30 Сентября, среда
Прямая и отражённая пульсовые волны: методы исследования

А.В.Фролов, Г.И.Сидоренко, А.П.Воробьёв, О.П.Мельникова, Л.М.Гуль
РНПЦ "Кардиология" (Минск)

Неинвазивная диагностика артериальной гемодинамики имеет первостепенную значимость в связи высокой распространенностью артериальной гипертензии (АГ) и цереброваскулярной патологии, кроме того, информация о состоянии сосудов крайне важна при принятии лечебно-диагностических решений по каждому конкретному больному. Эндотелиальный дисбаланс при АГ инициирует процесс ремоделирования сосудов, приводит к увеличению жесткости сосудистой стенки и ухудшает ее демпфирующие свойства. С этим ассоциируется риск повреждения эндотелиальной выстилки артерий, что в свою очередь провоцирует запуск механизмов развития атеросклероза. Скорость пульсовой волны (СПВ) общепризнанна как маркер риска кардиоваскулярных катастроф и ее контроль введен в регламент Европейской лиги по артериальной гипертензии 2007 года.

Методы оценки СПВ и эндотелиальной функции базируются на ультразвуковых и пульсовых методиках. Отметим, что ультразвуковые методики основаны на измерении толщины и относительного приращения диаметра артерии на локальном участке, которое составляет всего несколько процентов от исходного, что налагает ограничения и ухудшает точность и воспроизводимость данной методики. Участие врача в процессе обследования и стоимость аппаратуры обуславливают к тому же высокую себестоимость технологии. Поэтому оценка эластичности сосудов на основе измерений СПВ по ряду методических и экономических особенностей более предпочтительна [1].

Использование СПВ как маркера сосудистых поражений сопряжено с наличием возрастных норм, которые опубликованы во многих корпоративных исследованиях. В частности, A.Khoshdel с соавт. по данным обследований 8167 человек при 95% доверительном интервале для участка сонная-лучевая артерии и возрастных диапазонов 20-39, 40-59 и больше 60 лет приводят последовательность пороговых значений:10,9; 11,9 и 13,2 м/с соответственно [2]. J. Blacher с соавт. разработали модель расчета возрастной нормы СПВ для участка сонная-бедренная артерии как функцию от нескольких независимых параметров: возраст, пол, среднее АД и период кардиоцикла [3]. Ими же предложено оперировать разностью между измеренной и должной возрастной нормой, которая названа индексом СПВ.

Учитывая широкое распространение методики СПВ, нельзя не упомянуть, что она ограничивается изучением процесса распространения прямой пульсовой волны от сердца к периферии. В то же время в артериальных сосудах в соответствии с законами биогидродинамики возникают как прямые, так и отраженные пульсовые волны. Это в значительной мере усложняет анализ волновых процессов. То, что сопротивление сосудов содержит активную и реактивную (эластическую) компоненты, еще в 1907 году описал профессор Императорской Санкт-Петербургской военно-медицинской академии М.В.Яновский. В различных сегментах сосудистого русла разыгрывается свой сценарий, включающий активную систолу и диастолу, находящихся в строгой координации с фазами сердечной деятельности. Сосудистая нагрузка с учетом ее эластичности изучалась методами математического моделирования [4,5], периферических "сердец" [6] и последовательного резонанса [7]. C помощью компрессионной камеры Windkessel было показано, что эластичная аорта в систолу накапливает до 60% энергии, затрачиваемой левым желудочком, в свою очередь это позволяет ей адекватно наполнять коронарные сосуды и обеспечивать необходимый периферический кровоток в диастолу. Только при соблюдении этих условий миокард функционирует в энергосберегающем режиме [8]. Потеря эластичности аорты и магистральных артерий снижает эффект накопления энергии и увеличивает нагрузку на сам миокард, что сопряжено с повышением внутрисердечного давления и частоты сокращений.

