Физиологические Основы Вариабельности Сердечного Ритма (ВСР)


Автономная нервная система (АНС) играет важную роль, не только что касается физиологии, но также что касается различных патологических процессов, таких как диабетическая нейропатия, инфаркт миокарда (ИМ) и застойная сердечная недостаточность (ЗСН). Дисбаланс в автономной системе, связанный с увеличением активности симпатического отдела и снижением вагусного тонуса, сильно влияет на патофизиологию аритмогенеза и наступление внезапной остановки сердца.

Среди имеющихся неинвазивных методов оценки состояния вегетативной регуляции был выделен простой, неинвазивный метод оценки симпатовагусного баланса на синусово - предсердном уровне, а именно анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР). Этот метод был использован в различных клинических ситуациях, включая диабетическую нейропатию, инфаркт миокарда, внезапную смерть и застойную сердечную недостаточность.

Стандартными методами измерений, включёнными в анализ ВСР, являются измерения во временной области, геометрические методы измерений и измерения в частотном диапазоне (области). Использование долгосрочного или краткосрочного мониторинга зависит от типа исследования, которое надлежит провести.

Установленные клинические данные, основанные на многочисленных исследованиях, опубликованных за последнее десятилетие, указывают на то, что пониженная общая ВСР является сильным прогностическим фактором увеличения смертности от любых заболеваний сердца и/или аритмической смертности, особенно у пациентов, подверженных риску после инфаркта миокарда или с застойной сердечной недостаточностью.

В данной статье описывается механизм, параметры и использование ВСР в качестве маркера, отражающего действие симпатического и вагусного компонентов АНС на синусовый узел, а также в качестве клинического инструмента скрининга и выявления пациентов, особенно подверженных риску смерти от остановки сердца.

Проведённые за последние два десятилетия многочисленные исследования, как на животных, так и на людях, показали наличие значительной взаимосвязи между АНС и смертностью от сердечно -сосудистых заболеваний, особенно у пациентов с инфарктом миокарда и застойной сердечной недостаточностью. Расстройство АНС и её дисбаланс, заключающийся или в увеличении симпатической активности или в снижении вагусной активности, может привести к желудочковой тахиаритмии и внезапной остановке сердца, которая в настоящее время является одной из основных причин смертности от сердечно -сосудистых заболеваний. Здесь описываются различные методы, с помощью которых можно оценить состояние АНС, которые включают тесты на сердечно – сосудистые рефлексы, биохимические и сцинтиграфические тесты. Методы, дающие прямой доступ к рецепторам на клеточном уровне или к передаче нервных импульсов доступны не всегда. В последние годы неинвазивные методы, основывающиеся на электрокардиограмме (ЭКГ) были использованы в качестве маркеров модуляции деятельности сердца автономной нервной системой, они включают определение ВСР, барорефлекторной чувствительности (БРЧ), QT интервала и турбулентности сердечного ритма (ТСР) – нового метода, основывающегося на изменениях длительности цикла синусового ритма после единичного преждевременного сокращения желудочков. Среди данных методов был выделен простой, неинвазивный метод оценки симпатовагусного баланса на синусово - предсердном уровне, а именно анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР).

Автономная нервная система и сердце


Хотя автоматизм присущ различным тканям сердца, обладающим пейсмекерными свойствами, электрическая и сократительная активность миокарда в большой степени модулируется АНС. Эта регуляция со стороны нервной системы осуществляется посредством взаимосвязи между симпатическим и вагусным влиянием. В большинстве физиологических состояний эфферентные симпатический и парасимпатический отделы выполняют противоположные функции: симпатическая система усиливает автоматизм, в то время как парасимпатическая система угнетает его. Влияние вагусного стимулирования на пейсмекерные клетки сердца вызывает гиперполяризацию и снижает уровень деполяризации, а симпатическое стимулирование вызывает хронотропные эффекты, путём увеличения уровня пейсмекерной деполяризации. Оба отдела АНС влияют на активность ионного канала, вовлечённого в регулирование деполяризации пейсмекерных клеток сердца.
Расстройства АНС проявлялись при различных условиях, таких как диабетическая нейропатия и коронарная болезнь сердца, особенно в случае с инфарктом миокарда. Нарушение контроля над сердечно – сосудистой системой со стороны автономной нервной системы, связанное с увеличением симпатического и снижением парасимпатического тонуса, играет важную роль в возникновении коронарной болезни сердца и генезисе опасных для жизни желудочковых аритмий. Возникновение ишемии и/или некроза миокарда может повлечь за собой механическую деформацию афферентных и эфферентных волокон АНС, обусловленную геометрическими изменениями в некротических и не сокращающихся сегментах сердца. В условиях ишемии и/или некроза миокарда недавно было обнаружено присутствие явления электрического ремоделирования, обусловленного локальным ростом нервных клеток и дегенерацией на уровне клетки миокарда. В целом, у пациентов с заболеванием коронарных артерий, перенёсших инфаркт миокарда, автономная функция сердца, находящаяся под влиянием возросшего симпатического и сниженного вагусного тонуса, создаёт предпосылки для возникновения комплексных опасных для жизни аритмий, так как они изменяют автоматизм сердца, проводимость и важные гемодинамические переменные.

