Вариабельность дыхания в норме и при функциональных нарушениях регуляции внешнего дыхания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.03.01, кандидат биологических наук Гришин, Виктор Григорьевич

• Гришин, Виктор Григорьевич
• кандидат биологических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Гришин, Виктор Григорьевич

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Регуляция дыхания

1.2. Ритмообразование в дыхательном центре

1.3. Кортикальная регуляция дыхания

1.4. Вариабельность дыхания

1.5. Дыхательные ритмы при функциональных нарушениях регуляции дыхания

1.5.1. Гипервентиляционный синдром (ГВС)

1.5.2. Изменения дыхательного паттерна при психогенной отдышке

1.6. Методы анализа дыхательного ритма

1.6.1. Методы статистического анализа дыхательного ритма

1.6.2. Временной анализ

1.6.3. Гистографический анализ

1.6.4. Спектральный анализ (метод Фурье-преобразований)

1.6.5. Вейвлет-анализ

1.7. Современные методы регистрации дыхательных паттернов

Глава 2. Материалы и методы исследования.

2.1 Контингент обследуемых больных и здоровых

2.2 Метод исследования паттернов дыхания по капнографическим параметрам 2.2.1 Капнография

2.2.2. Пневмография

2.2.3. Исследование легочного газообмена

2.3 Спектральный анализ рсспираторны; паттернов

2.4. Статистическая обработка данных

2.5. Безопасность проведенных исследований

2.6. Дизайн исследований

Глава 3. Результаты.

3.1. Исследование медленноволновой вариабельности параметров вентиляции и лёгочного газообмена у здоровых

3.1.1. Разработка аппаратно-программного комплекса «РпеитозеЬ для высокоточной регистрации медленных воздушных потоков.

3.1.2. Спектральный анализ медленных колебаний паттерна дыхания 55 и показателей основного обмена

3.1.2.1. Анализ показателей пневмографии

3.1.2.2. Анализ показателей легочного газообмена

3.1.2.3. Сопоставление результатов анализа пневмографии и газообмена

3.2. Исследование паттернов дыхания в норме и при нарушениях регуляции ^ внешнего дыхания

3.2.1. Сравнение паттернов дыхания по капнографическим параметрам в норме и при психогенной одышке

3.2.3. Результаты спектрального анализа методом БПФ паттернов дыхания

3.2.3.1. Сравнение по капнограммам группы здоровых и группы ПО

3.2.3.2. Сравнение по капнограммам группы здоровых с группой ДН

3.2.3.3. Сравнение по капнограммам группы ДН с группой ПО

3.2.3.4. Сравнение по пневмограммам группы здоровых с группой ДН

Глава 4. Обсуждение.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вариабельность дыхания в норме и при функциональных нарушениях регуляции внешнего дыхания»

Одним из фундаментальных свойств организма является функционирование систем в определенных ритмах, причем эти ритмы имеют собственную «ритмичную вариабельность» (Хакен, 2001; Флейшман, 2009; Nakada, 2011). В биоритмах организма отражается взаимосвязь механизмов регуляции его функциональных систем. Следовательно, анализ вариабельности биоритмов дает возможность оценивать функциональное состояние системы в целом, особенно на этапах переходных состояний, когда происходят качественные изменения. Здесь имеется в виду не диагностика какой-либо конкретной патологии, а определение механизма, на уровне которого происходит изменение или нарушение регуляции дыхания.

В этом плане одним из актуальных направлений в интегративной физиологии, занимающейся, в частности, проблемами саморегуляции сложных систем, является проблема регуляции дыхания (Бреслав, 2002; Сафонов 2003, 2006; Исаев, 2005; Smith, 2009), изучение которой у человека имеет существенные ограничения в плане проведения экспериментальных исследований. Респираторное ритмообразование у человека в значительной мере зависит от их психоэмоционального состояния, что обусловлено влиянием лимбической системы на деятельность дыхательного центра (Han, 1997; Vlemincx, 2011). Вместе с этим хорошо известно, что дыхательный ритм, как и паттерн дыхания (то есть структура каждого дыхательного цикла), формируется на основе рецепторной информации, получаемой от хемо- и механорецепторов, что позволяет центральному регулятору дыхания подбирать энергетически оптимальные режимы вентиляции легких (Бреслав, 1994; Van den Aardweg, 2002; Fiamma, 2007).

