-интервалы). Спектральный анализ ритмограмм RR интервалов на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) позволил установить существование волновой модуляции сердечного ритма. При этом убедительно показано, что методы динамического анализа обработки биоэлектрических сигналов, по снижению вариабельности RR интервалов и, соответственно, падению определенной мощности спектра, позволяют диагностировать критическое состояние миокарда (Рабочая группа, 1999; Чуян, 2008). Установлено также, что у человека можно выделить четыре группы основных волновых пиков (Say-ers, 1973). К первому относят высокочастотный спектр (HF-диапазон - от 0,15 до 0,4 Гц), который соответствует частоте дыхания. Далее следуют низкочастотный (LF - от 0,04 до 0,15 Гц), очень низкочастотный (VLF в диапазоне от 0,003 до 0,04 Гц) и ультранизкочастотный (ULF в диапазоне от 0,0001 до 0,003 Гц) спектры. Принято считать, что HF волны сопряжены с ритмом дыхания и меняются сообразно изменению частоты дыхания, хотя до сих пор нет единого мнения относительно физиологических механизмов этого явления (Рябыкина, 1998). В процессе исследования механизмов образования волн LF была разработана довольно стройная теория регуляции сердечного ритма, основанная на принципе управления по отклонению со стороны симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы (Баевский, 1994; Чуян, 2008). Подстройка механизмов контроля включает в себя мониторинг гемодинамиче-ских параметров, а также поддержание оптимальных режимов сердечной деятельности (Akselrold, 1985; Saul, 1990). Наименее изученными остаются механизмы формирования волн «очень низкочастотного» (VLF - Very low frequency) спектра. На основе косвенных коррелятов построен ряд гипотез, которые связывают феномен VLF с регуляторными ритмами гипоталамуса и эндокринной системы (Чуян, 2008; Рябыкина, 1998), однако прямых доказательств существования «энергетического ритма» на уровне целостного организма пока нет. Кроме того, остается неизвестным, к какому типу волновых процессов (хаотическому или регулярному) следует относить эту периодичность.

В норме у здорового человека и состоянии относительного покоя регуляция энергетических процессов, происходит на основе принципов самоорганизации. Эти принципы, как правило, проявляются определенной ритмичной динамикой ряда «управляющих параметров» (Saul, 1990). Внешнее дыхание и органы кровообращения являются системами, обеспечивающими тканевое дыхание, поэтому характер их функционирования будет определяться динамикой энергетического запроса. Если это поедположение верно, то следует ожидать, что интенсивность легочного газообмена, напрямую отражающая скорость потребления кислорода и, соответственно, величину энергетического запроса, будет иметь медленноволновую структуру, соответствующую VLF-диапазону с временным интервалом в пределах от 25 до 330 секунд. Другим доказательством могло бы служить отражение подобной вариабельности в паттерне дыхательного ритма. Однако до настоящего времени встречаются единичные работы, посвященные вариабельности показателей спирометрии, в которых обнаружен медленноволновой характер параметров легочной вентиляции (Modarres-zadeh , 1990; Bruce, 1996). При этом большинство исследователей считают, что в основе вариабельности параметров внешнего дыхания лежит механизм оптимального поддержания pH и напряжения С02 в артериальной крови, а механизм подстройки вентиляции легких реализуется путем автоматического управления по принципу обратной связи на уровне центрального регулятора дыхания (Bruce, 1996; Brett, 2002; Vlemincx, 2011).