Рисунок 1

Рис.1. Нагрузочные характеристики левого желудочка при нормальной и сниженной эластичности аорты

На рис.1 показаны нагрузочные характеристики левого желудочка при нормальной и сниженной эластичности аорты. Видно, что при снижении эластичности (повышении жесткости) увеличивается наклон характеристики. При одном и том же значении сердечного выброса SV пульсовое давление PP будет выше при большей жесткости аорты. Жесткость обратно пропорциональна эластичности С, измеряемой приростом объема сосуда на единицу прироста давления.

PP = SV / С                 (1)

где     PP – пульсовое давление, мм рт.ст,
           SV – сердечный выброс, мм3 ,
           C - эластичность, мм3 /мм рт.ст.

Благодаря свойству эластичности пульсовые колебания в артериях преобразуются в постоянный поток крови, направляемый к периферии. При этом пульсовая волна распространяется по сосудам как в прямом, так и в обратном направлении, что необходимо учитывать при диагностике состояния сосудов.

Исходя из изложенного, вытекает, что артериальная система подчинена ряду объективных физиологических закономерностей, связывающих между собой эластичность сосудов с уровнем артериального давления, в частности, пульсовым. Если скорость прямой пульсовой волны уже признана диагностическим маркером состояния эндотелия, то влияние обратной пульсовой волны на системную гемодинамику изучено в гораздо меньшей степени.

Целью настоящей работы является теоретическое обоснование, разработка методики и специализированного программного обеспечения для оценки эластичности артериальных сосудов с учетом взаимодействия прямой и отраженной пульсовых волн.

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА

Артериальное дерево представляет сложнейшую ветвящуюся длинную линию, на входе которой распространяется волна давления, за которой движется кровоток, но уже с более низкой скоростью. Если СПВ составляет от 5 до 20 м/с, то средняя скорость кровотока всего 0,2 м/с. Импульсная сердечная нагрузка и наличие точек ветвления сосудов обуславливают специфику внутрисосудистой гемодинамики. В точках бифуркации скачкообразно изменяется сосудистый импеданс и формируются отраженные пульсовые волны, которые накладываются на прямую систолическую волну. На рис.2 представлен пример суперпозиции прямой и отраженной волн для эластичных артерий, а на рис.3 – для ригидных артерий.Рисунок 2

Рис.2. Суперпозиция прямой и отраженной пульсовых волн при нормальной эластичности артерий

 Рисунок 3

Рис.3. Суперпозиция прямой и отраженной пульсовых волн при сниженной эластичности артерий:
- прибавка систолического артериального давления,
- снижение коронарного кровотока в диастоле

В эластичных сосудах СПВ невысокая и пик отраженной волны приходится на диастолическую фазу сердечного цикла. Альтернативная ситуация возникает в случае ригидных артерий. СПВ возрастает и поэтому быстрая отраженная волна накладывается на прямую волну уже в систолической фазе сердечного цикла, как это показано на рис.3. В данном случае истинное систолическое АД, сформированное левым желудочком, получает дополнительную прибавку (аугментацию), которая ярко проявляется при изолированной артериальной гипертензии у лиц пожилого возраста [10, 11]. Следствием эффекта отражения волны является скачок внутриаортального давления, который не учитывался ранее. Появление систолической прибавки увеличивает нагрузку на левый желудочек и, кроме того, снижает кровенаполнение левой и правой коронарных артерий в диастолу. На том же рис.3 видно, как заметно уменьшается амплитуда диастолической компоненты пульсовой волны. Гипотетически можно предположить, что при определенных соотношениях между ЧСС, АД и СПВ возможен эффект "дребезга" при закрытии аортального клапана из-за ретроградного повышения АД в аорте. Возникает совокупный патологический эффект, который ухудшает системную гемодинамику и способствует повышению внутрисердечного давления. В свою очередь это может служить пусковым механизмом ремоделирования миокарда и, кроме того, сопряжено с риском сердечной недостаточности и инфаркта миокарда.