У человека в этом плане наиболее изучена вариабельность сердечного ритма, точнее, вариабельность временных интервалов между сердечными сокращениями (RR-интервалы). Спектральный анализ ритмограмм RR интервалов на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) позволил установить существование волновой модуляции сердечного ритма. При этом убедительно показано, что методы динамического анализа обработки биоэлектрических сигналов, по снижению вариабельности RR интервалов и, соответственно, падению определенной мощности спектра, позволяют диагностировать критическое состояние миокарда (Рабочая группа, 1999; Чуян, 2008). Установлено также, что у человека можно выделить четыре группы основных волновых пиков (Say-ers, 1973). К первому относят высокочастотный спектр (HF-диапазон - от 0,15 до 0,4 Гц), который соответствует частоте дыхания. Далее следуют низкочастотный (LF - от 0,04 до 0,15 Гц), очень низкочастотный (VLF в диапазоне от 0,003 до 0,04 Гц) и ультранизкочастотный (ULF в диапазоне от 0,0001 до 0,003 Гц) спектры. Принято считать, что HF волны сопряжены с ритмом дыхания и меняются сообразно изменению частоты дыхания, хотя до сих пор нет единого мнения относительно физиологических механизмов этого явления (Рябыкина, 1998). В процессе исследования механизмов образования волн LF была разработана довольно стройная теория регуляции сердечного ритма, основанная на принципе управления по отклонению со стороны симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы (Баевский, 1994; Чуян, 2008). Подстройка механизмов контроля включает в себя мониторинг гемодинамиче-ских параметров, а также поддержание оптимальных режимов сердечной деятельности (Akselrold, 1985; Saul, 1990). Наименее изученными остаются механизмы формирования волн «очень низкочастотного» (VLF - Very low frequency) спектра. На основе косвенных коррелятов построен ряд гипотез, которые связывают феномен VLF с регуляторными ритмами гипоталамуса и эндокринной системы (Чуян, 2008; Рябыкина, 1998), однако прямых доказательств существования «энергетического ритма» на уровне целостного организма пока нет. Кроме того, остается неизвестным, к какому типу волновых процессов (хаотическому или регулярному) следует относить эту периодичность.

В норме у здорового человека и состоянии относительного покоя регуляция энергетических процессов, происходит на основе принципов самоорганизации. Эти принципы, как правило, проявляются определенной ритмичной динамикой ряда «управляющих параметров» (Saul, 1990). Внешнее дыхание и органы кровообращения являются системами, обеспечивающими тканевое дыхание, поэтому характер их функционирования будет определяться динамикой энергетического запроса. Если это поедположение верно, то следует ожидать, что интенсивность легочного газообмена, напрямую отражающая скорость потребления кислорода и, соответственно, величину энергетического запроса, будет иметь медленноволновую структуру, соответствующую VLF-диапазону с временным интервалом в пределах от 25 до 330 секунд. Другим доказательством могло бы служить отражение подобной вариабельности в паттерне дыхательного ритма. Однако до настоящего времени встречаются единичные работы, посвященные вариабельности показателей спирометрии, в которых обнаружен медленноволновой характер параметров легочной вентиляции (Modarres-zadeh , 1990; Bruce, 1996). При этом большинство исследователей считают, что в основе вариабельности параметров внешнего дыхания лежит механизм оптимального поддержания pH и напряжения С02 в артериальной крови, а механизм подстройки вентиляции легких реализуется путем автоматического управления по принципу обратной связи на уровне центрального регулятора дыхания (Bruce, 1996; Brett, 2002; Vlemincx, 2011).