Определение и механизмы вариабельности сердечного ритма


Вариабельность сердечного ритма является неинвазивным, электрокардиографическим маркером, отражающим действие симпатического и вагусного компонента АНС на синусовый узел сердца. Она показывает общее количество вариаций моментных значений интервалов HR и интервалов RR (интервалы между комплексами QRS нормальной синусовой деполяризации). Таким образом, ВСР анализирует исходную тоническую активность автономной системы. При нормальном сердце, функционирующем как единое целое с АНС, отмечаются непрерывные физиологические вариации синусовых циклов, что указывает на сбалансированное симпатовагусное состояние и нормальную ВСР. При повреждённом сердце, перенёсшем некроз миокарда, изменения в активности афферентных и эфферентных волокон АНС и в локальной невральной регуляции способствуют наступлению симпатовагусного дисбаланса, характеризующегося снижением ВСР.

Измерение вариабельности сердечного ритма


Анализ ВСР включает в себя ряд измерений вариаций последовательных интервалов RR синусового происхождения, которые дают представление о тонусе автономной системы. На ВСР могут влиять различные физиологические факторы, такие как пол, возраст, циркадный ритм, дыхание и положение тела. Измерения ВСР являются неинвазивными и обладающими высокой годностью к воспроизведению. В настоящее время большинство производителей оборудования мониторинга по Холтеру рекомендуют программы анализа ВСР, встроенные в приборные панели. Хотя компьютерный анализ записей магнитной ленты был усовершенствован, для того чтобы измерить большинство параметров ВСР требуется вмешательство человека, чтобы распознать ложные экстрасистолы, артефакты и искажения скорости движения магнитной ленты, которые могут исказить временные интервалы.

В 1996 году Рабочая группа Европейского Общества кардиологов (ESC) и Североамериканское общество кардиостимуляции и электрофизиологии (NASPE) определили и установили стандарты измерения, физиологической интерпретации и клинического использования ВСР. Измерения во временной области (диапазоне), геометрические методы измерений и измерения в частотной области в настоящее время включают в себя стандартные клинически используемые параметры.

Анализ во временной области


При помощи анализа во временной области измеряются изменения частоты сердечных сокращений на протяжении времени или на основе интервалов между смежными нормальными циклами сердечной деятельности. В непрерывной записи ЭКГ детектируется каждый QRS комплекс, а затем определяются нормальные интервалы RR (NN интервалы), обусловленные деполяризацией клеток синусового узла, или мгновенная частота сердечных сокращений. Рассчитываемые во временной области переменные могут быть простыми, такими как средний интервал RR, средняя частота сердечных сокращений, разница между самым длинным и самым коротким интервалом RR, или разница между частотой сердечных сокращений ночью и днём; а также более комплексными, основывающимися на статистических измерениях. Данные статистические показатели, измеряемые во временной области, делятся на две категории, а именно: полученные при непосредственном измерении интервалов между сердечными сокращениями или при измерении переменных, получаемых непосредственно из интервалов, или при измерении мгновенной частоты сердечных сокращений; а также показатели, получаемые от измерения разницы между смежными интервалами NN. В приведенной ниже таблице дан перечень наиболее часто используемых во временной области параметров. Параметрами первой категории являются SDNN, SDANN и SD, а параметры второй категории являются RMSSD и pNN50.

SDNN – это общий показатель ВСР, отражает все долговременные компоненты и циркадные ритмы, ответственные за вариабельность в течение периода записи. SDANN является показателем вариабельности в среднем за 5 минут. Таким образом, данный показатель предоставляет информацию долгосрочного характера. Это чувствительный показатель к компонентам низкой частоты, таким как физическая активность, изменения положения, циркадный ритм. Считается, что SD в основном отражает дневные/ночные изменения ВСР. RMSSD и pNN50 - наиболее часто используемые параметры, определяемые на основе различий между интервалами. Данные измерения относятся к изменениям ВСР в краткосрочном периоде и не зависят от дневных/ночных вариаций. Они отражают отклонения в тонусе автономной системы, которые преимущественно являются вагус- опосредованными. По сравнению с pNN50, RMSSD выглядит более стабильным и в клиническом использовании ему должно быть отдано предпочтение.

