С. П. Королева Калакутский Л. И. Инструментальные методы оценки состояния человека в аэрокосмических исследованиях

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Электронная лекция

Самара 2009

УДК 615.47
Л.И. Калакутский Инструментальные методы оценки состояния человека в аэрокосмических исследованиях. Электронная лекция. Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2009.

Рассмотрены инструментальные методы оценки состояния человека, используемые в системах оперативного медицинского контроля в условиях космических полетов. Даны принципы построения приборов и методов мониторинга состояния организма.

Основное внимание уделено методам и средствам оценки показателей сердечно-сосудистой и респираторной системы. Приводится подробное описание метода оценки состояния организма путем анализа вариабельности ритма сердца. Дано описание структурного построения современной мониторной аппаратуры.

Предназначено для студентов аэрокосмических специальностей вузов обучающихся по направлению «Биомедицинская техника».

Подготовлено на кафедре радиотехники и медицинских диагностических систем

 Самарский государственный аэрокосмический университет, 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие................................................................................................ Глава 1. Системы мониторинга состояния человека в космических исследованиях………………………………………………........................... 1.1. Общие принципы мониторинга состояния человека.............................. 1.2. Методы медицинского контроля в условиях космических полетов...... Глава 2. Мониторинг показателей сердечно-сосудистой системы.......... 2.1. Контроль параметров сердечного ритма................................................. 2.1.1.Мониторинг частоты сердечных сокращений.................................... 2.1.2. Мониторинг показателей вариабельности ритма сердца................ 2.1.3.Аппаратура автоматизированного анализа ритма сердца............... 2.2 . Мониторинг параметров давления крови................................................ 2.2.1. Косвенные методы измерения давления крови............................ 2.2.4. Аппаратура мониторного контроля параметров давления крови... 2.3. Мониторинг сердечного выброса.............................................................. Глава 3. Респираторный мониторинг.................................... 3.1. Принципы мониторинга функции внешнего дыхания............................. 3.2. Диагностические показатели газообмена и газов крови........................... 3.3. Мониторинг степени насыщения гемоглобина крови кислородом......... 3.3.1. Спектрофотометрическая оксиметрия.............................................. 3.3.2. Методика пульсовой оксиметрии ..................................................... 3.3.3. Особенности построения пульсоксиметров..................................... 3.3.5. Возможные источники погрешностей при пульсоксиметрии...... 3.4. Мониторинг напряжения кислорода в крови.......................................... 3.6. Приборы респираторного мониторинга............................................... Заключение....................................................................................................... Список использованных источников...........................................................

4 7 7 14 21 21 22 24 34 42 44 56 61 70 70 71 73 73 78 81 92 94 98 103 105

«Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством, вначале робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет все околоземное пространство».

К.Э. Циолковский

ПРЕДИСЛОВИЕ
Начало пилотируемой космонавтики было положено первым полётом человека, который впервые в мире был совершён гражданином СССР Ю.А.Гагариным 12 апреля 1961 года. Длительность этого полёта составила 100 мин. В последующие годы были выполнены многочисленные кратковременные пилотируемые космических полётов на кораблях «Восток», «Восход» и «Союз» длительностью от одних до 18 суток. Проведенные в этих полётах медицинские исследования показали принципиальную возможность безопасного пребывания человека в условиях кратковременных полетов и активной внекорабельной деятельности.

Анализ послеполетных нарушений, таких как снижение устойчивости к физическим и ортостатическим воздействиям, нарушения координации движений и регуляции вертикальной позы, снижение массы тела, выявил отчетливую тенденцию к нарастанию глубины изменений в зависимости от длительности полетов.

Стало очевидным, что для дальнейшего увеличения длительности полетов необходимо не только усилить оперативный медицинский контроль состояния космонавтов, но и дополнить его периодическими углубленными обследованиями космонавтов и внедрить систему профилактических мероприятий, снижающих воздействие микрогравитации и облегчающих реадаптацию человека к земным условиям. Эти системы были разработаны и реализованы на орбитальных станциях “Салют” и “Мир”, что позволило осуществить космические полёты длительностью до 14,2 месяцев.

В комплексе мероприятий, обеспечивающих безопасность экипажа в длительных космических полётах, важная роль принадлежит медицинскому контролю состояния космонавтов. Как известно, космические миссии сопровождаются рядом закономерно возникающих изменений в организме человека под влиянием факторов полета, а также может иметь место развитие неблагоприятных состояний, связанных с работой космонавтов и нарушением функционирования систем жизнеобеспечения или с другими аварийными и нештатными ситуациями. Кроме этого, в условиях космических полётов возможно развитие ряда заболеваний, что имело место в кратковременных и длительных полетах.

Основной целью медицинского контроля в самом общем виде является оценка здоровья космонавтов на всех этапах полета, выявление изменений функционального состояния организма, а также диагностика неблагоприятных состояний и заболеваний, которые могут развиться в полёте.

В настоящей работе рассмотрены медико-технические принципы, лежащие в основе построения современных методов оценки состояния человека.

Основное место занимает рассмотрение методов и средств оценки показателей сердечно-сосудистой и респираторной системы. Приводится подробное изложение метода оценки состояния человека путем анализа вариабельности ритма сердца.

В первом разделе рассмотрены общие принципы медицинского мониторинга, системы оперативного медицинского контроля в условиях космических полетов. Приведены особенности методов оперативного контроля состояния человека при внекорабельной деятельности, организации текущих и периодических углубленных медицинских обследований.

