Оценка динамической ауторегуляции мозгового кровотока с помощью передаточной функции

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННОМ ЕД И Ц И НС КОЙ АКАДЕМИИ Обзоры от нуля до единицы. Чем ближе значение когерентности к единице, тем больше выражены причинно- следственная связь между входными выходным сигналами, линейная зависимость между ними и достоверность фазового сдвига и усиления. Причинами низкой когерентности (<0,5) являются: 1) зависимость между входным и выходным сигналами не является линейной; 2) шум; 3) выходной сигнал обусловлен более чем одним входным сигналом; 4) между входным и выходным сигналами отсутствует причинно-следственная связь, т.е. входной сигнал не влияет на выходной сигнал [47].
Так как линейность системы является важным условием модели передаточной функции, то чем выше когерентность, тем более данная модель со- ответствует действительности. Порогом когерент- ности большинство исследователей считают равным
0,5 [45]. Когерентные частоты – это частоты больше установленного порога когерентности, т.е. больше 0,5.
Другие параметры передаточной функции (фазовый сдвиг и усиление) хотя и определены, но имеют смысл
(достоверны) только для когерентных частот.
Для определения ФС и усиления обычно исполь- зуют правило Hu, в соответствии с которым ФС и уси- ление выбирают на частоте максимальной когерент- ности в интересующем диапазоне частот [23, 39].
Giller [17] рассматривал когерентность как ин- дикатор динамической АРМК. Он основывался на классическом определении АРМК, в соответствии с которым АРМК функционирует тем лучше, чем менее мозговой кровоток зависит от ЦПД, т.е. чем мень- ше выражена причинно-следственная связь между изменениями мозгового кровотока и ЦПД. Так как когерентность, в частности, является индикатором причинно-следственной связи, то Giller считал, что чем меньше когерентность, тем лучше функциони- рует динамическая АРМК. В дальнейшем отношение к когерентности принципиально изменилось и в на- стоящее время когерентность не рассматривается как индикатор динамической АРМК. Как выяснилось, динамическая АРМК может эффективно действовать при хорошей причинно-следственной связи между
САД и ЛСК, а причиной низкой когерентности явля- ется скорее нелинейный характер функционирования динамической АРМК в определенном частотном диапазоне.
Фазовый сдвиг – это смещение колебаний ЛСК относительно соответствующих колебаний САД.
Выявлено, что ФС между колебаниями ЛСК и САД возникает лишь в определенном диапазоне частот, а именно в диапазоне низких частот (0,06–0,12 Гц).
Фазовый сдвиг выражается в градусах или радиа- нах. Колебания ЛСК в низкочастотном диапазоне
(0,06–0,12 Гц) не возникают синхронно с колебаниями
САД. ЛСК восстанавливается быстрее, чем CАД, что вызывает смещение колебаний ЛСК относительно колебаний САД таким образом, что колебания ЛСК как бы опережают колебания САД (смещаются влево по временной шкале).
В данной модели нормальная (интактная) динами- ческая АРМК определяется как положительный ФС между колебаниями САД и ЛСК в низкочастотном диа- пазоне (0,06–0,12 Гц), тогда как нарушение динамиче- ской АРМК сопровождается уменьшением ФС вплоть до нуля при ее полной дисфункции [14, 21, 47].
Усиление (Gain
1
) является третьим и последним параметром передаточной функции и характеризует отношение амплитуды выходного сигнала (ЛСК) отно- сительно амплитуды входного (САД) [45, 47]. Если на какой-то частоте значение усиления больше единицы, то выходной сигнал (ЛСК) усиливается, если усиление меньше единицы, то выходной сигнал (ЛСК) на данной частоте, наоборот, ослабляется.
В модели динамической АРМК с анализом переда- точной функции усиление представляет подавляющее действие динамической АРМК на амплитуду входных колебаний (САД). Чем меньше амплитуда выходных колебаний (ЛСК), тем более эффективно действует динамическая АРМК. При нарушении динамической
АРМК амплитуда выходных колебаний возрастает, что выражается в увеличении усиления.
Для оценки динамической АРМК с анализом пере- даточной функции ФС считается более значимым и гораздо чаще используется в исследованиях, чем уси- ление. Полагают, что усиление отражает иной аспект динамической АРМК и может не коррелировать с ФС
[45]. Следует также отметить, что усиление изучено гораздо меньше, чем ФС и его информативность как параметра динамической АРМК, в отличие от ФС, окончательно не определена [33].
Время параллельной регистрации САД и ЛСК в модели динамической АРМК с анализом переда- точной функции обычно составляет 5 минут. Так как динамическая АРМК при резком изменении ЦПД и, как следствие, мозгового кровотока, срабатывает не сразу, а через несколько секунд, то отреагировать она успевает только на колебания с низкой частотой.
Поэтому в модели динамической АРМК с анализом передаточной функции обычно рассматриваются частоты от 0 до 0,5 Гц. Более высокие частоты для изучения динамической АРМК не информативны, поэтому пульсовые колебания САД (их частота выше
0,5 Гц) на этапе подготовки полученных данных к об- работке подвергаются фильтрации, в результате чего вся спектральная плотность сигналов САД и ЛСК ока- зывается распределена в диапазоне от 0 до 0,5 Гц
2
. На основании спектрального анализа САД и ЛСК данный диапазон разделен на три части
3
[47]:
1
Gain в переводе с английского означает «усиление». Однако применительно к модели динамической АРМК
Gain правильнее понимать как «подавление».
2
Обычно в диапазоне от 0 до 0,3 Гц
3
Приведенные ниже цифры у разных авторов могут отличаться.