Изучение вариабельности дыхательного ритма в сочетании с динамикой легочного газообмена в диапазоне волн VLF спектра с использованием методов спектрального анализа, фактически не проводилось. Очевидно, это связано с определенными методическими проблемами записи дыхания. В этом плане определенный интерес вызывает проведение спектрального анализа не только временных интервалов, но и вариабельности измеряемой величины физиологических параметров, как это было выполнено в исследованиях Caminal et. al. (2004). Такой подход мог бы учитывать всю палитру паттерна дыхания, включая его временные и функциональные характеристики. Изучение физиологических механизмов респираторного ритмообразования может решить ряд проблем, связанных с объективной диагностикой нарушения дыхательного ритма при психогенной одышке и дыхательной недостаточности. Несмотря на большой объем исследований по психофизиологии дыхания, до сих пор существуют проблемы объективной диагностики психогенной одышки (Чучалин, 2004; Агаджанян, 2002; Бреслав, 2007). Кроме того, по существу, отсутствуют сравнительные групповые исследования паттерна дыхания у здоровых и лиц с психогенной одышкой, которые позволили бы обосновать объективные критерии ее диагностики. Исследование паттернов дыхания при психогенной одышке будет способствовать пониманию механизмов формирования функциональных дыхательных расстройств.

Исследования субъективных и неврологических симптомов, проведенные А.Н.Агаджаняном (2003), дают возможность оценить тяжесть проявления симптоматики в зависимости от глубины респираторного алкалоза. В обзорах, посвященных висцеральной и поведенческой составляющим регуляции дыхания (Бреслав, 2007; Сафонов, 2006), обсуждаются механизмы формирования дыхательного ритма, которые, по всей вероятности, принимают непосредственное участие в формировании одышки психогенной природы. Отмечается исключительная индивидуальность характера дыхательных движений, которая проистекает из сложного взаимодействия центрального регулятора дыхания бульбо-понтинного уровня, отвечающего за метаболическую функцию дыхания, с одной стороны, и поведенческого контроля дыхания, с другой стороны. Подобное взаимодействие далеко от постоянства и реализуется в зависимости от особенностей аппарата внешнего дыхания, которые определяют выбор оптимального, с точки зрения энергозатрат на дыхание, респираторного паттерна. Очевидно, что эти обстоятельства требуют создавать такие условия исследования респираторного паттерна, при которых будут минимизированы влияния со .стороны коры головного мозга на центральный регулятор дыхания.

Дыхание - процесс периодический, колебательный и по своей природе имеет определенное сходство с механическими колебательными процессами в таких характеристиках, как частота и амплитуда. Следовательно, по аналогии с методами технической диагностики, где уже достаточно долго основным способом получения диагностической информации является не анализ формы колебаний, а анализ их спектрального состава, можно предположить, что и в физиологии дыхания возможно применение исследования с помощью спектрального анализа. В современной функциональной диагностике легких ни один из традиционных методов исследования дыхания не использует оценку функции дыхания с применением спектрального анализа. В то же время применение этих методов обеспечивает высокую информативность и достоверность мониторинга различных механизмов, повышает оперативность обследования. Это обусловило постановку задачи применения апробированных в технике методов мониторинга применительно к методам и средствам анализа различных процессов в человеческом организме, а особенно дыхания.

Решение этих проблем в значительной мере ограничено из-за сложной и не до конца понятной организации регуляции дыхания, в основе которой лежит фактически двойной тип управления - произвольный и непроизвольный, осуществляющийся через независимые нервные пути (Сафонов, 2003; Бреслав, 2007). Одним из подходов для изучения функциональных и патологических нарушений этих процессов может быть, так же как и в кардиологии, исследование ритмов дыхания. Однако современные методы исследования функции внешнего дыхания не позволяют проводить подобный анализ. До сих пор не решена техническая проблема накопления данных для полноценного анализа респираторных ритмов. Широко распространенный механографический метод записи дыхания с помощью одного или двух тензодатчиков, закрепляющихся в виде пояса на грудной клетке, не может использоваться для оценки вариабельности дыхания из-за низкой точности определения продолжительности дыхательного цикла. Мы полагаем, что для этих целей необходимо использовать методы, непосредственно контролирующие вентиляционную функцию, такие как капно-графия или пневмография. Причем продолжительность исследования, в зависимости от задач спектрального анализа, должна обеспечивать накопление данных в течение 5-30 минутного периода. Фрагментарные исследования, выполненные в этом направлении, в частности с использованием метода "ЬгеаШ-Ьу-ЬгеаШ", уже позволяют в какой-то мере оценить значение спектров дыхательных ритмов (Modarreszadeh, 1990; Caminal et al., 2004), однако эти исследования носили поисковый характер без какой-либо определенной диагностической задачи.