В работе использованы материалы, изложенные в актовых речах на ученом совете Института медико-биологических проблем РАН, ведущих специалистов в области авиакосмической медицины д.м.н., профессора А.Д. Егорова и д.б.н., профессора Р.М. Баевского.

В работе использованы материалы по разработке новой аппаратуры клинического мониторинга (Калакутский Л.И., Бахтинов П.И., Конюхов В.Н., Молчков Е.В.) серийно выпускаемой в настоящее время предприятием «Новые приборы» (г. Самара).

Предназначено для студентов аэрокосмических специальностей вузов обучающихся по направлению «Биомедицинская техника» и изучающих вопросы проектирования медицинской диагностической аппаратуры.

ГЛАВА 1 Системы мониторинга состояния человека в космических исследованиях

В авиакосмической медицине проблема непрерывного контроля диагностических данных о состоянии человека занимает особое место, так как в этой области медицины слежение за текущим состоянием приобретает жизненно важную роль.

Построение инструментальных средств диагностики состояния основано на регистрации и измерении физиологических показателей, характеризующих работу важнейших систем организма.

Развитие техники и, в особенности, электроники привело к созданию высокочувствительных методов регистрации биологических сигналов и эффективных средств их обработки и получения диагностических данных.

Биологические сигналы представляют собой разнообразные по характеру проявления (электрические, механические, химические, и др.) деятельности физиологических систем организма. Знание параметров и характеристик биологических сигналов дополняет клиническую картину заболевания объективной диагностической информацией, позволяющей прогнозировать развитие состояния.

Современная концепция медицинского мониторинга (от лат. monitor-предостерегающий) предполагает непрерывный контроль состояния человека, осуществляемый на основе регистрации физиологических данных и оценки диагностических показателей организма с целью выявления отклонения показателей, предупреждения опасностей, возникающих в процессе контроля.

Методы исследования физиологических процессов, используемые в приборах медицинского мониторинга, должны обеспечивать непрерывность регистрации биологических сигналов в реальном масштабе времени при высокой диагностической ценности получаемых показателей.

Этим требованиям удовлетворяют ряд методов физиологических исследований, широко используемых в функциональной диагностике.

Развитие средств регистрации и методов обработки биологических сигналов, а также широкое использование микропроцессорной техники привело к объединению отдельных приборов измерения и контроля физиологических параметров в многофункциональные мониторные системы, позволяющие вести комплексную оценку состояния пациента.

В клинических мониторных системах осуществляется сбор физиологических данных, анализ полученной информации, определение диагностических показателей с представлением результатов в удобном для восприятия виде (рис.1).

Сбор данных в мониторных системах основан на регистрации биологических сигналов, то есть преобразовании сигналов, отражающих функционирование физиологических систем в форму, удобную для дальнейшей обработки и анализа.

1-датчики физиологических параметров 4-регистратор

2-блок первичной обработки данных 5-дисплей

3-блок анализа информации 6-память

Для регистрации и измерения физиологических параметров служат датчики, содержащие чувствительные элементы, преобразующие исследуемый физиологический параметр в электрический сигнал.

Анализ данных в мониторах включает первичную обработку электрических сигналов датчиков, например, усиление сигналов, фильтрацию помех, аналого-цифровое преобразование, измерение характеристик сигналов, имеющих диагностическую ценность.

Простейшим вариантом анализа данных, используемым в простых мониторах является пороговый контроль величины текущих значений физиологических параметров с включением тревожной сигнализации при приближении значения контролируемого параметра к заранее заданной, “опасной”, величине.

После первичной обработки биологических сигналов анализ данных в мониторных системах ведется с помощью средств микропроцессорной техники, которая предоставляет большие возможности по реализации сложных диагностических алгоритмов обработки физиологической информации, в частности, проведение спектрального, статистического, регрессионного и др. методов математического анализа.

В то же время цифровая обработка сигналов в мониторах упрощает построение аппаратуры - реализацию многоканального отображения физиологических кривых на графических дисплеях, организацию памяти данных, передачу информации по цифровым сетям, формирование баз данных для отсроченного анализа и т.д.

Цифровая обработка сигналов в современных мониторах позволяет провести сложный многопараметровый анализ поступающей физиологической информации, что приводит к снижению влияния артефактов, возникающих при регистрации сигналов.

Использование компьютерных средств обработки данных дает возможность предоставлять всю информацию, поступающую от аппаратуры в удобном для врача виде. В "интеллектуальных" мониторах осуществляется переход от контроля отдельных физиологических параметров к наблюдению за изменениями интегральных показателей, характеризующих состояние пациента.

Интегральный показатель состояния может быть определен по способу формирования обобщенного критерия на основе меры отклонения частных критериев от “идеальной” альтернативы. В качестве меры обобщенного критерия состояния может быть использована степень соответствия значений физиологических параметров, в рассматриваемый момент времени, границам их динамической нормы.

Величина интегрального показателя состояния может быть определена как минимальное расстояние между точкой многомерного пространства нормированных значений физиологических параметров и областью данного пространства, соответствующей динамической норме. Относительное изменение расстояния, определяемое в различные моменты времени характеризует динамику изменения состояния пациента.

В последние годы мониторные системы преобразуются в клинические информационные системы, обладающие широкими возможностями по использованию баз медицинских данных.