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННОМ ЕД И Ц И НС КОЙ АКАДЕМИИ 2013
Обзоры
185
1) диапазон очень низких частот 0–0,06 Гц) диапазон низких частот 0,06–0,12 Гц (варьирует от 0,04 до 0,2 Гц) диапазон высоких частот 0,12–0,5 Гц.
При обследовании добровольцев и пациентов с различной патологией было установлено, что в диапазоне очень низких частот (0–0,06 Гц) когерентность меньше 0,5, поэтому, как было указано выше, значения ФС и усиления не информативны. Причиной низкой когерентности считается нелинейный характер функционирования динамической АРМК в данном диапазоне Диапазон низких частот является самым важным в модели динамической АРМК с анализом передаточной функции, так как когерентность здесь больше
0,5. Это указывает на то, что изменения ЛСК линейно зависимы от изменений САД и динамическая АРМК функционирует как линейная система.
ФС в низкочастотном диапазоне в его начале положительный и составляет около 1 радиана. По мере увеличения частоты он уменьшается, но по-прежнему остается положительным (рис. Усиление ведет себя по-другому. Усиление, также как и ФС, имеет положительное значение вначале низкочастотного диапазона, нов отличие от ФС, увеличивается по мере увеличения частоты.
Пик спектральной плотности САД и ЛСК в низкочастотном диапазоне обусловлен пейсмейкерной активностью симптатического отдела вегетативной нервной системы, а соответствующие ему колебания САД и ЛСК получили название волны Майера волны) [26]. Эти М-волны возникают с частотой около 0,1 Гц (в диапазоне 0,08–0,12 Гц. Такая частота соответствует 6 колебаниям в минуту, а длительность каждой М-волны составляет 10 секунд. Волны Майера присущи не только человеку, и их частота зависит от вида животного. Например, у собаки кошек частота
М-волн также около 0.1 Гц, у кроликов – 0,3 Гц, у крыс и мышей – 0,4 Гц [2]. Выраженность М-волн зависит от индивидуальных особенностей вегетативной нервной системы человека. Они обычно менее выражены, чем дыхательные волны и могут отсутствовать вовсе [2, 4, 7, 11]. Важность М-волн для изучения динамической АРМК с анализом передаточной функции состоит в том, что они возникают в диапазоне низких частот, те. в том диапазоне, в котором динамическая АРМК эффективна как фильтр высоких частот. Если амплитуда
М-волн достаточно выражена, то когерентность этих волн высокая и показатели ФС и усиления становятся информативными (достоверными. Если же волны
Майера выражены недостаточно или вовсе отсутствуют, то когерентность в диапазоне низких частот меньше 0,5 и значения ФС и усиления перестают быть достоверными В том случае, когда невозможно достичь высокой когерентности из-за низкой мощности естественных колебаний САД в низкочастотном диапазоне диапазоне волн Майера) предложено искусственно вызывать периодические колебания САД в данном диапазоне (обычно с частотой 0,1 Гц. Среди методик искусственной периодической модуляции САД наибольшее распространение получила методика регулируемого дыхания Diehl et al. [14], основанный на ритмичном дыхании с частотой 6 циклов вдох/вы- дох в минуту (0,1 Гц. На основании данной методики
Diehl et al. определили динамическую АРМК как положительный ФС между колебаниями АД и ЛСК на частоте 0,1 Гц (соответствует частоте индуцированных дыхательных экскурсий, который в норме составляет
70±30°, существенно снижаясь при цереброваскуляр- ной патологии.
К другим методикам искусственной периодической модуляции САД относятся прерывистая компрессия нижних конечностей пневмоманжетами [27], ритмические сжатия руки [29], ритмические ортостатические воздействия [7, 11], циклическое отрицательное давление в нижних конечностях [8], циклическая вер- тикализация Методики искусственной модуляции АД имеют одно общее достоинство – высокую когерентность близкую к единице) колебаний САД и ЛСК на частоте около 0,1 Гц. Однако все они имеют свои недостатки и ограничения. Например, метод регулируемого дыхания может вызвать гиперкапнию, которая сильно
Рис.5. Средние значения усиления (А, ФСБ) и когерентности (С) между колебаниями САД и ЛСК в СМА у здоровых добровольцев. Сплошные линии – средние значения, прерывистые линии – стандартная ошибка средней [47].