В связи с вышеизложенным, были сформулированы цель и задачи настоящей работы.

Цель исследования

Изучить особенности паттернов дыхания с использованием различных методов анализа респираторных ритмов у человека в норме и при функциональных нарушениях регуляции дыхания.

Задачи исследования

1. Разработать метод высокоточной регистрации внешнего дыхания для спектрального анализа дыхательных ритмов.

2. Исследовать механизмы формирования периодических изменений показателей вентиляционной функции и легочного газообмена.

3. Изучить временные характеристики паттерна дыхания в норме, и у лиц с психогенной одышкой.

4. Исследовать спектральные характеристики дыхания при психогенной одышке и дыхательной недостаточности в сравнении с нормой.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработанный метод высокоточной регистрации внешнего дыхания для спектрального анализа дыхательных ритмов обеспечивает проведение спектрального анализа паттернов дыхания у человека. Метод реализован с помощью разработанного устройства «Пневмосет» на основе термосенсорных датчиков и программного обеспечения для записи и обработки пневмограмм в реальном режиме времени

2. Скорость энергетических процессов в организме человека характеризуется медленно волновой вариабельностью, которая совпадает с вариабельностью дыхательного ритма. Медленоволновая динамическая периодичность параметров легочного газообмена отражает процесс синхронизации осцилляторов с несоизмеримыми частотами. Наиболее вероятно, что первый осциллятор представлен хеморецепторным механизмом регуляции внешнего дыхания. Природа второго осциллятора остается неизвестной. Учитывая тот факт, что скорость потребления кислорода и выделения С02 являются функцией энергетического запроса, можно полагать, что именно энергетические процессы формируют другой (или другие) осцилляторы периодических процессов.

3. Паттерн дыхания при психогенной одышке характеризуется гипокапнией, учащением дыхания и дыхательной аритмией. В основе учащения дыхания и увеличения вариабельности респираторного ритма лежит нарушение регуляции по отклонению на уровне центрального регулятора дыхания, которое имеет психогенное (эмоциональное) происхождение.

4. Спектральный анализ вариабельности дыхания может быть использован в качестве объективного метода для дифференциальной диагностики психогенной одышки и дыхательной недостаточности.

Научная новизна

1. Впервые доказана ритмичная динамика газообменной функции внешнего дыхания в УЬР-диапазоне с периодом колебаний в пределах от 1 до 5,5 минут. Результаты исследования основаны на анализе спектров скорости потока по пневмограмме и показателей легочного газообмена, которые были получены двумя разными методами исследования в течение 30-минутных временных интервалов. Стабильный характер медленных колебаний показателей вентиляции и легочного газообмена указывает на особый, самостоятельный механизм их формирования. Наиболее вероятно, что медленноволновая динамическая периодичность параметров легочного газообмена отражает процесс синхронизации осцилляторов с несоизмеримыми частотами, когда доминирует двухчастотная периодичность. Если первый осциллятор представлен хеморецепторным механизмом регуляции внешнего дыхания, то природа второго осциллятора остается неизвестной. Устойчивая периодическая динамика показателей энергетического запроса (потребления кислорода и выделения С02) указывает на то, что именно энергетические процессы формируют другой (или другие) осцилляторы периодических процессов.

2. Установлено, что в основе психогенной одышки лежат физиологические механизмы адаптации регуляции дыхания, обеспечивающие автоматизм дыхания, с одной стороны, и механизмы взаимодействия центрального регулятора дыхания и корковых структур, с другой. Нарушение взаимодействия различных уровней управления дыханием отражается в смещении уставки по С02 в сторону гипокапнии, учащении дыхания, а также в нарастании «аритмичности» дыхательных циклов. Причем, все эти изменения могут быть установлены с помощью метода капнографии и пневмографии.

