Экспериментальная установка для реализации метода амплитудно-частот-ного анализа сосудистых функций системы кровообращения

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Исследование влияния амплитуды и частоты пульсирующего кровотока на сопряженные функции сосудов было выполнено на 48 кошках обоего пола с использованием ранее разработанных методических подходов [10]. Препарат мышц задней конечности животных децентрализовали и изолировали в гемодинамическом отношении. Перфузия препарата кровью животного проводилась при помощи двухканального насоса постоянного расхода производства ФГБУ «НИИЭМ» СЗО РАМН. Артериальное, перфузионное и давление столба венозной крови в экстракорпоральном резервуаре, отражающее уровень венозного оттока, измеряли с помощью датчиков Statham, кровоток на входе перфузируемого органа определяли ультразвуковым расходомером Transonic. Расчет общего, пре- и посткапиллярного сопротивлений, а также коэффициента капиллярной фильтрации и среднего капиллярного гидростатического давления проводился в установившемся стационарном режиме.

Создание непульсирующего и пульсирующего с модуляцией по амплитуде и частоте кровотоков достигалось введением в экспериментальную установку специально сконструированного пульсатора [3], в котором амплитуда и частота пульсаций могли изменяться независимо друг от друга с сохранением постоянства средней величины перфузионного кровотока или давления. Частота пульсаций f изменялась дискретно в

__________________

3) Перфузия (лат. perfusio вливание) - метод подведения и пропускания крови, кровезамещающих растворов через сосудистую систему органов и тканей организма.

соответствии с конструктивными возможностями пульсатора и равнялась 60, 90, 134 и 178 ударов в минуту. Амплитуда пульсаций A на входе в орган могла плавно изменяться и задавалась пульсатором равной 0,25, 0.5, 1, 1,5 значений от своей исходной величины, измеренной до начала эксперимента. Для изучения различий в реакции сосудов скелетных мышц на пульсирующий и непульсирующий кровотоки исследования проводилось попарно: каждому заданному набору параметров пульсаций (амплитуды и частоты) предшествовало исследование на непульсирующем кровотоке. Измерения всех параметров проводилось в установившемся состоянии перфузируемого региона, идентифицируемом по стабильному значению перфузионного кровотока и венозного оттока. Анализ данных проводился в двух режимах перфузии: при стабилизации кровотока или давления. Статистическую обработку результатов проводили на компьютере с использованием t-критерия Стьюдента, по которому проверялась гипотеза о достоверности отличий между значениями сдвигов исследуемых гемодинамических параметров в пульсирующем и непульсирующем режиме перфузии от нуля. Измеряемые гемодинамические показатели записывались на жесткий диск компьютера.

Результаты исследования

Результаты проведенных экспериментов показали, что при переходе от непульсирующей к пульсирующей перфузии величина и направленность изменений гемодинамических параметров зависели от амплитуды и частоты пульсаций, при изменении сочетания значений которых наблюдали три типа реакций: увеличение, уменьшение или отсутствие сдвигов параметров исследуемых функций. Определены амплитудно-частотные диапазоны пульсовых колебаний, при которых происходили достоверные изменения измеряемых показателей. Амплитудно-частотные характеристики исследуемых гемодинамических параметров были различны между собой и нелинейны. В проведенных экспериментах максимумы сдвигов показателей сосудистых функций варьировались (для разных параметров и для каждого в отдельности от опыта к опыту в зависимости от индивидуальных свойств животных) по значениям амплитуд и частот, при которых они проявлялись.