Изучение вариабельности дыхательного ритма в сочетании с динамикой легочного газообмена в диапазоне волн VLF спектра с использованием методов спектрального анализа, фактически не проводилось. Очевидно, это связано с определенными методическими проблемами записи дыхания. В этом плане определенный интерес вызывает проведение спектрального анализа не только временных интервалов, но и вариабельности измеряемой величины физиологических параметров, как это было выполнено в исследованиях Caminal et. al. (2004). Такой подход мог бы учитывать всю палитру паттерна дыхания, включая его временные и функциональные характеристики. Изучение физиологических механизмов респираторного ритмообразования может решить ряд проблем, связанных с объективной диагностикой нарушения дыхательного ритма при психогенной одышке и дыхательной недостаточности. Несмотря на большой объем исследований по психофизиологии дыхания, до сих пор существуют проблемы объективной диагностики психогенной одышки (Чучалин, 2004; Агаджанян, 2002; Бреслав, 2007). Кроме того, по существу, отсутствуют сравнительные групповые исследования паттерна дыхания у здоровых и лиц с психогенной одышкой, которые позволили бы обосновать объективные критерии ее диагностики. Исследование паттернов дыхания при психогенной одышке будет способствовать пониманию механизмов формирования функциональных дыхательных расстройств.

Исследования субъективных и неврологических симптомов, проведенные А.Н.Агаджаняном (2003), дают возможность оценить тяжесть проявления симптоматики в зависимости от глубины респираторного алкалоза. В обзорах, посвященных висцеральной и поведенческой составляющим регуляции дыхания (Бреслав, 2007; Сафонов, 2006), обсуждаются механизмы формирования дыхательного ритма, которые, по всей вероятности, принимают непосредственное участие в формировании одышки психогенной природы. Отмечается исключительная индивидуальность характера дыхательных движений, которая проистекает из сложного взаимодействия центрального регулятора дыхания бульбо-понтинного уровня, отвечающего за метаболическую функцию дыхания, с одной стороны, и поведенческого контроля дыхания, с другой стороны. Подобное взаимодействие далеко от постоянства и реализуется в зависимости от особенностей аппарата внешнего дыхания, которые определяют выбор оптимального, с точки зрения энергозатрат на дыхание, респираторного паттерна. Очевидно, что эти обстоятельства требуют создавать такие условия исследования респираторного паттерна, при которых будут минимизированы влияния со .стороны коры головного мозга на центральный регулятор дыхания.

Дыхание - процесс периодический, колебательный и по своей природе имеет определенное сходство с механическими колебательными процессами в таких характеристиках, как частота и амплитуда. Следовательно, по аналогии с методами технической диагностики, где уже достаточно долго основным способом получения диагностической информации является не анализ формы колебаний, а анализ их спектрального состава, можно предположить, что и в физиологии дыхания возможно применение исследования с помощью спектрального анализа. В современной функциональной диагностике легких ни один из традиционных методов исследования дыхания не использует оценку функции дыхания с применением спектрального анализа. В то же время применение этих методов обеспечивает высокую информативность и достоверность мониторинга различных механизмов, повышает оперативность обследования. Это обусловило постановку задачи применения апробированных в технике методов мониторинга применительно к методам и средствам анализа различных процессов в человеческом организме, а особенно дыхания.

Решение этих проблем в значительной мере ограничено из-за сложной и не до конца понятной организации регуляции дыхания, в основе которой лежит фактически двойной тип управления - произвольный и непроизвольный, осуществляющийся через независимые нервные пути (Сафонов, 2003; Бреслав, 2007). Одним из подходов для изучения функциональных и патологических нарушений этих процессов может быть, так же как и в кардиологии, исследование ритмов дыхания. Однако современные методы исследования функции внешнего дыхания не позволяют проводить подобный анализ. До сих пор не решена техническая проблема накопления данных для полноценного анализа респираторных ритмов. Широко распространенный механографический метод записи дыхания с помощью одного или двух тензодатчиков, закрепляющихся в виде пояса на грудной клетке, не может использоваться для оценки вариабельности дыхания из-за низкой точности определения продолжительности дыхательного цикла. Мы полагаем, что для этих целей необходимо использовать методы, непосредственно контролирующие вентиляционную функцию, такие как капно-графия или пневмография. Причем продолжительность исследования, в зависимости от задач спектрального анализа, должна обеспечивать накопление данных в течение 5-30 минутного периода. Фрагментарные исследования, выполненные в этом направлении, в частности с использованием метода "ЬгеаШ-Ьу-ЬгеаШ", уже позволяют в какой-то мере оценить значение спектров дыхательных ритмов (Modarreszadeh, 1990; Caminal et al., 2004), однако эти исследования носили поисковый характер без какой-либо определенной диагностической задачи.