Переменная

Ед.измерения  

Описание

SDNN

мс

Стандартное отклонение всех интервалов NN

SDANN

мс

Стандартное отклонение средних значений NN интервалов, вычисленных по всем 5-минутным сегментам в течение всей записи

SD (или SDSD)  

мс

Стандартное отклонение разностей между смежными NN интервалами

RMSSD

мс

Квадратный корень из средней суммы квадратов разностей между смежными NN интервалами

pnn50

%

Процент разницы между смежными NN интервалами, отличающимися более чем на 50 мс



Геометрические методы

Геометрические методы основываются и состоят в преобразовании последовательностей NN интервалов. Имеются различные геометрические формы, используемые в оценке ВСР: гистограмма, триангулярный индекс ВСР и его модификация, треугольная интерполяция гистограммы NN интервалов, а также метод, основывающийся на пятнах Лоренца или Пуанкаре. При помощи гистограммы оценивается связь между общим количеством выявленных RR интервалов и варьированием RR интервалов. Для триангулярного индекса ВСР самый высокий пик гистограммы учитывается как точка треугольника, базовое основание которого соответствует количественному значению изменчивости RR интервалов, его высота соответствует наиболее часто наблюдаемой длительности RR интервалов, и его площадь соответствует общему количеству всех RR интервалов, задействованных в его построении. Триангулярный индекс ВСР даёт оценку общей ВСР.

Геометрические методы подвергаются меньшему влиянию со стороны качества записанных данных и могут считаться альтернативой статистическим параметрам, которые не так легко получаются. Однако время продолжительности записи должно быть как минимум 20 минут, то есть это означает, что кратковременные записи не могут оцениваться при помощи геометрических методов.

Из всего многообразия имеющихся методов оценки во временном диапазоне и геометрических методов Рабочая группа Европейского Общества кардиологов (ESC) и Североамериканское общество кардиостимуляции и электрофизиологии (NASPE) рекомендовали к использованию четыре метода измерений с целью оценки ВСР: SDNN, SDANN, RMSSD и триангулярный индекс ВСР.

Анализ в частотной области


Анализ в частотной области (спектральная плотность мощности) показывает периодические колебания сигналов частоты сердечных сокращений в разрезе различных частот и амплитуд; а также предоставляет информацию касательно относительной интенсивности колебаний (называемой изменчивостью или мощностью) синусового ритма сердца. Схематически, спектральный анализ можно сравнить с результатами, получаемыми, когда белый свет проходит сквозь призму, в результате чего появляются различные световые волны, различного цвета и длины. Спектральный анализ мощности может быть проведён двумя способами: 1) непараметрическим методом, посредством быстрого преобразования Фурье (FFT), который характеризуется наличием дискретных пиков для отдельных частотных компонентов, и 2) параметрическим методом, а именно оценкой авторегрессионной модели, приводящей к формированию непрерывного плавного спектра активности. В то время как FFT является простым и быстрым методом, параметрический метод является более сложным и предполагает необходимость проверки того, подходит ли выбранная модель для анализа.

При использовании FFT отдельные RR интервалы, сохранённые в компьютере, преобразовываются в полосы с различными спектральными частотами. Этот процесс схож со звучанием симфонического оркестра в разрезе нотных составляющих. Полученные результаты могут быть преобразованы в Герцы (Гц), путём деления на среднюю длину интервалов RR.

Спектр мощности представлен полосами с частотами от 0 до 0,5Гц, которые могут быть классифицированы по четырём диапазонам: ультранизкочастотный диапазон (ULF), диапазон очень низкой частоты (VLF), низкочастотный диапазон (LF) и высокочастотный диапазон (HF).

Переменная Ед. измерения Описание Диапазон частот
Общая мощность мс2 Изменчивость всех NN интервалов <0,4 Гц
УНЧ мс2 Ультранизкая частота <0,003 Гц
ОНЧ мс2 Очень низкая частота <0,003–0,04 Гц
НЧ мс2 Мощность в диапазоне низких частот 0,04–0,15 Гц
ВЧ мс2 Мощность в диапазоне высоких частот 0,15–0,4 Гц
НЧ/ВЧ отношение Отношение мощности в диапазоне низких частот к мощности в диапазоне высоких частот

Короткие (краткосрочные) записи в спектре (5 - 10 минут) характеризуются наличием ОНЧ, ВЧ и НЧ компонентов, в то время как длинные (долгосрочные) записи дополнительно к трём другим включают УНЧ компонент. В вышеуказанной таблице приведены наиболее часто используемые в частотной области параметры. Компоненты спектра анализируются по частоте (Герц) и амплитуде, которая оценивается площадью (или спектральной плотностью мощности) каждого компонента. Таким образом, для абсолютных значений, используются возведённые в квадрат единицы, выражаемые в мс в квадрате (мс2),. Могут использоваться натуральные логарифмы (ln) значений мощности, обусловленные ассиметрией распределения. Мощность в НЧ и ВЧ диапазоне может выражаться в абсолютных величинах (мс2) или в нормализованных единицах (не). Приведение НЧ и ВЧ к нормализованному значению осуществляется путём отнимания от общей мощности компонента ОНЧ. Приведение к нормализованному значению имеет склонность с одной стороны уменьшать шумовые помехи, обусловленные артефактами и, с другой стороны, минимизировать влияние изменений общей мощности на НЧ и ВЧ компоненты. Это удобно при оценке влияния от различных вмешательств на одном и том же объекте (постепенное изменение угла наклона) или при сравнении объектов с большими различиями в общей мощности. Перевод в нормализованные единицы осуществляется следующим образом:

