Введение к работе
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 рН и напряжения СОг 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-mincx, 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
Разработать метод высокоточной регистрации внешнего дыхания для спектрального анализа дыхательных ритмов.
Исследовать механизмы формирования периодических изменений показателей вентиляционной функции и легочного газообмена.
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
Впервые доказана ритмичная динамика газообменной функции внешнего дыхания в VLF-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 СОг) указывает на то, что именно энергетические процессы формируют другой (или другие) осцилляторы периодических процессов.
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 СОг 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 измере-
ния медленных воздушных потоков при регистрации вентиляции легких, обеспечивающие спектральный анализ паттернов дыхания.
2. На основе изучения вариабельности дыхания и результатов спек-
трального анализа дыхательных ритмов определены наиболее информативные показатели для объективной диагностики психогенной одышки.
Основные положения, выносимые на защиту
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
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 СОг являются функцией энергетического запроса, можно полагать, что именно энергетические процессы формируют другой (или другие) осцилляторы периодических процессов.
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.
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); IV-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
Межрегиональной научно-практической конференции «Психосоматические и пограничные нервно-психические расстройства в детском и подростковом возрасте» (Новосибирск, 2008); VI Сибирском физиологическом съезде (Барнаул, 2008); IEEE 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