В связи с вышеизложенным, были сформулированы цель и задачи настоящей работы.

Цель исследования

Изучить особенности паттернов дыхания с использованием различных методов анализа респираторных ритмов у человека в норме и при функциональных нарушениях регуляции дыхания.

Задачи исследования

1. Разработать метод высокоточной регистрации внешнего дыхания для спектрального анализа дыхательных ритмов.

2. Исследовать механизмы формирования периодических изменений показателей вентиляционной функции и легочного газообмена.

3. Изучить временные характеристики паттерна дыхания в норме, и у лиц с психогенной одышкой.

4. Исследовать спектральные характеристики дыхания при психогенной одышке и дыхательной недостаточности в сравнении с нормой.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработанный метод высокоточной регистрации внешнего дыхания для спектрального анализа дыхательных ритмов обеспечивает проведение спектрального анализа паттернов дыхания у человека. Метод реализован с помощью разработанного устройства «Пневмосет» на основе термосенсорных датчиков и программного обеспечения для записи и обработки пневмограмм в реальном режиме времени

2. Скорость энергетических процессов в организме человека характеризуется медленно волновой вариабельностью, которая совпадает с вариабельностью дыхательного ритма. Медленоволновая динамическая периодичность параметров легочного газообмена отражает процесс синхронизации осцилляторов с несоизмеримыми частотами. Наиболее вероятно, что первый осциллятор представлен хеморецепторным механизмом регуляции внешнего дыхания. Природа второго осциллятора остается неизвестной. Учитывая тот факт, что скорость потребления кислорода и выделения С02 являются функцией энергетического запроса, можно полагать, что именно энергетические процессы формируют другой (или другие) осцилляторы периодических процессов.

3. Паттерн дыхания при психогенной одышке характеризуется гипокапнией, учащением дыхания и дыхательной аритмией. В основе учащения дыхания и увеличения вариабельности респираторного ритма лежит нарушение регуляции по отклонению на уровне центрального регулятора дыхания, которое имеет психогенное (эмоциональное) происхождение.

4. Спектральный анализ вариабельности дыхания может быть использован в качестве объективного метода для дифференциальной диагностики психогенной одышки и дыхательной недостаточности.

Научная новизна

1. Впервые доказана ритмичная динамика газообменной функции внешнего дыхания в УЬР-диапазоне с периодом колебаний в пределах от 1 до 5,5 минут. Результаты исследования основаны на анализе спектров скорости потока по пневмограмме и показателей легочного газообмена, которые были получены двумя разными методами исследования в течение 30-минутных временных интервалов. Стабильный характер медленных колебаний показателей вентиляции и легочного газообмена указывает на особый, самостоятельный механизм их формирования. Наиболее вероятно, что медленноволновая динамическая периодичность параметров легочного газообмена отражает процесс синхронизации осцилляторов с несоизмеримыми частотами, когда доминирует двухчастотная периодичность. Если первый осциллятор представлен хеморецепторным механизмом регуляции внешнего дыхания, то природа второго осциллятора остается неизвестной. Устойчивая периодическая динамика показателей энергетического запроса (потребления кислорода и выделения С02) указывает на то, что именно энергетические процессы формируют другой (или другие) осцилляторы периодических процессов.

2. Установлено, что в основе психогенной одышки лежат физиологические механизмы адаптации регуляции дыхания, обеспечивающие автоматизм дыхания, с одной стороны, и механизмы взаимодействия центрального регулятора дыхания и корковых структур, с другой. Нарушение взаимодействия различных уровней управления дыханием отражается в смещении уставки по С02 в сторону гипокапнии, учащении дыхания, а также в нарастании «аритмичности» дыхательных циклов. Причем, все эти изменения могут быть установлены с помощью метода капнографии и пневмографии.

Научно-практическая значимость

1. Разработан метод, позволяющий выполнять высокоточные измерения медленных воздушных потоков при регистрации вентиляции легких, обеспечивающие спектральный анализ паттернов дыхания.