В таких системах реализуется концепция “гибкого” мониторинга, основанная на использовании технологии компьютерных локальных сетей. Каждый мониторный прибор, участвующий в контроле или управлении состоянием пациента, снабжается “сетевой карточкой” - устройством, с помощью которого осуществляется обмен данными в компьютерной сети клиники. Прикроватные мониторы, пульсоксиметры, инфузионные дозаторы, наркозно-дыхательная и другая аппаратура связываются с центральным компьютером - рабочей станцией клиники.

Рабочая станция является общим коллектором данных, поступающих со всех приборов. Данные о жизненно важных физиологических параметрах передаются от рабочей станции на многодисплейные мониторы поста наблюдения за состоянием пациентов. База данных, являющаяся ядром клинической информационной системы, позволяет заносить данные пациента в “электронную” историю болезни, которая может быть распечатана в привычном для врача виде. Компьютерная сеть охватывает все источники информации в клинике: приемное отделение, клинические лаборатории, кабинеты функциональной диагностики, получения медицинских изображений и др., что позволяет концентрировать все даны, относящиеся к пациенту на рабочей станции.

Локальная сеть системы имеет выход в сеть телемедицины, что дает возможность проводить консультации с ведущими специалистами других клиник. Терминалы системы могут быть установлены на любом рабочем месте врача, предоставляя ему всю необходимую информацию о пациенте. Имеется возможность включение баз знаний, предоставляющих обширный справочно-информационный материал, а также стандартные программные приложения, позволяющие вести обработку медицинских данных.

Таким образом, современные системы клинического мониторинга осуществляют не только многопараметровый контроль состояния пациента, но и подсказывают решения по диагностике, выбору оптимальной тактики лечения и даже по проведению неотложной интенсивной терапии.

Ценность использования систем мониторинга для клинической практики определяется следующими факторами:

• 
  высокой точностью и объективностью получаемой диагностической информации;
  
• 
  cлежением за изменениями жизненно важных параметров организма в реальном масштабе времени, определяемым высоким быстродействием обработки физиологической информации;
  
• 
  возможностью одновременной обработки изменений нескольких физиологических параметров и установлением связи между ними;
  
• 
  ранним выявлением признаков нарушения управления в системах организма;
  
• 
  наблюдением за изменениями диагностических показателей, являющихся производными от текущих значений физиологических параметров (например, слежение за изменением периферического сопротивления, сердечного выброса, индексов активности вегетативной регуляции и т.п.).
  

Медицинский мониторинг в авиакосмической медицине может включать несколько направлений / 1 /:

- оперативный медицинский контроль во время активных участков полета;

- оперативный контроль внекорабельной деятельности;

- ежедневный текущий контроль;

- углубленные медицинские обследования, которые проводятся в соответствии с программой или по показаниям.

1.2 Методы медицинского контроля в условиях космических полетов

Непосредственно во время ВКД осуществляется: телеметрическая регистрация ЭКГ_DS, ЧД, заушной температуры тела (аппаратура «Бета») и анализ сообщений космонавтов о самочувствии; контроль параметров скафандра (телеметрическая регистрация давления и температуры, показателей газовой среды, изменения давления в кислородных баллонах, концентрации СО₂, температуры воды на входе и выходе костюма жидкостного охлаждения; расчет энерготрат по потреблению О₂ и по выделению СО₂ .

Во время ВКД частота сердечных сокращений и заушная температуры тела отображаются на бортовых и наземных блоках индикации, что позволяет оперативно оценивать состояние космонавтов. При выходе контролируемых показателей за допустимые границы возможно временное приостановление ВКД для предоставления отдыха или снижения интенсивности работы, изменение терморегулирования и другие мероприятия.

Периодические углубленные медицинские обследования (УМО) космонавтов включают обследования сердечно-сосудистой (в покое и при функциональных нагрузках) и мышечной систем, оценку эффективности физических тренировок, антропометрические измерения, проведение биохимических анализов крови, клинических анализов крови и мочи и иммунологических исследований. Указанные виды медицинских обследований, проводимые в интересах диагностики, используются также для получения научной медицинской информации и являются составной частью программы медицинских исследований в ДКП.

Сердечно-сосудистая система (ССС). Обследования ССС проводятся с помощью бортовой медицинской аппаратуры «Гамма», разработанной СКТБ “Биофизприбор” по медико-техническим требованиям ИМБП / 3 /. Аппаратура обеспечивает регистрацию и передачу на Землю с помощью телеметрической системы следующих основных параметров:

ЭКГ в отведении DS (ЭКГ_DS));

электрокардиограмы в 12 общепринятых отведениях;

артериального давления (АД), измеренного  по тахоосциллограмме (АД_Т) и по тонам Короткова (АД_К);

кинетокардиограмм левого (ККГ_Л) и правого (ККГ_П) сердца (для исследования фазовой структуры сердечного цикла);

сфигмограмм бедренной (СФГ_Б) и лучевой (СФГ_Л) артерий и артерии голени (СФГ_Г) (для измерения скорости распространения пульсовой волны);

реограмм туловища (РПГр-р) для измерения ударного объёма сердца (УО), головы в бимастоидальном (РПГ_Б-М) и фронтомастоидальных (РПГ_Ф-М) отведениях, голени (РПГ_Г), предплечья (РПГ_ПРЕДПЛ), печени (РПГ_ПЕЧ) и легкого (РПГ_ЛЕГ) .

Аппаратура имеет наборы готовых программ из шести параметров (14 программ) и позволяет также формировать их наборы в различных произвольных комбинациях для исследований в покое, при функциональных пробах с дозированной физической нагрузкой (ДФН) и с воздействием отрицательного давления на нижнюю часть тела (ОДНТ).