Условия перфузии (постоянный кровоток или давление) изменяли вид амплитудно-частотных характеристик резистивной и обменной сосудистых функций. В условиях стабилизации перфузионного кровотока достоверные сдвиги общего сосудистого сопротивления были менее выраженными (4.5%), чем при перфузии под постоянном давлением (14%). В режиме стабилизации расхода переход от непульсирующей к пульсирующей перфузии в зависимости от амплитуды и частоты пульсаций мог вызывать уже отмеченное увеличение или уменьшение (-5.5%), либо отсутствие изменений суммарного сосудистого сопротивления. При стабилизации давления сдвиги указанного параметра при данных воздействиях были либо положительными (при определенных сочетаниях амплитуды и частоты пульсаций), либо отсутствовали. Отрицательных изменений зарегистрировано не было. При анализе влияния пульсаций на сосудистое сопротивление расшифрован вклад последовательно расположенных участков сосудистого русла в сдвиги резистивной функции сосудов. При постоянном кровотоке увеличение суммарного сопротивления обусловлено ростом посткапиллярного сопротивления (19%), а уменьшение – снижением прекапиллярного (-6.5%). В режиме стабилизации давления рост общего сопротивления сосудов исследуемого региона происходил на фоне увеличения прекапиллярного сопротивления (14%).

Характеристику сдвигов исследуемых сосудистых сопротивлений в диапазоне своих максимальных изменений в ответ на появление пульсаций (в режиме стабилизации кровотока) иллюстрирует рисунок 1. На рисунке представлена зависимость изменений сопротивлений от частоты пульсаций f при фиксированной их амплитуде A, равной половине исходного значения (до начала эксперимента). На данном рисунке R – суммарное сопротивление (серые столбики), R_a – прекапиллярное сопротивление (белые столбики), R_v – посткапиллярное сопротивление (столбики со штриховкой). Из рисунка следует, что наибольшее влияние пульсирующий кровоток оказывал на посткапиллярное сопротивление, сдвиги которого по сравнению с другими наиболее выражены. Эти результаты, учитывая, что изменения данного сопротивления практически напрямую передаются на капиллярное гидростатическое давление [10], дают основание полагать высокую степень влияния пульсаций на обменную функцию сосудов.

Влияние режима перфузии на характер достоверных максимальных сдвигов сосудистого суммарного, пре- и посткапиллярного сопротивлений при изменении пульсовых характеристик кровотока представлено на рисунке 2, на котором ∆ R, R_a, R_v – максимальные изменения соответственно суммарного, пре- и посткапиллярного сопротивления в процентах по отношению к значениям, полученным при непульсирующей перфузии. Заштрихованные столбики – перфузия при стабилизации давления, светлые столбики – перфузия при стабилизации кровотока.

При стабилизированном кровотоке наблюдали разнонаправленные изменения суммарного, увеличение пост- и снижение прекапиллярного сопротивлений. При стабилизированном давлении сдвиги суммарного и прекапиллярного сопротивлений были положительны (однонаправленные), достоверных изменений посткапиллярного сопротивления зарегистрировано не было.

Рис. 1. Сравнительная характеристика изменений суммарного, пре- и посткапиллярного сопротивлений сосудов скелетной мышцы от частоты пульсирующего кровотока при фиксированной амплитуде (в режиме стабилизации кровотока)

Рис. 2. Максимальные сдвиги суммарного, пре- и посткапиллярного сопротивлений сосудов скелетной мышцы при переходе от непульсирующей к пульсирующей перфузии в режиме стабилизации давления или кровотока

Наибольшее влияние пульсации оказывали на показатели обменной функции, то есть капиллярный отдел сосудистого русла. Результаты статистической обработки сдвигов коэффициента капиллярной фильтрации в зависимости от амплитуды и частоты пульсаций в режиме стабилизации перфузионного кровотока представлены в таблице 1 (достоверность различия по сравнению с фоном в таблице: ^* - p < 0.05; ^** - p < 0.02; ^*** - p < 0.01, где p – вероятность нахождения измеряемой величины в доверительном интервале). Из таблицы видно, что изменения этого показателя были разнонаправлены.