Ретроградный прирост систолического АД, учитываемый предлагаемым методом, измеряется как относительная прибавка давления ∆P/PP, где ∆P – разница между систолическим и отраженным пиками давления, PP – пульсовое давление. Однако вычислить данный индекс возможно только с помощью монитора давления, датчик которого установлен непосредственно в аорте. Косвенным, более доступным для клинических условий параметром отраженной волны является индекс прибавки (аугментации) AIx, измеряемый по контуру пульсовой волны как отношение амплитуд отраженной и прямой систолической волны

 AIx = (a - b) / a × 100, %                 (2)

где    a, b – амплитуды зарегистрированных систолической и отраженной волн.

 На рис.4 представлена типичная пульсовая волна, зарегистрированная импедансным плетизмографом. Здесь a – амплитуда прямой систолической волны, b – амплитуда отраженной пульсовой волны. В условиях нормы пик отраженной волны располагается на заднем фронте суммарной пульсовой волны. В ригидных артериях пик отраженной волны будет перемещаться на передний фронт, вызывая при этом прирост систолического АД. Выходит, что ригидные сосуды сами по себе способствуют повышению систолического АД. Не в этом ли кроется причина явного несоответствия между АД, измеряемым в плечевой артерии, и АД в самой аорте? Рисунок 4Рис.4. Типовая пульсовая волна:
а – амплитуда прямой систолической волны,
б – амплитуда отраженной пульсовой волны,
∆Т – время задержки между прямой и отраженной волнами

На рис.5 показано расположение реперных (опорных) точек на пульсовых кривых при эластичных артериях (a) и при ригидных артериях (б) (графика фирмы Vasotens).
 Рисунок 5

Рис.5. Опорные (реперные) точки на пульсовых кривых:
a – при эластичных сосудах,  б – при жестких сосудах.
Точка 1 – пик прямой систолической волны, точка 2 – пик отраженной волны от  точек бифуркации, 3 – эхо от закрытия аортального клапана, i - инцизура 

Из соотношения амплитуд ясно видно, что в эластичных артериях индекс аугментации AIx < 100%, в ригидных артериях AIx > 100%.

Возраст влияет на артериальную систему неоднородно, поэтому механические свойства артерий могут широко варьировать [12]. Увеличение жесткости артерий с возрастом отражает естественные процессы старения организма. Однако, феномен влияния отраженной пульсовой волны на гемодинамику замечен совсем недавно. Ж.Д.Кобалава c соавт. [11] и С.В.Иванов с соавт. [13] даже ставят под сомнение целесообразность лечения изолированной АГ у лиц старческого возраста. В этом случае важно знать насколько возрастные изменения сосудов опережают календарный возраст?

Таким образом, было показано, что изучение эластичности артерий с учетом прямой и отраженной волн является логичным эволюционным шагом в раскрытии механизмов развития сосудистой патологии с целью их контроля.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ

Разработана компьютерная методика изучения эластичности артерий на основе прямой и отраженной пульсовых волн, регистрируемых с помощью биоимпедансометрического метода. Биосигналы снимаются с сонной и периферической артерий (лучевой или бедренной). Съем информации с пациента выполняется в положении сидя, время регистрации, необходимое для однократного анализа, составляет 15-20 с. Исследования могут проводится в покое, в условиях реактивной гиперемии c окклюзией плечевой артерии длительностью 3 минуты с давлением в манжете +50 мм.рт.ст. выше систолического [14]. Дополнительно могут выполняться кардиоваскулярные тесты, например, тилт-тест, форсированное дыхание и др.

Входные данные, необходимые для работы программного обеспечения: Ф.И.О. пациента, возраст, пол, уровень АД, частота сердечных сокращений, расстояние между сонной и периферической (лучевой, бедренной) артериями.