Наиболее информативными для выявления физической детренированности и снижения ортостатической устойчивости является ОДНТ-тест, включающий четыре ступени по следующей схеме: -25 мм рт.ст., 1 мин; -35 мм рт.ст., 2 мин ; -40 и -50 мм рт.ст. по 3 мин.

Тест с ДФН состоял из трёх ступеней и выполнялся в полётах по схеме: 125, 150 и 175 Вт, по 3 мин. В этом тесте впервые во время ДФН измерялось АД по тонам Короткова (АД_К)

Основные обследования ССС в покое были направлены на изучение биоэлектрической активности миокарда (12 общепринятых отведений ЭКГ), а также гемодинамики по различным программам, основная из которых базировалась на регистрации ЭКГ_DS, РЭГ в бимастоидальном отведении, ударного объёма сердца (реографический метод), артериального давления (тахоосциллографический метод).

Во время теста с ОДНТ регистрировались: давление в пневмовакуумном костюме, ЭКГ_DS и РЭГ _Б-М, АД _Т ежеминутно и периодически УО. При проведение теста с ДФН регистрировались: режим нагрузки, ЭКГ_DS непрерывно; УО, АДк, а также АД_Т до и после нагрузки. Функциональный тест с ручной велоэргометрией состоял во вращении педалей руками с нагрузкой 150 вт и длительностью, определяемой возможностью космонавта. Во время теста регистрировались ЭКГ_DS; АД и величина нагрузки.

Во время пробы регистрируется ЭКГ в грудном отведении на кардиокассете, объем выполненной работы (длина пути) и интенсивность работы (скорость движения тредбана) с последующим “сбросом” по телеметрии на Землю.

Тест на динамическую выносливость антигравитационной мускулатуры состоит из 5-ти упражнений с эспандером, каждое из которых выполняется с максимальным темпом и амплитудой в течение 15 сек. Тест на статическую выносливость включает выполнение 5-ти упражнений с эспандером на удержание заданных мышечных усилий до отказа.

Биохимические исследования крови. Исследования проводились с помощью прибора "Рефлотрон-4” методом “сухой” химии и предусматривали регистрацию:

содержания гемоглобина в крови;

показателей белкового метаболизма (креатинин, мочевина, мочевая кислота); липидного метаболизма (холестерин, триглицериды);

углеводного метаболизма (глюкоза, амилаза), общиего билирубина и ряда ферментов - маркеров функционального состояния печени;

в сыворотке крови определялось содержание иммуноглобулинов A, M и G.

Гематологические исследования. Исследования содержания в капиллярной крови, взятой из пальца, форменных элементов проводились во время полетов на станции "Мир" с помощью комплекса "Микровзор" (микроскоп, сопряженный с бортовым телевизионным передатчиком /5/. Эта система позволяла регистрировать число форменных элементов крови, измерять гемоглобин и гематокрит, оценивать морфологические особенности эритроцитов как врачом на борту станции, так и в лабораторных условиях при анализе записанных на видеокассете микроскопических картин мазков крови.

Клинические исследования мочи. Для проведения этих исследований использовался прибор “Уролюкс”. Полуколичественный анализ мочи проводился с помощью тест-полосок, каждая из которых содержит десять тестовых зон для определения удельной плотности, кислотности (pH), лейкоцитов, нитритов, белка, глюкозы, кетоновых тел, уробилиногена, билирубина, кетоновых тел и элементов крови (эритроциты, лейкоциты) в моче с помощью рефлексионной фотометрии.

Санитарно-гигиенические исследования среды обитания в жилых отсеках станции включали: определение функционального состояния слухового анализатора космонавтов, параметров шумового воздействия в жилых отсеках, состояния аутомикрофлоры, микробной загрязненности поверхностей отсеков станции, микропримесей в газовой среде и оценку процессов формирования микропримесей среды обитания.

Определенные особенности имеют методы медицинского контроля в условиях длительных космических полетов. В этом случае диагностическая система должна обеспечивать, по сравнению с современными системами для орбитальных полетов: максимальную автономность проведения бортовым персоналом необходимых диагностических обследований основных систем организма; высокую информативность методов и средств оценки динамики физиологических показателей, степени напряжения регуляторных систем, резервных возможностей организма, а также выявления патологических состояний и прогноза возможных тенденций изменений и отклонений в организме в зависимости от длительности КП.

Основные медицинские требования к диагностической системе для марсианской экспедиции /6/:

• 
  ориентация всех методов на автономную диагностику непосредственно врачом экипажа на борту, с привлечением, в случае необходимости, высококвалифицированных специалистов соответствующего профиля для телемедицинских консультаций;
  
• 
  ориентация системы на выявление и диагностику наиболее вероятных прогнозируемых состояний и заболеваний, причин их возникновения и механизмов развития (патогенетический подход);
  
• 
  выбор комплекса адекватных диагностических неинвазивных методов, широко апробированных в клинической и экспериментальной практике или специально разработанных для мониторинга состояния основных систем организма;
  
• 
  широкое использование методов визуализации функционирования сердечно-сосудистой системы, внутренних органов, костной системы и других систем организма;
  
• 
  создание бесконтактных систем диагностических обследований;
  
• 
  применение достижений телемедицины для диагностики и лечения;
  
• 
  широкое использование биохимических анализаторов и методов “сухой” химии;
  
• 
  разработка и использование специализированного медицинского компьютера и создание на его основе экспертной системы и исчерпывающей базы данных для диагностических обследований, сбора и измерения показателей регистрируемых параметров и анализа их во взаимосвязи с применением математических методов.
  