Таблица 1. Сдвиги коэффициента капиллярной фильтрации в ответ на изменение

амплитуды А и частоты пульсаций f в режиме стабилизации кровотока

A , отн. ед.	f , уд∙мин^-1.
A , отн. ед.	60	90	134	178
0.25	4.4 ± 5.0	41 ± 12 ^***	18 ± 10	11 ± 10
0.5	9.1 ± 6.5	48 ± 17 ^**	5.9 ± 9.1	7.0 ± 12
1.0	14.4 ± 8.0	19.7 ± 8.0 ^*	8.3 ± 2.6 ^**	3.1 ± 7.6
1.5	-3.5 ± 5.2	-12.8 ± 3.2^***	-7.0 ± 4.9	-6.6 ± 4.0

В режиме перфузии постоянным расходом пульсации на входе сосудистого региона вызывали рост коэффициента капиллярной фильтрации до полутора раз (48% (таблица 1)); при постоянном давлении его увеличение было менее выраженным и составило 17.5%. В режиме стабилизации расхода определенные значения параметров пульсаций мог вызывать уменьшение (до 13%) этого гемодинамического показателя, что не наблюдали при перфузии под постоянным давлением. В условиях стабилизации кровотока наблюдаемый при определенных значениях амплитуд и частот рост коэффициента капиллярной фильтрации происходил на фоне увеличения среднего капиллярного гидростатического давления (на 11%), что приводило к смещению фильтрационно-абсорбционного равновесия в сторону фильтрации.

Изменения капиллярного гидростатического давления (Рс) при действии пульсаций в режиме стабилизации кровотока, представленные в виде 3-х мерной гистограммы (поверхности отклика) на рисунке 3, демонстрируют присутствие выраженного максимума в его амплитудно-частотной характеристике. Изменения амплитуды и частоты на данном рисунке находились в диапазонах, указанных в разделе 3 при описании экспериментальной установки.

Среди причин, ведущих к увеличению среднего капиллярного гидростатического давления при переходе от непульсирующей к пульсирующей перфузии, помимо собственных механизмов на капиллярном уровне, реагирующих на пульсовые колебания кровотока, можно предположить, что важную роль посткапиллярного сопротивления [10]. Такое предположение основывается на том, что передаточный коэффициент давления с вен на капилляры в скелетных мышцах в режиме перфузии постоянным расходом достигает 90%, что уже отмечалось ранее при обсуждении данных рисунка 1.

Рис. 3. Зависимость изменений капиллярного гидростатического давления сосудов (Рс) скелетной мышцы (в процентах) от амплитуды и частоты пульсаций в режиме стабилизации кровотока

При стабилизации же перфузионного давлении пульсации на входе органа, вызывая рост коэффициента капиллярной фильтрации, не изменяли среднее капиллярное гидростатическое давление, увеличивая тем самым скорость транскапиллярного перемещения жидкости без смещения фильтрационно-абсорбционного равновесия. Полученные результаты свидетельствует о важной роли пульсовых колебаний в реализации основной – транспортной функции системы кровообращения.

Исследование влияния амплитудной и частотной модуляции перфузионного кровотока на емкость сосудистого русла выявило слабую зависимость этого гемодинамического параметра от частоты колебаний; увеличение же амплитуды пульсаций приводило к снижению кровенаполнения перфузируемого органа (4%).

Обсуждение результатов

Проведенные исследования показали, что и в режиме стабилизации давления, как и при стабилизации кровотока, амплитуда и частота пульсирующего кровотока оказывают влияние на резистивную и обменную функции сосудов скелетной мышцы. При переходе от непульсирующей к пульсирующей перфузии определенные значения амплитуды и частоты пульсаций вызывали достоверные изменения гемодинамических параметров, характеризующих эти функции. Установлены диапазоны изменений амплитуды и частоты пульсовых колебаний, при которых происходили достоверные сдвиги исследуемых параметров. Режим перфузии (постоянный кровоток или давление) влиял на величину и направленность сдвигов исследуемых показателей функций органных сосудов.

Полученные экспериментальные данные позволили расшифровывать вклад сопротивлений последовательно расположенных участков сосудистого русла в изменения суммарного сопротивления, вызванные переходом от непульсирующего к пульсирующему кровотоку, о чем свидетельствуют однонаправленные сдвиги этих сопротивлений в одних и тех же амплитудно-частотных диапазонах. При стабилизации давления изменения суммарного сосудистого сопротивления были направлены только в сторону увеличения и обусловлены ростом прекапиллярного сопротивления. В условиях стабилизации кровотока увеличение суммарного сопротивления обусловлено ростом посткапиллярного сопротивления, а уменьшение – снижением прекапиллярного.