Выходные данные: скорость прямой пульсовой волны, индекс прибавки (аугментации) AIx, оценивающий влияние отраженной пульсовой волны, а также изменения перечисленных параметров комплайнса и отражения при функциональных пробах. Все результаты обследования пациентов сохраняются в компьютерной базе, обеспеченной механизмами поиска и сортировки данных.

В программе использован оригинальный прием оценки СПВ, заключающийся в поиске максимума взаимокорреляционной функции между каротидной и периферической пульсовыми волнами [15,16]. Максимум найденной функции строго соответствует временной задержке между пульсовыми сигналами. В отличие от известных аналогов достигается более высокая точность, так как измерения не зависят от формы пульсовых сигналов, а также от квалификации исследователя, анализирующего данные [17]. Для достижения высокой надежности оперировали только с восходящими фронтами пульсовых сигналов, так как только эти фрагменты необходимы для оценки задержки прямой пульсовой волны. В расчеты вовлекаются по 10-15 кардиокомплексов, что дополнительно в 3-4 раза снижает систематическую ошибку.

Параметром отраженной волны является индекс прироста (аугментации) AIx, вычисляемый по формуле (2). Для поиска соотношения амплитуд отраженной и прямой волн используется контур каротидной пульсовой волны. Реперные точки, находящиеся на ней, определяются с использованием высших производных и априорной логики расположения реперных точек.

Дополнительно можно рассчитать индекс СПВ, как разность между измеренной и возрастной нормой СПВ по методу J.Blacher с соавт. [3,9]

индекс СПВ = СПВ изм. – СПВ долж. (м/с)                 (3)

Как утверждают авторы, положительное значение индекса СПВ свидетельствует о преждевременном старении сосудов. Наоборот, при отрицательном индексе СПВ фиксируется факт замедления процесса атеросклероза сосудов относительно календарного возраста пациента. Этими же авторами введено понятие "васкулярный" возраст.

 Разработка реализована в форме компьютерной программы "Импекард-3М" для PC-компьютера и цифрового реопреобразователя сигналов РПЦ2-02. Пульсовые сигналы квантуются с частотой 500 Гц. Оборудование сертифицировано. Программа работает в среде Windows XP. Эксплуатация в клинике доступна среднему медицинскому персоналу.

ОБСУЖДЕНИЕ

Работоспособность программы "Импекард-3М" проверена на контрольных клинических примерах, взятых из лабораторной базы данных. Разработка готова к клиническому использованию. Основной новизной является возможность изучения сосудистой гемодинамики с учетом взаимодействия прямой и отраженной пульсовых волн. Получаемая информация несомненно будет полезна для подбора эффективного лечения больным АГ и больным с заболеваниями сосудов. В многочисленных исследованиях отмечается предпусковая роль эластичности сосудов в развитии артериальной гипертензии и атеросклероза. Отмечается также ассоциация с высоким риском инфаркта миокарда и мозгового инсульта.

Тем не менее, несмотря на широкое распространение неинвазивной пульсометрии, ряд узловых вопросов еще ожидает своего решения. Так, при сопоставлении результатов измерения СПВ в одной и той же группе пациентов известными приборами Complior, Arteriograph, Spygmocor разбежка результатов измерения достигает 24,7%. По нашему мнению здесь влияет субъективная ошибка, сопряженная с распознаванием размытой точки на кривой, принимаемой за "начало волны". Кроме того, все исследователи косвенно измеряют длину артериального сосуда по поверхности тела. Не лишено смысла предложение M.Herrera с соавт. и др. перейти от измерения длины сосуда к вводу роста человека [18,19]. Ведь между расстоянием от левого желудочка до точки бифуркации ниcходящей аорты и ростом человека существует тесная корреляционная зависимость [20]. При таком подходе повышается технологичность обследования, правда результаты измерения СПВ будут относительными. Это свидетельствует о том, что методика пульсометрии по данным СПВ нуждается в стандартизации силами международной рабочей группы. К примеру, в свое время так были унифицированы методы исследования вариабельности сердечного ритма и АД.

