Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент Караваев А.С., д.м.н. Киселев А.Р.

Введение

Исследование биологических сигналов и разработка новых методов медицинской диагностики является одним из основных направлений развития медицины и здравоохранения. В последние годы особое внимание уделяется не только изучению состояния отдельных систем организма, но и качеству их функционального взаимодействия. В частности, повышенный интерес вызывает исследование фазовой синхронизации различных колебательных процессов [1, 2]. Так для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы (ССС) недавно был предложен метод, основанный на исследовании фазового захвата между 0.1 Гц подсистемами регуляции сосудистого тонуса и частоты сердечных сокращений [3-7]. В ряде работ было показано, что у здоровых людей состояние регуляторных процессов с частотой около 0.1 Гц находится в высокой степени синхронизации, а количественная оценка степени синхронизованности 0.1 Гц колебаний ССС перспективна в медицинских исследованиях и клинической практике в качестве диагностического критерия здоровья человека [3-4, 8].

На данный момент большинство проводимых исследований в этой области основаны на использовании коротких записей, длительностью около 10 мин. А детального анализа динамики взаимодействия подсистем вегетативной регуляции ССС по длительным записям не проводилось. Во-первых, это можно объяснить тем, что такие исследования требуют проведения специального эксперимента, в ходе которого необходимо осуществлять многочасовую регистрацию экспериментальных временных рядов. Во-вторых, анализ сигналов биологической природы, для которых характерна нестационарность, зашумленность и нелинейность, требует использования специальных подходов нелинейной динамики и статистики. Кроме того, необходима разработка специализированных методов анализа длительных сигналов.

Однако, исследование динамики колебаний индекса фазовой синхронизованности ритмов регуляции ССС по многочасовым записям является важной задачей, которая может дать фундаментальную информацию об устройстве и особенностях взаимодействия систем регуляции ССС и имеет прикладное значение в медицине [8-9, 12-21]. Поэтому, в рамках данной работы, был осуществлен шаг в изучении длинных записей, проведено исследование колебаний индекса фазовой синхронизованности ритмов регуляции ССС по двухчасовым записям условно здорового человека.

Методика

В качестве индекса фазовой синхронизованности используется количественный показатель суммарного процента фазовой синхронизации (S), предложенный в работе [12-13]. Для исследования динамики колебаний меры синхронизованности 0.1 Гц ритмов регуляции ССС по длительным 2 часовым записям кардиоинтерваллограммы (КИГ) и фотоплетизмограммы (ФПГ) меру S оценивали в скользящих окнах длиной 300 секунд, со сдвигом окна 1 секунда. Оценка меры S проводилась с помощью специального программного обеспечения [11].

Предварительно информация о вариабельности сердечного ритма была получена путем выделения из ЭКГ кардиоинтерваллограммы (КИГ), аппроксимации полученной реализации кубическими сплайнами и ресемплирования до частоты дискретизации 5 Гц. Выделение эвкидистантной последовательности КИГ проводилась с помощью специального программного обеспечения [10].

Медленные 0.1 Гц колебания подсистем регуляции сосудистого тонуса и частоты сердечных сокращений выделялись с помощью полосовой фильтрации [0.05;0.15] Гц. Фильтрованный сигнал ФПГ прореживался до частоты дискретизации 5 Гц.

Эксперимент

Проведено 2 эксперимента, в которых осуществлялась одновременная регистрация ЭКГ и ФПГ для 1 добровольца без признаков сердечной патологии со средним уровнем физической активности в возрасте 20 лет с отсутствием сердечнососудистой патологий, и прочих острых и хронических заболеваний.

Регистрация ЭКГ и ФПГ проводилась при помощи многоканального электроэнцефалографа-анализатора ЭЭГА-21/26 "Энцефалан-131-03"  модель 10 (НПКФ «Медиком-МТД», Россия) с комплектом стандартных датчиков. Запись ФПГ, характеризующая колебания кровенаполнения сосудов дистального сосудистого русла, проводилась при помощи пульсоксиметрического датчика (в проходящем свете), помещенного на дистальной фаланге указательного пальца. Продолжительность каждой записи составляла 120 минут. Частота дискретизации записи составляла 250 Гц.

Исследование проводилось в утренние часы (9.00-12.00), что позволяет исключить влияние суточных колебаний в вегетативной регуляции сердечнососудистой системы на результаты. Во время эксперимента человек находился в положении сидя. Дыхание испытуемого было произвольным. К записи приступали не ранее чем через 1,5-2 часа после еды.

Далее по 0.1 Гц колебаниям, выделенным из ФПГ и КИГ, в скользящих окнах длиной 300 секунд, со сдвигом скользящего окна 1 секунда оценивали меру S. На рисунке 1 продемонстрирована полученная реализация меры S для первого и второго эксперимента, оцененная в скользящих окнах.

Рис. 1 Иллюстрация колебаний индекса фазовой синхронизации S для первого (а) и второго (б) исследования при анализе длительных записей ЭКГ и ФПГ.

На рисунке 2 приведены Фурье-спектры полученных реализаций S для обоих экспериментов. Оценка спектров мощности осуществлялась в окнах длиной 3000 секунд со сдвигом 10 секунд. 

Рис. 2 Фурье-спектры колебаний индекса фазовой синхронизации S для первого (а) и второго (б) экспериментального исследования. Оценка Фурье-спектров мощностью осуществлялась с помощью усреднения в окнах шириной 3000 секунд и сдвигом 10 секунд.

Дополнительно для реализации колебаний индекса фазовой синхронизации, представленных на рисунке 2, приведена зависимость коэффициента автокорреляции от времени сдвига [22-24]. Оценка автокорреляционной функции осуществлялась в скользящем окне длиной 2000 секунд.

Рис. 3 Иллюстрация автокорреляционной функции колебаний индекса фазовой синхронизации для первого (а) и второго (б) экспериментального исследования. Оценка автокорреляционной функции осуществлялась в скользящем окне длиной 2000 секунд.

На рис. 1 и 3 для обоих экспериментов можно заметить колебания индекса фазовой синхронизации. Период этих колебаний составляет около 20 мин. На полученных спектрах на рисунке 2 можно выделить колебания исследуемого индекса фазовой синхронизации в ультранизкочастотном диапазоне (менее 0.004 Гц). Появление подобных периодических изменений величины синхронизованности вызывает особый интерес, так как период данных колебаний характерен для гуморальной регуляции процессов.

Заключение

Проведены специальные эксперименты двухчасовой регистрации экспериментальных временных рядов здорового испытуемого. Проведено исследование медленных колебаний индекса фазовой синхронизации между 0.1 Гц подсистемами регуляции сосудистого тонуса и частоты сердечных сокращений по двухчасовым данным. В динамике колебаний индекса фазовой синхронизации 0.1 Гц подсистем вегетативной регуляции ССС в двух экспериментах обнаружены малоизученные ультрамедленные колебания.

В ходе дальнейших исследований планируется проанализировать полученные данные с помощью различных статистических методов, а также увеличить объем экспериментальной выборки.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов Президента РФ МК-2267.2014.8 и МД-4368.2015.7, НШ-1726.2014.2, стипендии Президента РФ СП-3975.2013, РФФИ 14-08-31145, РФФИ № 13-02-00227.