МЕДИЦИНСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОЦЕНКИ СОКРАТИТЕЛЬНОЙ ФУНКЦИИ СЕРДЦА – ИНОКАРДИОГРАФИЯ

И. А. Деев, С. Б. Шустов, В. Н. Кицишин, П. В. Суржиков
Санкт-Петербургский филиал ФГУП «ЭПМ» ФМБА России – СКТБ Биофизприбор, ФГОБУ ВПО Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова

Ключевые слова: 
 

История деятельности предприятия на всем долговременном пути деятельности сочетала разработку приборов и систем для оценки состояния «здорового» человека, находящегося в экстремальных условиях: космос, мировой океан, техногенные экстремальные условия труда; и приборов и систем для повышения эффективности здравоохранения таких как системы массовых обследований, комплексы сбора и обработки доврачебных обследований, физиологических и психофизиологических параметров, характеристик повышения эффективности операторской деятельности в человеко-машинных системах управления. Эти прикладные работы по контролю функционального состояния человека (оператора) в экстремальных условиях нашли продолжение в работе по созданию методики оценки инотропной функции сердца для клинического применения.

Метод оценки нарушений деятельности сердечно-сосудистой системы, основанный на регистрации механических проявлений работы сердца (инотропной функции) способом количественной вертикальной модифицированной баллистокардиограммы (инокардиограммы - ИКГ), создан в СКТБ Биофизприбор совместно с кафедрой терапии усовершенствания врачей клиники кардиологии и эндокринологии ВМедА им. С.М. Кирова под методическим руководством начальника кафедры С.Б. Шустова (г. Санкт-Петербург).

Актуальность проблемы определяется потребностью в доступных учреждениям здравоохранения, методически несложных устройствах, позволяющих оперативно, с высокой степенью достоверности осуществлять оценку состояния сердечно-сосудистой системы с целью диагностики, контроля за эффективностью проводимого лечения, а также выявления ранних нарушений сократительной функции при массовых обследованиях населения и организованных контингентов (кардиоскрининг). 

Широкое распространение сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ), тенденция к нарастанию их в молодом возрасте, увеличение инвалидизации и смертности по причине ССЗ остро ставят вопросы о профилактике и раннем выявлении этой группы заболеваний в первичных звеньях системы здравоохранения.

Основная функция сердца заключается в поддержании необходимого минутного и ударного объема кровообращения путем обеспечения соответствующего давления в сосудистой системе при соответствующей скорости кровотока. Ударный объем является интегрирующим показателем всей цепи энергетических преобразований в миокарде. Поэтому, внешняя работа сердца должна рассматриваться как интегральная характеристика насосной функции.

Эти факторы стимулировали поиск новых подходов к решению задачи кардиоскрининга нарушений сократимости. Несомненный интерес представляют методы регистрации механической активности сердца, т.к. они дают возможность получать непосредственные оценки сократительной функции сердца в категориях силы сердечного сокращения, внешней работы сердца.

Применительно к поставленной задаче метод регистрации механических проявлений сердечного сокращения (баллистокардиография) модифицирован с целью минимизации погрешности преобразования силы сердечного сокращения в электрический сигнал. Этот эффект достигнут за счет использования вертикальной схемы преобразования силы, связанной с сердечным толчком. 

Новизна методики заключается в создании и технической реализации метода количественной вертикальной модифицированной баллистокардиографии (далее инокардиография, ИКГ). Метод заключается в регистрации вертикальной составляющей силы, вызванной сокращением сердца, сидящего на динамометрической платформе пациента - ИКГ, измерении врачебных признаков ИКГ (в размерности силы), построении методами статистической классификации решающего правила для вычисления обобщенного показателя функционального состояния сократительной функции, по величине которого определяется наличие и степень нарушения сократимости. 

Метод ИКГ отличается жесткой и постоянной по величине связью тела обследуемого с измерительной платформой. Отличием метода является исключение влияния массы тела на показатели, зависящие от величины сердечного выброса. Эффект компенсации массы обеспечивается нормированием этих параметров по отношению к величине веса обследуемого человека. Важной особенностью метода является возможность статической калибровки преобразователя силы.

Использование бесконтактной системы съема показателей сердечно-сосудистой системы значительно упрощает и ускоряет обследование пациентов. Методика отличается тем, что для регистрации физиологических показателей обследуемый размещается в кресле, в одежде и обуви, без наложения электродов и датчиков, продолжительность обследования 1-2 мин.

На базе кафедры терапии усовершенствования врачей ВМедА (клиника ТУВ) были проведены медицинские испытания макета системы. Результаты испытаний показали высокую диагностическую и прогностическую информативность метода. Было обследовано 480 человек различного пола и возраста с различными патологиями, характеризующимися нарушениями сократимости. 