Реализация перечисленных задач может быть достигнута путем создания на основе технологии будущего диагностических методов, приборов и компьютерного обеспечения. Это обеспечение, вероятно, будет включать: управление и координацию диагностических обследований; выбор и коммутацию регистрируемых физиологических параметров в зависимости от состояния членов экипажа и среды обитания; измерение и математический анализа результатов и сопоставления их с базовыми данными; формирование одного или нескольких вариантов экспертного заключения; отображение обобщенной информации на мониторе врача и передачу их в Центр управления полётом.

ГЛАВА 2 МОНИТОРИНГ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ

Сердечно-сосудистая система выполняет важную транспортную функцию в организме, необходимую для его нормальной жизнедеятельности.

В медицине критических состояний диагностика функционирования этой системы занимает одно из главных мест, так как деятельность сердечно-сосудистой системы во многом определяет эффективность протекания процессов метаболизма, переноса кислорода и углекислого газа, терморегуляции.

Оценка деятельности сердечно-сосудистой системы при анестезиологическом мониторинге осуществляется путем регистрации механических, акустических и биоэлектрических проявлений сердечной деятельности, наиболее доступных для регистрации во время наркоза. Среди показателей центральной и периферической гемодинамики наибольшую ценность представляют параметры сердечного ритма, артериального и венозного давления крови, сердечного выброса.

Широко распространенными методами контроля сердечной деятельности являются слежение за величиной ЧСС, артериального давления крови, наблюдение ЭКГ в одном или нескольких отведениях с автоматическим обнаружением нарушений ритма. Использование данных методов контроля в клиническом мониторинге характеризуется простотой процедур регистрации биологических сигналов и интерпретации показаний.

Выбор средств контроля показателей сердечно-сосудистой системы для клинического мониторинга зависит от многих факторов. Так, например, при анестезиологическом контроле наиболее важную роль играет вид операции, пластичность сердечно-сосудистой системы пациента, обоснованность риска использования инвазивных методик, стоимость мониторной техники. В то же время главным фактором выбора средств анестезиологического мониторинга является необходимость и достаточность получаемой информации для оптимального управления состоянием пациента и обеспечения безопасности наркоза.

В начало
2.1 Контроль параметров сердечного ритма

2.1.1 Мониторинг частоты сердечных сокращений

Наиболее простым методом оценки параметров сердечного ритма является определение частоты сердечных сокращений. Этот показатель позволяет объективно судить об уровне функционирования сердечно-сосудистой системы пациента.

Мониторные приборы, используемые в медицинской практике, осуществляют непрерывное измерение и цифровую индикацию ЧСС. Эти данные определяются по результатам оценки временных параметров физиологических процессов, происходящих в сердечно-сосудистой системе.

Для определения ЧСС необходимо выделить артериальную пульсацию кровотока, а затем измерить частоту следования пульсовых колебаний.

При неинвазивных методах измерения артериального давления крови ЧСС оценивается по колебаниям давления в окклюзионной манжетке.

В пульсоксиметрах определение ЧСС основано на анализе фотоплетизмограммы участка тканей с артериальным пульсом, чаще всего для этой цели используется кончик пальца руки или мочка уха.

При реографических исследованиях параметров гемодинамики для оценки пульса анализируется электрический сигнал, соответствующий изменению электрического сопротивления участка тканей с пульсирующим сосудом.

Артериальная пульсация может быть зарегистрирована по эффекту Допплера от движущегося потока крови с использованием ультразвуковой или микроволновой техники.

Для определения ЧСС часто используется электрокардиографический канал мониторов, в котором выделяются QRS- комплексы ЭКГ и обрабатываются значения длительностей R-R интервалов.

Определение ЧСС основано на измерении длительности периодов следования пульсовых колебаний (в случае регистрации ЭКГ - QRS- комплексов), представляющих собой межпульсовые (R-R временные интервалы) - кардиоинтервалы (КИ) / 16 /. После получения усредненного значения длительности КИ - T_ср [ сек ] , ЧСС можно определить по формуле:

ЧСС [уд/мин] = 60 / T_ср,

Процедуры усреднения и вычисления значений ЧСС осуществляются в устройстве обработки прибора, построенного, чаще всего, на однокристальной ЭВМ.

В мониторах используется “быстрое” усреднение периодов пульсовых колебаний (например, определяется среднее по 8 КИ). Это дает возможность отслеживать кратковременные эпизоды изменения ЧСС, возникающие, например, при интубации трахеи, и быстро реагировать на эти измерения.

Индикация показаний ЧСС осуществляется методом “скользящей” выборки, т.е. после усреднения КИ, находящихся в выборке, вычисления ЧСС и индикации полученного значения ”окно” выборки сдвигается на один КИ, затем вновь происходит усреднение, вычисление и индикация и т. д.. Таким образом, цифровой индикатор ЧСС может изменять свои показания с каждым ударом сердца, реагируя на изменения длительности КИ, находящихся в “окне” выборки.

ЭКГ дает информацию о сокращениях сердечной мышцы даже тогда, когда уровень пульсации сосуда снижается ниже порога регистрации и падает артериальное давление, что делает информацию о ЧСС, полученную по R-R интервалам, особенно ценной. В то же время, при использовании ЭКГ для определения ЧСС необходимо контролировать форму электрокардиосигнала, так как при высокой Т-волне возможно ошибочное удвоение значений ЧСС. Это требование нетрудно выполнить, так как ЭКГ канал мониторов имеет графический дисплей для слежения за формой ЭКГ в реальном масштабе времени.

