Закономерности ритмической активности миокарда собаки в диапазоне от брадикардии до фибрилляции желудочков (16.01.2012)

Автор: Гурьянов Марат Ильич

5) изучить динамику структуры частот осцилляций при фибрилляции желудочков;

6) изучить динамику удельного веса осцилляций разных частот при фибрилляции желудочков;

7) изучить динамику амплитуды осцилляций разных частот при фибрилляции желудочков.

Научная новизна. В работе впервые выявлены закономерности ритмической активности миокарда собаки в широком диапазоне от брадикардии до фибрилляции желудочков. Впервые получено семейство кривых восстановления сократимости сердца в диастолическом периоде при ритмах сокращений 25–125 в 1 мин. При этом показано, что в диапазоне ритмов сокращений 38–125 в 1 мин потенциальный запас восстановления сократимости сердца в диастолическом периоде превышает в 1,4–7,4 раза амплитуду стабильных сокращений. Впервые показано, что при постепенном повышении ритма в режиме 5–10 %-ного уменьшения интервалов стимуляции сердце способно к опережающей перестройке (подъему) сократимости с учетом тенденции повышения ритма. Впервые показано, что при повышении ритма сердца имеет место закономерная последовательность: усвоение ритма по биоэлектрической и сократительной функции – неполное усвоение ритма с альтернированием сокращений – неполное усвоение ритма с альтернированием возбуждений – трансформация ритма сокращений – трансформация ритма сокращений и возбуждений – фибрилляция желудочков. Впервые проведен частотно-амплитудный анализ фибрилляции желудочков в пяти диапазонах частот: очень низкие частоты (1–3 Гц), низкие частоты (4–7 Гц), средние частоты (8–12 Гц), высокие частоты (13–17 Гц), очень высокие частоты (18–40 Гц). Впервые показано, что фибрилляция желудочков характеризуется закономерной динамикой частотной структуры ЭКГ: доминирование осцилляций высоких (или средних) частот в первые 10–20 секунд фибрилляции желудочков, доминирование осцилляций низких частот на 30–90 секундах, доминирование осцилляций низких и средних частот на 2–10-й минутах, бездоминантная структура после 10-й минуты.

Положения, выносимые на защиту

1. При увеличении частоты сокращений сердца собаки имеет место закономерная последовательность: усвоение ритма по биоэлектрической и сократительной функции – неполное усвоение ритма по сократительной функции с альтернированием сокращений – неполное усвоение ритма по сократительной и биоэлектрической функции с альтернированием сокращений и потенциалов действия – трансформация ритма сокращений – трансформация ритма сокращений и возбуждений – фибрилляция желудочков.

2. В диапазоне ритмов сердца собаки с периодами от 2,4 до 0,8 с (25–75 в 1 мин) постепенное 5–10 %-ное повышение частоты электрокардиостимуляции способствует лучшему усвоению ритма, чем мгновенное повышение, поскольку ведет к менее выраженным изменениям амплитуды сокращений.

3. Первая минута фибрилляции желудочков сердца собаки характеризуется наиболее значимыми изменениями в структуре частот осцилляций с переходом от доминирования осцилляций высоких частот к доминированию осцилляций средних, а затем и низких частот. Вторая – десятая минута характеризуется переходом от доминирования осцилляций низких частот к доминированию осцилляций низких и средних частот. После 10-й минуты фибрилляция желудочков приобретает бездоминантный характер.

4. У собак с ишемией миокарда фибрилляция желудочков характеризуется доминированием осцилляций низких частот уже на первой минуте, более низкой суммарной амплитудой осцилляций, и более ранним, по сравнению с нормальным миокардом, угасанием биоэлектрической активности сердца.

Практическая значимость. Получены новые данные о ритмической активности миокарда в диапазоне от брадикардии до фибрилляции желудочков. Полученные данные будут способствовать лучшему пониманию постэкстрасистолической потенциации, отражающей опережающую перестройку сократимости сердца. Показано, что постепенное повышение частоты электрокардиостимуляции является более благоприятным для сердца, чем мгновенное. Показано, что альтернирование сокращений и возбуждений закономерно предшествует возникновению фибрилляции желудочков при повышении частоты электрокардиостимуляции. Разработан посекундный частотно-амплитудный анализ ЭКГ в пяти диапазонах частот, позволяющий объективно определять стадии фибрилляции желудочков с доминантной и бездоминантной частотной структурой (патент РФ на изобретение № 2373849). Частотно-амплитудный анализ ЭКГ в пяти диапазонах частот может быть использован в алгоритмах машинной диагностики стадий фибрилляции желудочков с доминантной и бездоминантной частотной структурой. Частотная структура осцилляций может использоваться для определения длительности фибрилляции желудочков. Результаты работы могут найти практическое применение в области физиологии, патофизиологии, кардиологии, реаниматологии.

Реализация результатов исследования. Материалы диссертации доложены на заседании Татарского отделения Российского физиологического общества имени И.П. Павлова (Казань, 1992), на заседании кафедры нормальной физиологии Казанского медицинского института (Казань, 1993), на семинаре в НИИ пульмонологии МЗ РФ (С.-Петербург, 1994), на 6-й Всероссийской научно-практической конференции (Тобольск, 2009), на совместном заседании Президиума Тюменского научного Центра СО РАН и Тюменского филиала НИИ клинической иммунологии СО РАМН (Тюмень, 2010), на заседании Ученого совета НИИ физиологии СО РАМН (Новосибирск, 2011). По материалам диссертации опубликовано 28 научных работ, из них 16 работ опубликовано в научных журналах, входящих в Перечень ВАК, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук. Получен 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 244 страницах машинописи, из них 186 страниц основного текста и 14 страниц приложения. Работа состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследования, двух глав результатов собственных исследований, обсуждения результатов собственных исследований, выводов, практических рекомендаций, списка литературы, содержащего 38 источников на русском языке и 344 источника на иностранных языках. Работа иллюстрирована 41 рисунком и 43 таблицами.