Совпадение результатов обследования посредством метода с верифицированными диагнозами были отмечены у 91% больных, причем среди последних надежно распознавались пациенты с заболеваниями миокарда, системной артериальной гипертензией, с сочетанной патологией, различными формами ИБС, эндокринными заболеваниями.

В обследовании, проведенном в 2 ЦВКГ им. П.В.Мандрыка (г. Москва) приняли участие 188 человек. Апробация системы в специализированном кардиостационаре показала высокую чувствительность предлагаемой методики к ранним формам отклонений сократительной функции. Изучение информативности методов количественного анализа электрокардиограммы, эхографии и инокардиограммы показало преимущества последней в выявлении ранних нарушений сократительной функции миокарда при сердечно-сосудистых и эндокринных заболеваниях. При верифицированном атеросклерозе коронарных артерий и аорты чувствительность ИКГ составила 95%, эхокардиографии –89%, количественного анализа электрокардиограммы – 85%. Сравнительная оценка информативности клинических и функциональных методов изучения сократимости миокарда при сахарном диабете и гипотериозе показала, что инокардиография выявляет ранние стадии нарушения при миокардиодистрофии, обусловленной сахарным диабетом или гипотериозом.

Представляется целесообразным продолжить исследования для дальнейшей отработки метода с целью создания промышленного образца прибора для широкого применения, как в донозологических обследованиях, так и в диагностических целях, особенно в тех случаях, когда другие методы реализуются сложными аппаратными средствами или их применение небезразлично для больного, например, прямые инвазивные методы или методы нагрузочных функциональных проб. Большой интерес этот метод также представляет для военной медицины и медицины катастроф, т. к. его использование возможно в сложных полевых условиях, где получить подробную диагностическую информацию о больном крайне затруднительно. 

Методика реализована в комплексе аппаратно-программном бесконтактного кардиомониторинга (КАП БКМ) оценки функционального состояния ССС организма человека для проведения медицинских осмотров (обследований) различного уровня персонала особо опасных производств, обслуживаемых учреждениями ФМБА России.

В результате работы разработана конструкторская документация макетного образца КАП БКМ, изображенного на рисунке 1, изготовлены действующие образцы. 

Проведена практическая отработка в клинических условиях профильных ЛПУ и научных учреждений на макетном образце КАП БКМ алгоритмов и ПО автоматизированной регистрации, обработки и анализа медицинских параметров (ИКГ), формирование врачебного заключения, характеризующего состояние сократительной функции сердца человека: определение эффективности интегральной оценки функциональных систем организма для выявления влияния вредных производственных и экологических факторов и повышенных профессиональных нагрузок и как основания для принятия решения о допуске к работе на особо опасных производствах.

Рисунок 1 – КАП БКМ и интерфейс программного обеспечения

 

Аппаратная часть включает в себя динамометрическую платформу и ПМО. 

Динамометрическая платформа состоит из собственно базовой платформы (позиция 1, рисунок 2), на которой размещается пациент, и первичных пьезокварцевых преобразователей (2), соединяющих базовою платформу с жестким основанием (3). 

Конструктивно электронная схема размещается в замкнутом экранирующем пространстве внутри полого металлического цилиндра, служащего одновременно местом крепления магазина пьезокварцевых пластин датчика (рисунок 3).

Рисунок 2 – Общий вид динамометрической платформы КАП БКМ 

 

Рисунок 3 Общий вид пьезокварцевого датчика 

 

Алгоритм преобразования признаков ИКГ в показатели гемодинамики

Для анализа получаемых кривых предлагается следующая последовательность проведения исследования, расшифровки и оценки признаков ИКГ: 

  1. Проведение записи ИКГ с оценкой правильности записи, наличия артефактов, характера дифференциальной кривой ИКГ. 
  2. Выделение характерных признаков для определения фаз сердечного цикла на ИКГ. Измерение расстояния (в мс) от максимального отклонения зубца R электрокардиограммы до начала кривой I, начало фазы быстрого изгнания крови из желудочков; в последующем - измерение расстояния в мс до начала кривой J, среднесистолический выброс, удар крови о дугу аорты и бифуркацию легочной артерии, К - замедление скорости тока крови в нисходящей аорте и удар пульсовой волны о бифуркацию аорты. Данный период соответствует периоду изгнания крови из левого желудочка. В выделенном фрагменте ИКГ рассчитываются амплитуды кривых периода систолы левого желудочка и площади под кривой.
  3. Разбиение репрезентативного ИКГ-комплекса на фазы сердечного цикла по данным ЭКГ. Синхронизацию осуществляется по каналу ЭКГ.
  4. Автоматизированное определение энергии фазы сердечного цикла. Выбор фазы осуществляется врачом, путем установления временных рисок-курсоров на интересующей фазе. Определение энергии фазы осуществляется путем автоматического расчета площади ограничиваемой по изолинии (ось абсцисс) ИКГ-сигналом отдельно в первом и четвертом квадранте координатных осей и суммированием этих площадей.