В начало
2.1.2 Мониторинг показателей вариабельности ритма сердца
Ритм сердечных сокращений является наиболее доступным для регистрации физиологическим параметром, отражающим процессы вегетативной регуляции в сердечно-сосудистой системе и организме в целом. Динамические характеристики ритма сердца позволяют оценить выраженность сдвигов симпатической и парасимпатической активности ВНС при изменении состояния пациента.

Анализ вегетативной регуляции по наблюдению за изменениями показателей ритма сердца позволяет выявить картину, характерную для диагностики целого ряда состояний в различных областях медицины.

Так, в медицине критических состояний при проведении общей анестезии мониторинг показателей ритма сердца дает возможность проследить за динамикой реакции ВНС на операционную травму и наркоз.

При анализе адаптационного синдрома активность ВНС, определяемая по отношению к своему тоническому уровню, может быть соотнесена с мерой адаптационных реакций организма, что дает возможность контроля выраженности стресса на всех его стадиях / 17 /. Поскольку ритм сердца находится под контролем звеньев всех уровней управления функциями организма, то его анализ дает достоверную оценку адаптации системы кровообращения и организма в целом к действию стрессорных факторов.

Следует отметить, что контроль величины ЧСС не всегда в полной мере отражает изменение активности ВНС. Одному и тому же значению ЧСС могут соответствовать неодинаковые комбинации активности звеньев ВНС, обеспечивающие вегетативный гомеостаз. Так, например, снижение тонуса парасимпатического отдела ВНС может сопровождаться уменьшением активности симпатического отдела, при этом средняя ЧСС остается постоянной, не отражая изменение состояния вегетативной регуляции.

Активность вегетативной регуляции проявляется в изменении показателей хронотропной структуры сердечного ритма. Математические методы анализа обнаруживают вариабельность сердечного ритма - изменчивость значений длительностей КИ относительно друг друга. Другими словами вариабельность сердечного ритма отражает выраженность колебаний ЧСС по отношению к ее среднему уровню.

В покое, когда превалирует тонус парасимпатического отдела ВНС, вариабельность сердечного ритма обусловлена, большей частью, вагусными влияниями. При активации симпатического отдела ВНС, происходящей во время стресса, показатели вариабельности сердечного ритма падают.

Изменение вариабельности связано с интенсивностью процессов активации отделов ВНС по отношению к сердечно-сосудистой системе и позволяет судить о степени адаптационной реакции организма на то или иное воздействие в целом.

Для оценки вариабельности сердечного ритма необходимо зарегистрировать последовательный ряд КИ, измерить их длительности и провести математическую обработку динамического ряда полученных значений.

Наибольшее распространение в клинической практике получили методы временного (статистического) и частотного (спектрального) анализа вариабельности сердечного ритма.

Согласно рекомендациям Европейского общества кардиологии и Североамериканского общества кардиостимуляции и электрофизиологии для оценки вариабельности сердечного ритма могут быть использованы такие статистические оценки ряда КИ как среднеквадратическое отклонение длительности КИ в выборке.

Спектральный анализ динамического ряда КИ рекомендуется проводить в 3-х диапазонах частот : 0,04 Гц (VLF), (0,04...0,15) Гц (LF), 0,15...0,4 Гц (HF), которые обладают различной диагностической ценностью / 18 /.

Методы временного анализа сердечного ритма широко используются в различных областях медицины с целью диагностики состояния человека / 17, 19, 20 /. Методика основана на применении статистических оценок выборки динамического ряда значений длительностей КИ. Использование в качестве КИ - R-R интервалов ЭКГ, зарегистрированных в одном из стандартных отведений, позволяет наиболее точно измерить значения длительностей КИ - t_RR (рис.4).

t_RR - длительность КИ

Построение гистограммы производится путем сортировки выборки КИ по их длительности. Для этого весь диапазон длительностей КИ разбивается на временные поддиапазоны одинаковой величины t_п. По мере регистрации ЭКГ и измерения длительности КИ подсчитываются количества КИ, попадающие в каждый поддиапазон. Для построения гистограммы в виде ступенчатой функции по горизонтальной оси откладывается длительность КИ, по вертикальной - их количество в соответствующем поддиапазоне).

Для здоровых людей в состоянии покоя регистрируется нормальная гистограмма, близкая по виду к симметричной кривой Гаусса (рис. 5).

Распределение длительностей КИ (гистограмму) можно охарактеризовать набором статистических оценок:

Мо - мода распределения - значение длительности КИ, наиболее часто встречающееся в выборке КИ; в качестве Мо часто принимается начальное значение поддиапазона длительности, в котором отмечено наибольшее число КИ, выражается в секундах.

АМо - амплитуда моды распределения - число КИ, соответствующих поддиапазону моды, выражается в % к объему выборки.

Х - вариационный размах - разность между максимальным и минимальным значением длительности КИ в выборке, выражается в секундах.

Ассиметричная форма гистограммы указывает на нарушение стационарности процесса регуляции ритма сердца и наблюдается при переходных состояниях. Многовершинная (многомодовая) гистограмма может быть обусловлена наличием несинусового ритма (мерцательная аритмия, экстрасистолия), а также артфактами, возникающими при регистрации ЭКГ. Для описания отклонения формы гистограммы от нормального закона распределения используются статистические оценки - показатель ассиметрии ( As ) и эксцесса ( Ех ).