2. На основе изучения вариабельности дыхания и результатов спектрального анализа дыхательных ритмов определены наиболее информативные показатели для объективной диагностики психогенной одышки.

Заключение Диссертация по теме "Физиология", Гришин, Виктор Григорьевич

Выводы

1. Пневмографический метод высокоточных измерений медленных воздушных потоков при регистрации вентиляции легких, обеспечивает спектральный анализ паттернов дыхания.

2. Анализ спектров скорости потока (по пневмограмме) и показателей легочного газообмена (при исследовании на метаболографе) указывает на то, что в респираторном ритмообразовании участвуют механизмы, формирующие ритмичную динамику газообменной функции внешнего дыхания в УЬР-диапазоне с периодом колебаний в пределах от 1 до 5,5 минут.

3. Одним из информативных показателей психогенной одышки является комплексный параметр, учитывающий три типа изменений паттерна дыхания: снижение концентрации СОг в конце выдоха (снижение Ре1> С02), учащение дыхания и нарушение его ритма, который можно выразить через коэффициент вариации одной из временных характеристик дыхательного цикла.

4. Сравнительный спектральный анализ показал, что у здоровых и больных с дыхательной недостаточностью 0-1 степени дыхательный ритм не имеет достоверных отличий. В то же время эти группы достоверно отличаются от больных с психогенной одышкой. Так, общая мощность спектра при психогенной одышке выше в 2 раза, чем у здоровых, в 6 раз выше в низкочастотной области спектра и в 4 раза выше в высокочастотной области. При этом у больных с дыхательной недостаточностью мощность спектра в низкочастотном диапазоне ниже в 3 раза, чем у больных с психогенной одышкой.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Гришин, Виктор Григорьевич, Новосибирск

1. Абросимов В.Н., Гармаш В. Я. Гипервентиляционный синдром. Терапевтический архив. 1988. №10. С. 136.

2. Агаджанян H.A., Панина М.И., Козупица Г.С., Сергеев О.С. Субъективные и неврологические проявления гипервентиляционных состояний разной степени выраженности. Физиология человека. 2003. Т. 29. № 4. С. 66-71.

3. Агаджанян H.A., Терехин П.И. Физиологические механизмы респираторных феноменов при тревожных и депрессивных расстройствах. Физиология человека. 2002. Т. 28. № 3. С. 112-122.

4. Александрова Н.П., Бреслав И.С. Дыхательные мышцы человека: три уровня управления. Физиология человека. Т. 35. № 2. С. 103-111.

5. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения. УФН. 1996. Т.166. № И. С. 1145-1170.

6. Баевский P.M. Кириллов О.И., Клецкин С.З. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. М.: Наука. 1984. 221 с

7. Белозерцева И.В., Кучмин А.Н. Частотные показатели вариабельности сердечного ритма4 у больных бронхиальной астмой. Кардиология XXI век. СПб. 2001. С. 209.

8. Беляев K.P., Акулин O.A., Стрелков В.Б. К вопросу о неинвазивной регистрации паттерна дыхания. Новые информационные технологии в медицине и экологии. Труды конфЛУ Межд.конф.- Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 26 мая-4 июня 1998. С.287-289.

9. Бреслав И.С. Дыхательная сенсорика человека, ее физиологическая роль. Российский физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2002. Т. 88. № 2. С. 257-266.

10. Бреслав И.С. Физиология дыхания. СПб.: Наука. 1994. 680 с.

11. Бреслав И.С., Ноздрачев А.Д. Регуляция дыхания: висцеральная и поведенческая составляющие. Успехи физиологических наук. 2007. Т. 38. № 2. С. 2645.

12. Ведру Ю., Яксман С. Монитор легочной вентиляции человека на основе термоанемометрического датчика. Acta et Comm. Univ. Tartuensis, 1990. № 886. С. 83-92.

13. Ведясова O.A., Романова И.Д., Ковалева A.M. Механизмы регуляции дыхания структурами лимбической системы. Самара: Изд-во «Самарский университет». 2010. 170 с.15,16