 

Изучение корреляционной связи между параметрами систолического пика (Sm) в различных проекциях левого желудочка, полученных методом ЭхоКГ, ТМДЭхоКГ, и амплитудными величинами систолических волн БКГ. Определение возможности применения показателей силы систолических волн H, I, J и К в оценке систолической функции миокарда

В исследование было включено 230 человек в возрасте от 20 до 80 лет. Мужчин – 155, женщин – 75. Основным критерием включения пациентов было наличие синусового ритма на ЭКГ. Все обследуемые пациенты были разделены на 3 группы: в первую группу вошли 126 человек с ФВ более 55% по Симпсону, вторую группу составили 76 человек с умеренно сниженной систолической функцией ЛЖ (ФВ 35-54 %), третью группу составили 28 человек с резко сниженной систолической функцией ЛЖ (ФВ менее 35 %). Характеристика обследованных больных представлена в таблице 1.

 

Таблица 1 –​ Характеристика пациентов, Ме (25; 75%)

Группы ФВ>55% ФВ 55-35% ФВ<35%
Показатели
Число больных, n 126 76 28
Мужчины, n 78 58 19
Женщины, n 48 18 9
Возраст, лет 56 (40; 72) 68 (61; 76) 66 (54; 70)

 

При интерпретации и оценке БКГ использовались значения волн в размерности силы и времени. Измерялись такие характеристики волн, как амплитуда волны (а) - отражает силу удара крови в определенную фазу сердечного цикла, время волны (t) - время начала волны от зубца R на ЭКГ, и площадь волны (s) - произведение амплитуды волны на время волны (рисунок 4).

Рисунок 4 - Нормальная динамика вертикальной составляющей силы по данным КВМ БКГ в различные фазы сердечного цикла

 

При регистрации ИКГ получены статистически достоверные различия между показателями амплитуды систолических волн Н, I, J и К у обследуемых пациентов (рисунок 5).

Рисунок 5 – Различия между показателями амплитуды систолических волн Н, I, J и К у обследуемых пациентов

 

Взаимосвязь показателей ФВ ЭхоКГ и систолического пика (Sm) по данным ТМДЭхоКГ и ИКГ у обследованных пациентов (результаты корреляционного анализа)

По результатам исследования (таблица 3) видно, что существует достоверная положительная корреляционная связь средней силы между ФВ ЭхоКГ и амплитудой волны Н (R= 0,63; р<0,001). Также существует достоверная положительная корреляционная связь средней силы между ФВ ЭхоКГ и амплитудой волны I (R= 0,68; р<0,001) КВМБКГ. Существует сильная корреляционная связь между ФВ ЭхоКГ и волнами J (R= 0,86; р<0,001) и K (R= 0,77; р<0,001) БКГ, существует достоверная положительная корреляционная связь средней силы между Sm пиком в проекции передней стенки ЛЖ по данным ТМДЭхоКГ и амплитудой систолических волн Н (R= 0,48; р<0,001), I (R= 0,56; р<0,001), J (R= 0,58; р<0,001) и К (R= 0,66; р<0,001) БКГ. 

Также существует достоверная положительная корреляционная связь средней силы между Sm пиком в проекции боковой стенки ЛЖ по данным ТМДЭхоКГ и амплитудой систолических волн Н (R= 0,47; р<0,001), I (R= 0,52; р<0,001),  J (R= 0,65; р<0,001), рисунок 4, К (R= 0,60; р<0,001) БКГ. Достоверная положительная корреляционная связь средней силы существует между Sm пиком в проекции задней стенки ЛЖ по данным ТМДЭхоКГ и амплитудой систолических волн Н (R= 0,39; р<0,001), I (R= 0,49; р<0,001), J (R= 0,52; р<0,001) и К (R= 0,58; р<0,001) БКГ. Отражена достоверная положительная корреляционная связь средней силы между Sm пиком в проекции МЖП по данным ТМДЭхоКГ и амплитудой систолических волн Н (R= 0,21; р<0,001), I (R= 0,32; р<0,001), J (R= 0,42; р<0,001) и К (R= 0,37; р<0,001) БКГ. 