НЧ или ВЧ нормализованные (не) = (НЧ или ВЧ (мс2))*100/ (общая мощность (мс2) – ОНЧ (мс2))

Общая мощность вариабельности RR интервалов – это общая изменчивость, соответствующая сумме по четырём диапазонам спектра, НЧ, ВЧ, УНЧ и ОНЧ. Компонент ВЧ главным образом определяется как маркер вагусной модуляции. Этот компонент опосредован дыханием и поэтому определяется частотой дыхания. НЧ компонент модулируется как симпатическим, так и парасимпатическим отделом нервной системы. В этом смысле его интерпретация более спорна. Некоторые учёные считают мощность в НЧ диапазоне, особенно выраженную в нормализованных единицах, средством измерения симпатических модуляций; другие же интерпретируют её как комбинацию симпатической и парасимпатической активности. Они достигают консенсуса в том, что она отражает смесь обоих входящих сигналов автономной системы. На практике, увеличение компонента НЧ (угол наклона, психический и/или физический стресс, симпатомиметические фармакологические средства) в основном считалось последствием активности симпатического отдела. И наоборот, бета - адренергическая блокада приводила к снижению мощности в НЧ диапазоне. Однако в некоторых условиях, связанных с перевозбуждением симпатического отдела, например, у пациентов с прогрессирующей застойной сердечной недостаточностью, было обнаружено, что НЧ компонент стремительно снижается, тем самым отражая снижение отклика синусового узла на нервные входные импульсы.

Отношение НЧ/ВЧ отражает общий симпатовагусный баланс и может использоваться как средство измерения данного баланса. В среднем у нормального взрослого в состоянии отдыха, это отношение в основном составляет между 1 и 2.

УНЧ и ОНЧ являются компонентами спектра с очень низкими колебаниями. УНЧ компонент может отражать циркадный и нейроэндокринный ритмы, а ОНЧ компонент – ритм в долгосрочном периоде. Было выявлено, что ОНЧ компонент является основным показателем физической активности, и предложено считать его маркером симпатической активности.

Корреляции между показателями во временной и частотной области и нормальными номинальными значениями


Установлены корреляции между параметрами временной и частотной области: pNN50 и RMSSD находятся в корреляции между собой и с мощностью в ВЧ диапазоне (r = 0,96), SDNN и SDANN показатели находятся в сильной корреляции с общей мощностью и компонентом УНЧ. Нормальные номинальные значения и значения у пациентов с инфарктом миокарда для стандартных измерений вариабельности сердечного ритма.

Предел применения стандартных измерений ВСР

Так как ВСР связана с изменениями интервалов RR, то её измерение ограничено пациентами с синусовым ритмом, а также теми, у кого имеется малое количество эктопических систол. В этом смысле примерно 20-30% пациентов в постинфарктном периоде, перенесших инфаркт миокарда, с высокой степенью риска, исключаются из какого-либо анализа ВСР по причине частой эктопии или наличия предсердных аритмий, особенно атриальной фибрилляции. Последнюю можно наблюдать у 15-30% пациентов с застойной сердечной недостаточностью, тем самым исключая их из анализа ВСР.

Нелинейные методы (фрактальный анализ) измерения ВСР


Нелинейные методы базируются на теории хаоса и фрактальной геометрии. Хаос определён как изучение многоаспектных, нелинейных и непериодических систем. Хаос описывает природные системы иначе, так как он может учитывать хаотичность и непериодичность природы. Возможно, теория хаоса сможет помочь лучше понять динамику частоты сердечных сокращений, принимая во внимание то, что здоровый сердечный ритм слегка нерегулярен и в некоторой степени хаотичен. В ближайшем будущем нелинейные фрактальные методы могут дать новые представления о динамике частоты сердечных сокращений в контексте физиологических изменений и в ситуациях, сопряжённых с высоким риском, особенно, что касается пациентов, перенесших инфаркт миокарда или в контексте внезапной смерти.

В недавно полученных сведениях высказывается мнение о возможности того, что фрактальный анализ в сравнении со стандартными измерениями ВСР более эффективно выявляет аномальный характер колебаний RR.