В недостаточной мере исследованы чувствительность и специфичность метода при выявлении различных видов патологии. Эти диагностические параметры сильно зависят от устанавливаемых пороговых значений. Пока же существуют расхождения при оценке возрастных норм СПВ и AIx. По нашему мнению следует руководствоваться Директивой Европейской лиги по АГ (2007), согласно которой СПВ>12 м/с на участке "сонная-бедренная" артерии признается как доклинический маркер атеросклеротического поражения сосудов [21]. Так J. Blacher с соавт. выявили, что 3-х летняя смертность у больных ИБС с СПВ >12 м/с превышает 15%, а при СПВ >17 м/с достигает уже 50% [3]. По всей видимости, также велика предикторная мощность отраженной пульсовой волны.

Пока не ясно, изменяются ли СПВ и параметр отраженной пульсовой волны AIx параллельно либо нет, какой из них более чувствительный и специфичный? Например, M. O'Rourke c соавт. отмечают, что индекс прибавки AIx является более чувствительным параметром у молодых гипертоников, а у пожилых лиц более чувствительной является СПВ [22]. Из этого вытекает, что для гипертоников молодого возраста приоритетной лечебной тактикой является медикаментозная коррекция, направленная на снижение влияния отраженной пульсовой волны.

Важные результаты получены в рамках рандомизированного англо-скандинавского исследования CAFE (ASCOT) [23]. Было установлено, что разные антигипертензивные препараты по-разному влияют на отраженную пульсовую волну, несмотря на достигнутый идентичный эффект снижения АД в плечевой артерии. Так в группе больных АГ, принимавших амлодипин с периндоприлом, количество кардиоваскулярных событий было значимо меньше, чем в группе больных, которым назначали атенолол в сочетании с диуретиками. У них же существенно ниже был пик CАД, вызванный отраженной пульсовой волной. Авторы считают, что при приеме β-блокаторов удлиняется время изгнания, происходит задержка пика давления, что увеличивает вероятность повышения пульсовой волны. Уровень АД в аорте, определяемый из передаточной функции "аорта-плечо" и зависимый от отраженной волны, признан как наиболее сильный предиктор сердечно-сосудистых осложнений.