Исследования выявили влияние амплитуды пульсовых колебаний и на емкостную функцию сосудов: высокоамплитудная пульсация вызывала увеличение венозного оттока, свидетельствующего об уменьшение емкости сосудистого русла, изменение частоты пульсаций практически не оказывало влияния на эту сосудистую функцию.

Экспериментальные данные позволяют сделать вывод о том, что при пульсирующем кровотоке транскапиллярное перемещение жидкости происходит более интенсивно, способствуя выполнению одной из главных задач системы кровообращения – ее транспортной функции.

В обоих используемых в исследовании режимах перфузии были выявлены свойства гемодинамических параметров резистивной и обменной функций при изменении (и в зависимости от) амплитуды и частоты пульсаций достигать своих максимальных значений (экстремумов). Такие свойства гемодинамических показателей ассоциируются с резонансными. Наличие резонансных свойств является одним из важнейших условий функционирования открытых, нелинейных, неравновесных систем [2], к которым относится и система кровообращения [6,7].

Амплитудно-частотные характеристики гемодинамических параметров, характеризующих исследуемые сосудистые функции, были нелинейны. Различие этих характеристик и несовпадение их экстремумов для изучаемых гемодинамических показателей свидетельствует о функциональной специфичности реакций последовательно расположенных участков органного сосудистого русла на изменение параметров пульсовых колебаний кровотока.

Полученные данные позволили предложить концепцию волнового управления сопряженными функциями органных сосудов [9], согласно которой их направленное изменение достигается вариацией амплитуды и частоты пульсовых колебаний кровотока.

Результаты проведенного исследования имеют и информационную значимость для медицинской практики: они открывают новые возможности при обследовании больных с сердечнососудистой патологией (например, при ишемической болезни сердца, инфаркте и т.д.), позволяя использовать полученные результаты как диагностические признаки (маркеры) при предсказании состояния и возможных изменений сосудистых функций системы кровообращения (неинвазивными методами). Для диагностических целей при этом могут быть использованы и данные высокоточных электрокардиографов (ЭКГ), разрабатываемых на кафедре медицинской радиоэлектроники ГУАП, значение результатов которых может быть особенно важным с учетом влияния так называемого «малого фактора» на поведение нелинейных биосистем.

В то же время, следует отметить, что, литературные данные свидетельствуют об отсутствии непосредственной взаимосвязи между электрическими процессами сердца и сократимостью миокарда, а также параметрами гемодинамики в нормальном состоянии организма [11]. Однако развитие сердечнососудистой патологии, например, гипертрофии желудочка, диагностируемой на ЭКГ по соотношению амплитуд R и T зубцов, может сопровождаться изменением сократимости и гемодинамическими сдвигами [12]. Работы по изучению возможной взаимосвязи электрокардиографических данных с параметрами сосудистых функций при патологии сердечнососудистой системы начаты в настоящее время и являются задачей будущих исследований.

Экспериментальные данные, полученные при использовании разработанного метода анализа, позволили установить, что вариацией двух переменных – амплитуды и частоты – можно направленно изменять регистрируемые параметры исследуемых сосудистых функций, причем получаемые сдвиги могут быть противоположны по знаку. Эти результаты приводят к заключению о необходимости иметь, по крайней мере, две координаты в фазовом пространстве входных переменных исследуемых функций (рисунок 3). Использование только одной переменной – амплитуды или частоты – дает неполную информацию и может быть источником отмеченных литературных противоречий о влиянии волновых характеристик кровотока на функции сосудов.

Разработанный метод анализа имеет перспективы усовершенствования, связанные с возможностями информационных технологий. В частности, можно отметить, что пульсации не являются синусоидальными, а имеют достаточно сложный частотный спектр, форма которого может варьироваться и содержать полезную информацию о процессах, происходящих в живом организме. Информационный подход, адаптированный к биологическим системам [13](нс)[*], может быть применен для проведения дополнительного исследования полученных данных. Анализ, связанный с изучением шумов, влияющих на результаты измерений, возможно, позволил бы определить источники потерь информации и пути к информационной оптимизации метода [14] (нс).