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННОМ ЕД И Ц И НС КОЙ АКАДЕМИИ Обзоры повлияет на результат, так как pCO
2
является важной детерминантой мозгового кровотока. Известно, что гиперкапния вызывает вазодилятацию и нарушение динамической АРМК, поэтому проведение исследования требует мониторинга содержания СО в выдыхаемом воздухе [33]. Некоторые пациенты испытывают дискомфорт от непривычного ритма дыхания. Важно то, что значения ФС при регулируемом дыхании обычно выше, чем при спонтанном дыхании [14, 39]. Это объясняется тем, что исследования при регулируемом и спонтанном дыхании проводятся в разных физиологических условиях с разным воздействием на каждую из детерминант мозгового кровотока, поэтому сравнивать значения ФС следует при использовании одной методики с одинаковыми условиями её про- ведения.
Передаточная функция, как уже сказано, дает частотную характеристику преобразования САД в
ЛСК. Передаточную функцию можно обратно преобразовать из частотного режима в режим времени это осуществляется с помощью обратного преобразования Фурье. В результате получится импульсная функция отклика, которая характеризует реакцию ЛСК на единичный гипотетический импульс САД (минимальной длительности. Импульсная функция отклика позволяет прогнозировать реакцию ЛСК на любое индуцированное изменение САД, как, например, при манжетном тесте. Модификация импульсной функции отклика дает ступенчатую функцию отклика, которая также используется для изучения динамической АРМК в режиме времени (рис. 6). Таким образом, современная концепция частотного анализа состояния АРМК на основе исследования спонтанных периодических колебаний показателей системной и церебральной гемодинамики, существующая уже более двадцати лет, позволила по-новому взглянуть на проблему АРМК, которая рассматривается как частотно-зависимый феномен. Это привело к разработке неинвазивных методике оценки, новых прогностических и диагностических критериев при различной нейрохирургической патологии для повышения эффективности лечения.
Но, несмотря на это, многие методические аспекты современных способов, вопросы патогенеза и прикладного применения результатов оценки
АРМК по-прежнему остаются актуальными и требуют дальнейшего изучения. Так, до конца неясной остается роль внутричерепных В-волн в патогенезе вазоспазма и внутричерепной гипертензии. Нет четких сведений о диапазоне нормальных значений их амплитуды в спектре гемодинамических показателей. Что же касается системных М-волн, то следует отметить, что остаются неразработанными способы их более точного выявления в спектре системного артериального давления. Это чрезвычайно важно для адекватного расчета ФС между М-волнами САД и ЛСК с целью получения более точной информации о состоянии АРМК в норме и при различной патологии. Важной проблемой остается проблема линейности/нелинейности изучаемых процессов, в первую очередь колебаний САД и ЛСК. Результаты кросс-спектрального анализа медленных колебаний можно считать информативными в том случае, когда изучаемые процессы обладают достаточной стационарностью, минимальным присутствием шумов, и наконец, линейно зависимы между собой в интересующем диапазоне частот. Данная задача к настоящему времени пока остается нерешенной. Перспективным направлением является разработка методов, позволяющих проводить мультиканальный мониторинг показателей системной и церебральной гемодинамики, исследование АРМК в режиме реального времени с одновременным применением как кросс-спектрального, таки корреляционного анализов, возможностью фильтрации сигнала, эффективного подавления шумов, проведения обратного преобразования, что, несомненно, предполагает наличие мощного программного оснащения. Это способствовало бы более широкому внедрению и активному применению вышеописанных методик не только в области фундаментальных исследований, но ив клинической практике, в том числе у постели больного.

Скачать 296.04 Kb.

Поделитесь с Вашими друзьями: