Из года в год сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются одной из главных причин смерти населения всего мира. На их диагностику и лечение больных тратится большое количество средств, времени и сил. Люди, страдающие от ССЗ, вынуждены принимать большое количество лекарственных препаратов.
Для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы пациентов используются электрокардиография, ультразвуковые диагностические аппараты, магнитно-резонансные и компьютерные томографы, системы нагрузочного тестирования и др.
Ультразвуковое исследование (УЗИ) по своим функциональным возможностям позволяет с точностью в десятые доли миллиметра определять размеры структур сердца во время цикла сердца, их перемещения, а также определять скоростные характеристики движения крови в отделах сердца. Методика позволяет получать объемные параметры деятельности сердца, основные размеры структур сердца, а также оценивать диастолическую и систолическую функции левого желудочка (ЛЖ). В технологии УЗИ немаловажен человеческий фактор — одна из основных причин появления погрешностей в измерениях. При этом нечеткость эхокардиографического изображения определяет неточность рассчитанных параметров. В настоящее время производители ультразвуковой аппаратуры и многие исследователи по всему миру совершенствуют технологии обработки изображений с целью повышения качества УЗИ [1—4].
Томографические методы исследования позволяют с высокой точностью определять амплитуды перемещения структур сердца, состояние тканей, оценивать объемные параметры сердца. Программные средства обработки данных позволяют достигать точности измерений в десятки долей миллиметров. Однако качество изображений не всегда позволяет реализовать все возможности программного обеспечения. Обработка изображений и улучшение контрастирования разных тканей на изображении являются важными направлениями развития технологий томографии.
Большую проблему в диагностике заболеваний и в контроле процедуры лечения представляет отсутствие возможности быстро и легко оценить работу сердца одновременно со стороны электрической и механической активности отделов сердца.
В случае наличия аритмий сердца применение инвазивных средств восстановления ритма обосновывается в первую очередь изменениями в показателях гемодинамики сердца [5]. Изменение состояния сердца и сосудов может происходить очень быстро, что накладывает дополнительные сложности по выявлению проблем у пациентов, у которых заболевание протекает без явных симптомов.
Среди всех существующих методов диагностики особое место занимают методы электроимпедансных измерений. В ходе таких исследований определяется общее сопротивление исследуемой области. За счет применения различных методов математического анализа существует возможность получать данные об объемах крови в исследуемой области и других параметрах, характеризующих состояние ССС пациента. Направление активно развивалось в середине XX века. Однако многие измеряемые параметры были достаточно условными и экспериментально определенными.
С приходом ультразвуковых технологий реография как одно из направлений электроимпедансных методов, посвященных изучению ССС человека, потеряла свое значение. Но развитие технологий не стоит на месте, и в настоящее время электроимпедансные измерения позволяют проводить мониторирование большого количества показателей работы сердца с высокой точностью и повторяемостью.
Материал и методы
Для оценки деятельности электромеханической активности сердца необходимо, чтобы система имела электрокардиографический канал и несколько электроимпедансных каналов. Для этих задач в НИИ биомедицинской техники при МГТУ им. Н.Э. Баумана была разработана многоканальная электроимпедансная система РЕО-32. Характеристики системы представлены в табл. 1.
Существует несколько методик анализа деятельности сердца:
- трансторакальные измерения;
- прекордиальные измерения;
- многоканальное картирование;
- векторкардиография;
- радиальное картирование;
- анализ правых отделов сердца.
Трансторакальные измерения направлены на изучение насосной функции сердца и состояния ССС человека в целом. Наиболее широко применяемыми методами реализации таких измерений являются методы Кубичека [6] и Шрамека [7]. Расположение электродов для этих методик представлено на рис. 1 а, б.
НИИ биомедицинской техники при МГТУ им. Н.Э. Баумана в 1996 г. получил патент на собственную методику трансторакального измерения [8], которая показала высокую корреляцию измеренных параметров: ударный объем (УО) и фракция выброса (ФВ). Сравнение с инвазивным методом измерения показателей центральной гемодинамики — термодилюцией – показало, что методика трансторакального измерения позволяет определять гемодинамические параметры с высоким значением корреляции. Расположение электродов по С.И. Щукину, А.А. Морозову и соавт. [8] представлено на рис. 2.
Трансторакальное измерение позволяет определять более 20 параметров, характеризующих деятельность сердца: частоту сердечных сокращений (ЧСС), УО, ФВ, минутный объем крови, сердечный индекс, длительность выброса крови из ЛЖ, длительность предизгнания крови из ЛЖ, удельное сопротивление периферических сосудов и др.
Проблемой трансторакальных измерений является то, что подход основан исключительно на обработке большой массы экспериментальных данных. Более сложными методами изучения сердца являются прекордиальные измерения.
Первые опыты по применению прекордиальных измерений были проведены Ю.Т. Пушкарем [9]. Однако длительное время эти методы не находили широкого применения в медицине. В последние годы в НИИ биомедицинской техники при МГТУ им. Н.Э. Баумана создано несколько методик для исследования центральной гемодинамики. Обязательным условием всех измерений является наличие одного электрокардиографического отведения. Для обеспечения снижения количества используемых электродов электрокардиограмма (ЭКГ) снимается с тех же электродов, которые используются для получения трансторакального измерения. Такое электрокардиографическое отведение соответствует стандартному отведению aVF.
Многоканальное картирование предназначено для определения локальных движений стенок желудочков сердца и построения карты движения крови в прекордиальной области. Результаты применения такой методики представлены на рис. 3 (см. цв. вклейку).
Для проведения исследования требуется минимум 10 электроимпедансных каналов. Электродная система, состоящая из параллельно расположенных электродных отведений, устанавливается на поверхности грудной клетки пациента и последовательно смещается перпендикулярно анатомической оси тела человека. Суммарно проводится 8 измерений, на которые требуется около 30 мин. Дополнительным требованием к измерениям является то, что все записи должны проводиться, только когда пациент выдохнул и задержал дыхание на несколько секунд. Точность определения перемещения стенок отделов сердца составляет 2 мм.
Более простой методикой, которая предоставляет возможность получения новой информации о деятельности сердца, является электроимпедансная векторкардиография [10]. Методика позволяет визуализировать движение центра масс сердца пациента. Результаты обработки данных векторкардиографии представлены на рис. 4.
Для проведения исследования используется только 2 электроимпедансных отведения, расположение которых представлено на рис. 5 (см. цветную вклейку). Могут быть использованы как одноразовые Ag/AgCl электрокардиографические электроды или многоразовые мостиковые Ag/AgCl электрокардиографические электроды. Длительность исследования не превышает 10 мин.
Еще одной методикой электроимпедансных измерений является методика радиального прекордиального измерения [11]. Электродные системы располагаются по периметру проекции сердца на поверхности грудной клетки пациента перпендикулярно касательной к границе проекции сердца, как представлено на рис. 6.
Для проведения исследования по такой методике требуется от 4 до 7 электродных систем. Могут быть использованы как одноразовые Ag/AgCl электрокардиографические электроды, так и мостиковые Ag/AgCl электрокардиографические электроды. Размеры электродных систем следующие: 100 или 120 мм между токовыми электродами, 50 или 60 мм, соответственно, между потенциальными электродами. Максимальное отклонение середины электродных систем от границы проекции внутренней стенки отделов сердца на поверхность грудной клетки не должно превышать 10 мм.
Длительность измерения составляет не более 10 мин при наличии предварительной информации о расположении сердца в грудной клетке пациента. В результате исследования можно получить следующие данные: амплитуды локальных движений стенок желудочков сердца с точностью до 1 мм; УО ЛЖ; ФВ ЛЖ; минутный объем крови; сердечный индекс; длительность предизгнания крови из желудочков; длительность изгнания крови из желудочков; длительность изоволюметрического сокращения.
Точность измерения объемных параметров для нормостеников с индексом массы тела менее 28 кг/м2 составляет более 80%.
В последние несколько лет активно развивается направление по изучению деятельности правых отделов сердца человека [12]. В ходе исследования используются две прекордиальные электродные системы, расположенные над правым предсердием и над желудочками. Предсердная симметричная электродная система имеет размеры: 120 мм между токовыми электродами и 60 мм между потенциальными. Электродная система, расположенная над желудочками, имеет следующие размеры: 160 мм между токовыми электродами и 80 мм между потенциальными. Для повышения качества и точности информации после обработки информации используются дополнительные каналы: трансторакальный электроимпедансный, электрокардиографический канал и торакальный электроимпедансный канал для оценки кровенаполнения мягких тканей. На рис. 7 (см. цв. вклейку) представлена схема расположения электродных систем для реализации методики оценки работы правых отделов сердца, включающая в себя только две прекордиальные электродные системы.
В результате работы с 5 каналами можно получить не только объемные характеристики работы сердца и ССС, но также все временны'е характеристики деятельности отделов сердца. Например, можно получить данные о длительности подготовки правых отделов сердца к сокращениям, о длительностях механического сокращения правых отделов сердца, УО, ФВ, ЧСС, минутном объеме крови и т.п.
Методика исследования. Исследования проводились по методике изучения правых отделов сердца. Вид электроимпедансных сигналов, полученных с разных областей грудной клетки, представлен на рис. 8.
На рис. 9 представлены основные измеряемые временны'е интервалы, характеризующие фазы работы отделов сердца.
Исследования проводились на здоровых добровольцах (n=3) и пациентах кардиологического профиля (n=18). Все результаты, которые были получены в ходе электроимпедансных измерений, проведенных с использованием методики с двумя прекордиальными электродными системами, сравнивались с данными УЗИ (для пациентов кардиологического профиля) или МРТ (для здоровых добровольцев) исследований. При расчете показателей все пациенты были распределены на группы: ишемическая болезнь сердца (ИБС), мерцательная аритмия (МА) и другие виды заболеваний сердца.
Проведен сравнительный анализ параметров внутрисердечной гемодинамики, оцененных при помощи эхокардиографии (ЭхоКГ) и реокардиографии у больных гипертрофической кардиомиопатией (ГКМП) с нарушениями ритма и без таковых. В исследование были включены 40 больных (21 мужчина, 19 женщин) с ГКМП; 62,5% (n=25) больных страдали желудочковыми нарушениями ритма (1-я группа) и 37,5% (n=15) — без нарушений ритма (2-я группа). Реокардиография выполнялась на системе RheoCardioMonitor (частота зондирующего тока 100 кГц, амплитуда 3 мА). Мы проанализировали параметры внутрисердечной гемодинамики, оцененные при помощи ЭхоКГ: ФВ, диастолическая дисфункция (E/A), конечный диастолический объем (КДО), конечный систолический объем (КСО), конечный диастолический размер (КДР), конечный систолический размер (КСР), размер левого предсердия (ЛП); а также при помощи реокардиографии: ФВ, сердечный выброс (CВ), сердечный индекс (СИ), объемный выброс (ОВ), общее периферическое сосудистое сопротивление (ОПСС), конечное диастолическое давление (КДД) в ЛЖ, КДО.
Результаты
Все результаты, которые были получены в ходе электроимпедансных измерений, проведенных с использованием методики с двумя прекордиальными электродными системами и сравнивались с данными УЗИ или МРТ, представлены в табл. 2.
При проведении клинико-инструментальных сопоставлений с использованием ЭхоКГ и реокардиографии у больных ГКМП отмечено, что в 1-й группе с желудочковыми нарушениями ритма размеры левого предсердия были статистически значимо больше, чем в группе без нарушений ритма — (4,96±0,14 см; p=0,078). Выявлены различия КДД в 1-й группе — 11,47 (10,28; 12,67) мм рт.ст. и 2-й группе — 9,56 (8,05; 11,07) мм рт.ст. (p=0,051). ОПСС был статистически значимо выше в группе больных с нарушениями ритма — 1441,51 (1176,4; 1706,62) дин·с·см–5, чем в группе сравнения — 1008,48 (666,23; 1350,74) дин·с·см–5.
В ходе проведенных прекордиальных исследований были получены следующие основные результаты: 1) для большинства пациентов в среднем временны'е показатели больше «условной нормы» на 10—20%; 2) для большинства пациентов объемные показатели были в значительной степени занижены по сравнению с «условной нормой»: на 30—50% для УО и на 10—18% для ФВ; 3) стабильность работы ССС пациентов с нарушениями работы сердца отличается от данных, полученных на здоровых добровольцах. Это проявляется тем, что регистрируется больший разброс показателей в ходе каждого исследования; 4) у пациентов с МА констатирована наименьшая среди остальных нозологических групп ФВ; 5) в группе пациентов с МА длительность АРЕР (124,8 мс) и АЕТ (133,4 мс) на 11,5 и 10,6% больше, чем в среднем по всем остальным обследованным пациентам (АРЕР — 111,8 мс, АЕТ — 120,6 мс); 6) выявлено, что у пациентов со стенокардией наблюдается наименьший УО (45,5 мл, на 18% ниже среднего) среди всех пациентов (55,2 мл); 7) выявлены статистически значимые различия параметров внутрисердечной гемодинамики у больных ГКМП с нарушениями ритма и без аритмий; 8) для больных с желудочковыми нарушениями ритма свойственно повышение КДД и размеров левого предсердия; 9) повышение ОПСС характерно для больных ГКМП с желудочковыми нарушениями ритма; 10) параметры внутрисердечной гемодинамики, оцененные при помощи ЭхоКГ и реокардиографии, были сопоставимы.
Обсуждение
Проведенные работы с использованием реокардиографических исследований и полученные результаты, разумеется, не позволяют однозначно сформулировать алгоритм диагностических и прогностических параметров. Однако даже на такой небольшой выборке можно увидеть закономерности. Так, при МА подтверждены значительные изменения гемодинамики сердца. Несмотря на то что минутный объем крови в большинстве случаев близок к норме, временны'е показатели, характеризующие деятельность отделов сердца, в значительной мере отличаются от «условно нормальных», а также нередки случаи, когда в явном виде можно обнаружить неэффективность сокращения желудочков. В такой ситуации эффективный выброс осуществляется только через раз, что обусловлено несогласованностью работы отделов сердца. Важным фактором является сопоставимость оценки параметров внутрисердечной гемодинамики по данным ЭхоКГ и реокардиографии.
Контроль объемных и временных параметров в мониторном режиме может позволить более детально следить за состоянием пациентов в отделениях интенсивной терапии или во время лечения в стационарах. В дальнейшем необходимо провести исследования, в рамках которых будет подтверждена теория о важности использования прекордиальных электроимпедансных обследований во время медикаментозного лечения пациентов. Амплитудно-временны'е и объемные показатели могут позволить оперативно и объективно оценивать реакцию организма на те или иные препараты.
Заключение
Электроимпедансные методы диагностики вновь входят в медицинскую практику. Например, некоторые новые электроимпедансные томографические системы позволяют контролировать состояние и восстановление функции легких у пациентов после различного рода повреждений или заболеваний. Прекордиальные методы исследования деятельности сердца позволяют с клинически приемлемой точностью определять объемные параметры деятельности желудочков, длительности всех фаз активности отделов сердца, дополняя при этом общеизвестный алгоритм обследования кардиологического больного. Особое значение они приобретают в мониторинговых и дистанционных системах наблюдения за больными, позволяя отслеживать основные параметры гемодинамики. В ходе экспериментов были продемонстрированы возможности многоканальных электроимпедансных методик измерения. Разработанные методы исследования могут позволить проводить диагностику гемодинамики сердца в мониторном режиме, а также могут быть использованы для контроля реакции организма на принимаемые лекарственные препараты.