 

Таблица 3 –​ Корреляционные связи между показателями ФВ ЭхоКГ и систолического пика (Sm) по данным ТМДЭхоКГ, характеризующими систолическую функцию левого желудочка с амплитудными показателями систолических волн ИКГ у обследованных пациентов

Показатели Sm пик в проекции передней стенки ЛЖ, м/с Sm пик в проекции боковой стенки ЛЖ, м/с Sm пик в проекции задней стенки ЛЖ, м/с Sm пик в проекции МЖП ЛЖ, м/с ФВ, %
Амплитуда волны Н БКГ, мН 0,48*** 0,47*** 0,39*** 0,21** 0,63***
Амплитуда волны I БКГ, мН 0,56*** 0,52*** 0,49*** 0,32*** 0,68***
Амплитуда волны J БКГ, мН 0,58*** 0,65*** 0,52*** 0,42*** 0,86***
Амплитуда волны K БКГ, мН 0,66*** 0,60*** 0,58*** 0,37*** 0,37***
Примечание: *, **, *** – коэффициент корреляции статистически значим (* – р<0,05; ** – р<0,01; *** – р<0,001).

 

Таким образом, при оценке удалось установить, что показатели систолических волн БКГ ассоциируются с показателями скорости систолического пика (Sm) во всех четырех проекциях.

При анализе результатов, полученных с помощью ЭхоКГ, прослеживается отчетливое различие между всеми тремя группами обследованных пациентов. Показатели ФВ, по данным ЭхоКГ статистически значимо различны во всех трех группах. Так в 1-й группе ФВ составляет 60 (58; 64)%, во 2-й 53,5 (49; 55)% и в 3-й 30 (28,8; 32,2)%, при р<0,01. 

При анализе показателей ТМДЭхоКГ определяются достоверные различия между группой пациентов с нормальной, умеренно сниженной и группой с резко сниженной систолической функцией левого желудочка по показателю систолического пика в проекции передней, боковой, задней стенки левого желудочка и межжелудочковой перегородкой. Это подтверждают и данные исследования D. Vinereanu, доказавшие, что чем сильнее нарушена региональная сократимость (гипокинезия, акинезия), тем ниже миокардиальные скорости. Полученные результаты также согласуются с данными литературы о том, что ТМДЭхоКГ фиброзного кольца атриовентрикулярных клапанов не позволяет определять количественные значения фракции выброса желудочков и имеет ряд ограничений, к которым следует отнести нарушения локальной сократимости у больных после инфаркта миокарда и случаи объемной перегрузки при выраженных атриовентрикулярных регургитациях. 

Ранее проводимых исследований, где сравнивались показатели, полученные методом ЭхоКГ и ТМДЭхоКГ с показателями БКГ в мировой литературе нет. Из этого следует что, наше исследование является первым, где проводится сравнение амплитудных характеристик волн БКГ с показателями ЭхоКГ и ТМДЭхоКГ, это объясняется тем, что в 19-20 веке и вплоть до проведенного нами исследования волны БКГ оценивались качественно, вероятнее ввиду отсутствия точного вычислительного оборудования. Нами, в период настоящего исследования, впервые была дана количественная оценка волн БКГ.

Полученные данные показывают, что величина амплитуды волны J на БКГ, отражающая среднесистолический выброс и удар крови о дугу аорты и бифуркацию легочной артерии, а также волны К, отражающая среднесистолический выброс и удар крови о дугу аорты и бифуркацию легочной артерии могут быть использованы как предикторы, отражающие систолическую функцию левого желудочка.

Ранее никогда не исследовалась связь волн БКГ с применяемыми в настоящее время более точными инструментальными методами диагностики сердечной деятельности. Связано это вероятно с тем, что в 50-60 годах прошлого века оценка полученных показателей волн БКГ проводилась на глаз или с помощью линейки, полученные данные не имели четкой повторяемости и воспроизводимости. В середине 20 века вообще не было точных, надежных методов диагностики контрасктильности миокарда, отражающих систолическую функцию ЛЖ.

 

Выводы

Применительно к поставленной задаче метод регистрации механических проявлений сердечного сокращения модифицирован с целью минимизации погрешности преобразования силы сердечного сокращения в электрический сигнал за счет использования вертикальной схемы преобразования силы, связанной с сердечным толчком.

Новизна метода заключается в создании и технической реализации метода количественной вертикальной модифицированной БКГ – ИКГ, регистрации вертикальной составляющей силы, вызванной сокращением сердца, сидящего на динамометрической платформе пациента и измерении значимых признаков в размерности силы. 

Полученные данные дают возможность подойти к расчету ряда стандартных показателей гемодинамики, отражающих функциональную способность миокарда и, в частности, его механическую функцию. По ней можно судить о количестве крови, которое перекачивает сердце в единицу времени.