ВЫВОДЫ

1. В артериальных сосудах распространяются прямые и отраженные пульсовые волны, взаимодействие которых оказывает существенное влияние на системную гемодинамику. При ухудшении эластичности артерий возрастает влияние отраженной пульсовой волны, приводящее к росту систолического АД и ухудшению коронарного кровотока.
2. Эластичность артериальных сосудов информативно отражает скорость пульсовой волны, а влияние отраженной пульсовой волны на давление в аорте оценивается индексом приращения (аугментации).
3. Параметры прямой и отраженной пульсовых волн рекомендуется использовать при контроле лечения больных АГ и сосудистой патологией, а также в качестве предикторов кардиоваскулярных осложнений.
4. Разработанный программно-аппаратный комплекс "Импекард-3М" ориентирован на диагностику и мониторинг состояния артериальных сосудов в условиях клиники, а также при профилактических обследованиях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Затейщикова А.А. Эндотелиальная регуляция сосудистого тонуса: методы исследования, клиническое значение // Кардиология. – 1998.- том 3. - №9.- C.68-78.
2. Khoshdel A., Thakkinstian A., Carney S., John A. Estimation of an age-specific reference interval for pulse wave velocity: meta-analysis //J. of Hypertension.- 2007.- vol. 24.- P.1231-37.
3. Blacher J., Safar M., Guerin A. et al Aortic pulse wave velocity index and mortality in end-stage renal disease // Kidney International.- 2003. - vol.63. - P.1852 - 60.
4. McDonald D. Blood flow in arteries.- Baltimore.-Will&Wilkins Comp.- 1960.
5. Лищук В.А. Математическая теория кровообращения. –М.: Медицина, 1991. – 256 c.
6. Аринчин Н.И. Периферические "сердца" человека. 2-ое изд.- Мн.: Наука и техника, 1988.- 64 c.
7. Фролов А.В. Синтез информационных технологий для оперативной дифференциальной диагностики и контроля лечения больных АГ и ИБС/Авт.дисс.докт.биол.наук. - Минск, 1995. – 32 c.
8. Westerhof N. et al An artifical arterial system for pumping hearts / J. Applied Physiology.-1971.- vol. 31.- P.776-781.
9. Blacher J., Asmar R., Djane S. et al Aortic pulse wave as a marker of cardiovascular risk in hypertensive patients /Hypertens. 1999. - № 3. - P. 1111-17.
10. Кобалава Ж.Д., Котовская Ю.В., Тюлькина Е.Е. Следует ли лечить артериальную гипертонию у людей старческого возраста?// Клиническая фармакология и терапия .- 2008. - №17(4). –C.15 -22.
11. Моисеев В.С., Кобалава Ж.Д. АРГУС. Артериальная гипертония у лиц старших возрастных групп. – М.: Медицинское информационное агенство, 2002. - 448 c.
12. Jani B.,Rajkumar C.Aging and vascular aging //Postgrad medical J.–2006.- vol.8.- P.357-362.
13. Иванов С.В., Рябиков А.Н., Малютина С.К. Жесткость сосудистой стенки и отражение пульсовой волны в связи с артериальной гипертензией // Бюллетень СО РАМН.-2008.- №3 (131).– C.9-12.
14. Дисфункция эндотелия: фундаментальные и клинические аспекты / В.В.Зинчук, Н.А.Максимович, В.И.Козловский и др./ под ред.Зинчука В.В. – Гродно, 2006.- 183 c.
15. Сидоренко Г.И., Зборовский Э.И., Русецкая В.Г., Борисова Г.С. Некоторые аспекты автоматизации кардиологических исследований //Терапевтический архив.- 1980. - №5.- C.103-108.
16. Сидоренко Г.И., Фролов А.В., Воробьёв А.П. и др. Скорость пульсовой волны как ключ к оценке дисфункции эндотелия // В кн.: Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы. - Москва, 2008. - C.99-106.
17. Фролов А.В., Сидоренко Г.И., Воробьёв А.П., Мельникова О.П. Диагностика эластичности артерий по данным скорости пульсовой волны // Пермский медицинский журнал (приложение). – 2008.- №1.- C.161-164.
18. Herera M., Bonaudo M., Conde A., Palavecino I. Vascular reactivity: evaluation of an acute suprasystolic occlusion with impedance plethysmography// 16th Argentine Bioeng.Congress and 5th Conf.of Clinical Eng/J. of Physics: Conf. Series 90 (2007).- 012047.
19. Gonzalez R., Morales O., Delgado J. Automatic brachial ankle pulse wave velocity measurements for vascular damage assessments // Computers in Cardiology.- 2008. -vol.35. - P.173 - 176.
20. Millasseau C., Kelly R., Ritter J. et al The vascular impact of aging and vasoactive drugs: comparison of two digital volume pulse measurement //American J. Hypertens. - 2003. - vol.16. – P. 467-472.
21. Guidelines for the management of arterial hypertension. The task force for the ESH, ESC /J. Hypertension.- 2007.- vol. 25.- P. 1105 -87.
22. O'Rourke M., Franklin S. Arterial Stiffness: reflections on the arterial pulse // Eur. Heart J.- 2006. - vol. 27. – P.2497-98.
23. The CAFÉ Investigators, for ASCOT Investigators. Principal results of the conduit artery function evaluation study/ Circulation. - 2006. - vol. 113.- P.1827 - 36.