Выводы

Результаты проведенного исследования позволяют предположить существование в сердечнососудистой системе волнового контура управления, в котором управление гемодинамическими параметрами происходит посредством вариации волновых характеристик существующих в системе колебательных процессов, а так же позволяют сформулировать концепцию волновой регуляции сопряженных сосудистых функций, заключающуюся в возможности изменением амплитуды и частоты пульсаций направленно воздействовать на резистивную, емкостную и обменную функции органных сосудов. Эти данные свидетельствуют о необходимости и регуляторной роли волновых характеристик кровотока в реализации сосудистых функций органных сосудов.

Список литературы

1. Инженерная физиология и моделирование систем организма / Под ред. В.Н. Новосельцева. Новосибирск.: Наука. 1987. 236 с.

2. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М.: Эдиториал УРСС. 2003. 342 с.

3. Поясов И.З., Савельев А.К. Влияние амплитуды и частоты пульсовых колебаний кровотока на резистивную и обменную функции сосудов скелетной мышцы у кошек // Физиол. журн. СССР им. И.М. Сеченова. 1989. Т.75, № 4. С. 548-554.

4. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Том 1. М.: Мир. 1980. 610 с.

5. Поясов И. З., Дик И. Г., Кириленко В. И., Богач В. Г. Статистический метод изучения сердечнососудистых процессов с учетом их нелинейности и нестационарности / Интеграция сосудистых функций. Л.: НИИИЭМ АМН СССР. 1984. С.133 – 142.

6. Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. М.: Мир. 1981. 424 с.

7. Дик И.Г., Поясов И.З. Моделирование процессов регуляции кровообращения / В кн.: Руководство по физиологии. Физиология кровообращения: регуляция кровообращения. Л., Наука. 1986. С.546-573.

8. Ткаченко Б.И., Евлахов В.И., Поясов И.З. Динамические соотношения изменений давления и кровотока в легочной артерии при применении катехоламинов // Бюлл. экспер. биол. и медицины. 2008. Т.145, №1. С.4-7.

9. Поясов И.З. Функции органных сосудов при пульсирующем кровотоке // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2011. Т.97, №1. С.35-46.

10. Интеграция сосудистых функций / Под ред. Б.И.Ткаченко. Л.: НИИЭМ АМН СССР, 1984. 158 с.

11. Floyd R., Wagner G., Austin E., Sabiston D., Jones R. Relation between QRS changes and left ventricular function after coronary artery bypass grafting. Am J Cardiol. 1983, Nov 1. V 52. № 8. P.943-949.

12. Pinsky M., Gorcsan J., Gasior T., et al. Changes in electrocardiographic morphology reflect instantaneous changes in left ventricular volume and output in cardiac surgery patients // Am J Cardiol. 1995, Oct 1. V.76. № 10. P.667-674.

13. Худяков Г.И. Об использовании математической теории информации в биологии и медицине / Биомедицинская радиоэлектроника 2013. //Настоящий сборник.

14. Зайченко К.В., Гуревич Б.С. Многоспектральная обработка изображений биологических объектов с помощью акустооптических устройств / Биомедицинская радиоэлектроника 2013. // Настоящий сборник.

Краткие сведения об авторе:

Поясов Илья Залманович, доктор биологических наук, профессор кафедры медицинской радиоэлектроники ГУАП; ведущий научный сотрудник ФГБУ «НИИ экспериментальной медицины» СЗО РАМН, тел.: 8-(921)-987-61-04, e-mail: ilpoar@yandex.ru

Author’s data

Poyasov Ilya Zalmanovich,

Dr.Sci.Biol., professor of chair of medical radio electronics of SUAI; leading researcher of Federal State Budgetary Institution Scientific Research Institute of Experimental Medicine of SZO Russian Academy of Medical Science,

ph.: 8-(921)-987-61-04,

e-mail: ilpoar@yandex.ru

[*] (нс)– настоящий сборник

Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 76; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12

Мы поможем в написании ваших работ!