В мониторных приборах для слежения за текущим состоянием пациента используется автоматизированная обработка данных по методу скользящей выборки.

В первом такте анализа распределения КИ для построения гистограммы, вычисления статистических оценок и диагностических показателей берется выборка КИ, установленного объема, начиная с 1-го по N-ый, зарегистрированный КИ.

Например, при объеме выборки N = 100, в первом такте анализа для обработки берутся значения длительностей КИ с порядковыми номерами с 1-го по 100-ый.

Результаты анализа в первом такте работы - графическое изображение гистограммы и значения вычисленных параметров и показателей отображаются на дисплее прибора.

В следующем такте работы происходит сдвиг "окна" выборки, т.е. для обработки берутся значения КИ с порядковыми номерами на единицу больше (В приведенном выше примере - со 2-го по 101-й). После вычислений данные на экране дисплея обновляются: отображаются результаты анализа, полученные во втором такте работы. В дальнейших тактах работы происходит последующий сдвиг "окна", в результате чего информация на экране обновляется с каждым тактом работы, то есть с каждым ударом сердца.

Быстродействие современных вычислителей (микропроцессорных устройств, однокристальных ЭВМ, ПЭВМ) позволяет наблюдать изменения отображаемых показателей ритма сердца на дисплее в реальном времени, что обеспечивает оперативное слежение за динамикой изменения сердечного ритма.

В результате математического анализа ритма сердца методом вариационной пульсометрии вычисляются приведенные выше статистические оценки распределения КИ, с помощью которых затем формируются диагностические показатели, характеризующие активность звеньев вегетативной регуляции.

Формирование диагностических показателей для оценки выраженности стресса рассмотрено в ряде физиологических и клинических работ /2, 20, 22 - 26 /.

На рис. 6 представлены образцы гистограмм и спектров, полученных у одного из космонавтов на разных этапах космического полета /2/. За 10 минут до старта отчетливо видно преобладание очень низкочастотных колебаний в спектре, что отражает повышенную активность центрального контура регуляции, как результата предстартового психо – эмоционального напряжения. На активном участке полета по гистограмме можно видеть дальнейший рост симпатоадреналовой активности. Увеличение высоты гистограммы и ее сужение указывают на рост индекса напряжения (стресс индекса). Однако уже на 2-м витке, через З часа после выхода на орбиту картина существенно меняется: гистограмма становится низкой и широкой, что говорит об активации парасимпатического отдела, а в спектре появляется мощная низкочастотная компонента, отражающая активацию вазомоторного центра. Это ответ регуляторных систем на перераспределение крови в верхние отделы тела, это сигнал об активной работе подкоркового сосудодвигательного центра. Наконец, данные, полученные на 4-м месяце пребывания в условиях невесомости показывают одновременную активность парасимпатического (по гистограмме) и симпатического (по спектру) отделов. При этом одновременно активирован и вазомоторный центр, что видно по выраженному низкочастотному компоненту спектра.

Формирование показателей активности отделов ВНС затруднено без соответствующих инструментальных средств, доступных широкому кругу анестезиологов и реаниматологов, однако появление в последние годы автоматизированных ритмокардиомониторов и компьютерных средств обработки электрокардиосигнала решает эту проблему / 27 - 30 /. При использовании мониторных приборов контроля сердечного ритма оценка состояния пациента может производиться путем непосредственного наблюдения на дисплее прибора гистограммы распределения КИ и интерпретации ее формы, а также путем контроля величин вычисляемых в приборе и индицируемых диагностических показателей / 31 /.

При наблюдении гистограммы распределения КИ можно выделить, по крайней мере, три ее основных типа, качественно и количественно характеризующих три основных состояния регуляторных систем: нормотоническое, симпатотоническое, парасимпатотоническое, которые имеют различные статистические характеристики (рис.6).

По экрану дисплея ритмокардиомонитора можно визуально в реальном масштабе времени оценить тип распределения длительностей КИ и тенденции его изменения.

Для диагностической оценки состояния пациента по структуре гистограмм распределения КИ производится расчет и индикация на экране дисплея таких статистических оценок, как: Мо, Амо, X или диагностических показателей, характеризующих вариабельность ритма сердца.

К таким диагностическим показателям относится величина среднеквадратического отклонения длительностей КИ в выборке, то есть значение квадратного корня из дисперсии распределения КИ. В этом случае ограничение объема выборки приводит к оценке только “быстрых” изменений вариабельности, поэтому часто для определения влияния медленных волн анализируют выборки длительностью до нескольких часов.

Р.М. Баевский / 2, 17, 21 / предложил ряд диагностических показателей, являющихся производными статистических оценок распределения КИ:
индекс вегетативного равновесия ИВР = АМо/Х;
вегетативный показатель ритма ВПР = 1/МоХ;
показатель адекватности процессов регуляции ПАПР = АМ/Мо;
индекс напряжения регуляторных систем ИНБ = АМо/2МоХ.
Кардиологический стандарт оценки показателей вариабельности сердечного ритма включает вычисление, так называемого, “индекса Святого Георга”, представляющего собой оценку ширины основания треугольника, интерполирующего гистограмму распределения КИ:
TINN= 2N/AMo.
Этот метод оценки вариабельности позволяет исключить при вычислении индекса TINN не связанные с синусовым ритмом сердца КИ, а также артефакты, образующие “нестационарные” участки гистограммы. Следует отметить, что при использовании индексов Р.М.Баевского участки гистограммы, обусловленные артефактами и экстрасистолами, могут существенно искажать действительную картину, поэтому в мониторных приборах целесообразно использовать “помехозащищенные” диагностические показатели вариабельности ритма сердца.