Научно-практическая значимость

1. Разработан метод, позволяющий выполнять высокоточные измерения медленных воздушных потоков при регистрации вентиляции легких, обеспечивающие спектральный анализ паттернов дыхания.

2. На основе изучения вариабельности дыхания и результатов спектрального анализа дыхательных ритмов определены наиболее информативные показатели для объективной диагностики психогенной одышки.

Заключение диссертации по теме «Физиология», Гришин, Виктор Григорьевич

Выводы

1. Пневмографический метод высокоточных измерений медленных воздушных потоков при регистрации вентиляции легких, обеспечивает спектральный анализ паттернов дыхания.

2. Анализ спектров скорости потока (по пневмограмме) и показателей легочного газообмена (при исследовании на метаболографе) указывает на то, что в респираторном ритмообразовании участвуют механизмы, формирующие ритмичную динамику газообменной функции внешнего дыхания в УЬР-диапазоне с периодом колебаний в пределах от 1 до 5,5 минут.

3. Одним из информативных показателей психогенной одышки является комплексный параметр, учитывающий три типа изменений паттерна дыхания: снижение концентрации СОг в конце выдоха (снижение Ре1> С02), учащение дыхания и нарушение его ритма, который можно выразить через коэффициент вариации одной из временных характеристик дыхательного цикла.

4. Сравнительный спектральный анализ показал, что у здоровых и больных с дыхательной недостаточностью 0-1 степени дыхательный ритм не имеет достоверных отличий. В то же время эти группы достоверно отличаются от больных с психогенной одышкой. Так, общая мощность спектра при психогенной одышке выше в 2 раза, чем у здоровых, в 6 раз выше в низкочастотной области спектра и в 4 раза выше в высокочастотной области. При этом у больных с дыхательной недостаточностью мощность спектра в низкочастотном диапазоне ниже в 3 раза, чем у больных с психогенной одышкой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Гришин, Виктор Григорьевич, 2011 год

1. Абросимов В.Н., Гармаш В. Я. Гипервентиляционный синдром. Терапевтический архив. 1988. №10. С. 136.

2. Агаджанян H.A., Панина М.И., Козупица Г.С., Сергеев О.С. Субъективные и неврологические проявления гипервентиляционных состояний разной степени выраженности. Физиология человека. 2003. Т. 29. № 4. С. 66-71.

3. Агаджанян H.A., Терехин П.И. Физиологические механизмы респираторных феноменов при тревожных и депрессивных расстройствах. Физиология человека. 2002. Т. 28. № 3. С. 112-122.

4. Александрова Н.П., Бреслав И.С. Дыхательные мышцы человека: три уровня управления. Физиология человека. Т. 35. № 2. С. 103-111.

5. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения. УФН. 1996. Т.166. № И. С. 1145-1170.

6. Баевский P.M. Кириллов О.И., Клецкин С.З. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. М.: Наука. 1984. 221 с

7. Белозерцева И.В., Кучмин А.Н. Частотные показатели вариабельности сердечного ритма4 у больных бронхиальной астмой. Кардиология XXI век. СПб. 2001. С. 209.

8. Беляев K.P., Акулин O.A., Стрелков В.Б. К вопросу о неинвазивной регистрации паттерна дыхания. Новые информационные технологии в медицине и экологии. Труды конфЛУ Межд.конф.- Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 26 мая-4 июня 1998. С.287-289.

9. Бреслав И.С. Дыхательная сенсорика человека, ее физиологическая роль. Российский физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2002. Т. 88. № 2. С. 257-266.

10. Бреслав И.С. Физиология дыхания. СПб.: Наука. 1994. 680 с.

11. Бреслав И.С., Ноздрачев А.Д. Регуляция дыхания: висцеральная и поведенческая составляющие. Успехи физиологических наук. 2007. Т. 38. № 2. С. 2645.

12. Ведру Ю., Яксман С. Монитор легочной вентиляции человека на основе термоанемометрического датчика. Acta et Comm. Univ. Tartuensis, 1990. № 886. С. 83-92.

13. Ведясова O.A., Романова И.Д., Ковалева A.M. Механизмы регуляции дыхания структурами лимбической системы. Самара: Изд-во «Самарский университет». 2010. 170 с.15,16