К таким показателям, наряду с TINN, относятся показатели, характеризующие баланс регуляции в ВНС - индексы активности симпатического (СИМ) и парасимпатического (ПАР) отделов ВНС.

Индекс активности симпатического отдела ВНС вычисляется по формуле

СИМ = 4 АМо / N_20%,
где N_2О%, ед. - число поддиапазонов гистограммы, содержащих количество КИ, превышающих уровень 20% от значения АМо.

Индекс активности парасимпатического отдела ВНС - ПАР характеризует степень отклонения зарегистрированного распределения КИ от нормального закона распределения / 33 /. Чем больше отклонений от нормального распределения, характеризующегося плавным убыванием количества КИ влево и вправо относительно моды распределения, тем сильнее активность вагусного влияния на регуляцию ритма сердца.

В норме, как правило, имеют место координированные изменения показателей ритма сердца. Так, для симпатикотонии характерно меньшее значение моды (учащение пульса), обычно сопровождаемое увеличением АМо и уменьшением Х, что приводит к увеличению ИНБ. Усиление парасимпатического тонуса, наоборот, ведет к уменьшению АМо и увеличению Мо и Х, а ИНБ уменьшается.

Недостатком использования ИНБ для текущей оценки состояния является его нелинейность: интервал изменения ИНБ при парасимпатической активности колеблется от 0 до 100, а при симпатической от 200 до 1000 и более, т.е. количественная оценка изменений активности в разных диапазонах оказывается трудно сопоставимой.

Для наблюдения за балансом регуляции со стороны симпатического и парасимпатического отделов ВНС удобно использовать индексы СИМ и ПАР, имеющие одинаковую шкалу:

менее 15 ед. - слабая активность отдела ВНС,

16-30 ед. - умеренная активность,

более 30 ед. - высокая активность.

Одинаковая размерность показателей позволяет, наблюдая за динамикой взаимного изменения индексов, оценить структуру реакции ВНС на воздействующие факторы.

У взрослого здорового человека в состоянии физического и психического покоя СИМ не превышает 15 ед. Увеличение СИМ свидетельствует о преобладании симпатического звена в регуляции ритма сердца (увеличение АМо и снижение N_2О%, обуславливающее уменьшение степеней свободы в регуляции) и росте напряженности состояния организма.

Визуальный контроль гистограммы на экране дисплея позволяет быстро определить преобладающее влияние одного из отделов вегетативной нервной системы в регуляции ритма сердца.

При симпатикотонии (рис.6) гистограмма имеет узкое основание (малая величина вариационного размаха Х), большую высоту (рост АМо), возрастает величина СИМ, снижается ПАР.

Для преобладающего влияния парасимпатического отдела ВНС характерно: широкое основание (большое значение Х), малая высота гистограммы (уменьшение АМо), показатель СИМ снижается, возрастает ПАР.

Для структуры гистограмм при симпатикотонии характерно плавное снижение высоты ее элементов с обеих сторон от значения Мо, гистограмма состоит часто из 2-3 элементов.

Для парасимпатикотонии характерны: отсутствие плавного снижения высоты элементов гистограммы слева и справа от Мо, неравномерность, "зазубренность" огибающей гистограммы.

В кардиомониторах оценка параметров сердечного ритма ведется по результатам регистрации ЭКГ или периферического пульса. Среди отечественных разработок 80-х годов можно привести несколько кардиомониторов различного функционального назначения.

Современным отечественным микропроцессорным прибором для анализа ритма сердца является ритмокардиоскоп “РКС-02“/ 16 /. Прибор позволяет вести наблюдение ЭКГ, автоматизированную диагностику характера ритма сердца со сменой информации через каждые 1,5 минуты. Диагностика ритма включает классификацию фоновых аритмий, нарушений проводимости и катастрофических аритмий. Одновременно с диагнозом аритмии индицируется ЧСС, частота поджелудочковых и желудочковых экстрасистол и отображается ЭКГ, что дает достаточно полное представление о сердечном ритме. РКС-02 имеет режимы наблюдение за динамикой ритма сердца путем контроля скаттерограммы, ритмограммы и гистограммы распределения R-R-интервалов. Это позволяет использовать прибор для слежения за состоянием больных в кардиологических палатах, в кабинетах функциональной диагностики, для контроля реабилитации и в профилактических осмотрах.

В настоящее время ряд отечественных производителей ведет выпуск кардиомониторов. Фирма “Монитор” (Ростов-на-Дону) разработала кардиомонитор “МЦ - 01”, позволяющий проводить анализ аритмий по одному отведению ЭКГ у 4 пациентов, “Оптим” (Н.Новгород) предложила фотоплетизмографический анализатор сердечного ритма “Оптим - 510”. Кардиомонитор на базе IBM PC выпускается фирмой “Геолинк” (Москва) / 36 /.

Особенностью ритмокардиомониторов, используемых для контроля текущего состояния пациентов в медицине критических состояний, является применение алгоритмов оценки вариабельности сердечного ритма. Представителем данного класса приборов является ритмокардиомонитор “ЭЛОН - 001” (“Новые приборы”, г. Самара) / 36/.