Содержание работы

Материал и методы исследования

Для решения поставленных задач было проведено 44 острых опыта на собаках. Работа выполнялась с соблюдением основных биоэтических правил. 20 острых опытов было проведено на изолированном искусственно перфузируемом сердце (рис. 1). Перфузия сердца проводилась гепаринизированной аутокровью, разбавленной на одну треть полиглюкином.

Рис. 1. Схема опыта на изолированном искусственно

перфузируемом сердце собаки.

1 – сердце собаки; 2, 3 – левое и правое лёгкое; 4 – перфузионная трубка, вставленная в аорту; 5 – дренажная трубка, вставленная в правый желудочек; 6 – дренажная трубка, вставленная в левое предсердие; 7 – резервуар с венозной кровью; 8 – роликовый насос; 9 – мембранный оксигенатор; 10 – микрофильтр; 11 – резервуар с артериальной кровью; 12 – теплообменник; 13 – трубки для подачи и отвода воды в теплообменнике; 14 – латексный баллончик в полости левого желудочка; 15 – шприц для заполнения латексного баллончика физиологическим раствором; 16 – преобразователь давления ЕМТ-34 "Elema-Schonander"; 17 – полиграф "Mingograf-34"; 18 – электроды для отведения биопотенциалов сердца; 19 – электроды для кардиостимуляции; 20 – кардиостимулятор

В каждом опыте режим работы сердца определялся работой специально изготовленного кардиостимулятора, позволявшего производить "мгновенные" (без переходных процессов) переключения с одного стабильного интервала стимуляции на любой другой в диапазоне в диапазоне интервалов: 0,32 с, 0,48, 0,64, 0,8, 0,96, 1,12, 1,28, 1,44, 1,6 и 2,4 с – всего 10 режимов интервальной стимуляции.

Конструктивное решение кардиостимулятора также позволяло производить "мгновенные" (без переходных процессов) переключения в режим процентного убывания длительности межимпульсных интервалов в диапазонах: 5 %, 10, 15, 20, 30 и 40 % – всего 6 процентных режимов. При этом обеспечивалось уменьшение от импульса к импульсу длительности каждого последующего межимпульсного интервала на 5–40 % от предыдущего интервала. Процентное убывание продолжалось до периода 0,2 с. "Интервальные" и "процентные" переключения многократно повторялись, благодаря чему удавалось получить многократное воспроизведение результатов и, таким образом, оценивать их статистическую достоверность.

В каждом опыте левый желудочек работал в режиме изоволюмических сокращений, чем исключалось проявление действия закона Франка–Старлинга. Регистрацию электрограммы сердца, давления в полости левого желудочка и отметки подачи импульсов от кардиостимулятора производили на полиграфе "Mingograf–34" фирмы "Siemens–Elema" (ФРГ–Швеция).

Было проведено 24 острых опыта на сердце собаки in situ. В каждом опыте регистрировали ЭКГ собаки в III стандартном отведении в течение 1–3 мин. Затем проводили в течение 2–3 с электростимуляцию сердца переменным током 50 Гц и 30–40 В, что приводило к фибрилляции желудочков. ЭКГ при фибрилляции желудочков регистрировали в течение 20 мин от первых секунд фибрилляции до угасания биоэлектрической активности сердца. ЭКГ регистрировали на полиграфе "NeuroS-4U" фирмы "Нейроботикс" (РФ).

У 10 собак на первых секундах фибрилляции желудочков регистрировались осцилляции частотой 13–17 Гц (1-я группа опытов), у 10 собак – частотой 8–12 Гц (2-я группа), у 4 собак – частотой 4–7 Гц (3-я группа). Корреляционная связь между исходной частотой сердечных сокращений и частотой осцилляций на первых секундах фибрилляции желудочков отсутствовала во всех группах. До фибрилляции желудочков в 1 и 2-й группах не определялись патологические изменения на ЭКГ, а в 3-й группе определялось снижение сегмента ST на 2–3 мм, что указывает на ишемию миокарда.

Проводили частотно-амплитудный анализ односекундных отрезков ЭКГ на 1–20-й минутах фибрилляции желудочков методом быстрого преобразования Фурье (Amann et al., 2005). Частотно-амплитудный анализ ЭКГ проводили в пяти диапазонах частот: очень низкие частоты (1–3 Гц), низкие частоты (4–7 Гц), средние частоты (8–12 Гц), высокие частоты (13–17 Гц) и очень высокие частоты (18–40 Гц). При фибрилляции желудочков определялась спектральная мощность (спектральная амплитуда) осцилляций от очень низких до очень высоких частот, удельный вес осцилляций от очень низких до очень высоких частот и амплитуда осцилляций частотой от 1 до 40 Гц (суммарная амплитуда осцилляций).

Статистическую обработку проводили непараметрическими методами с использованием стандартного пакета "SPSS 11,5 for Windows": среднее значение и ошибка средней, непараметрическое сравнение по критерию Манна-Уитни для независимых выборок, непараметрическое сравнение по парному критерию Вилкоксона для связанных выборок, ранговый корреляционный анализ по Спирмену. Различия считали достоверными при 95 %-ном уровне значимости (р(0,05).

Результаты исследования и их обсуждение

1. Анализ ритмической активности миокарда в условиях

электрокардиостимуляции

1.1. Восстановление сократимости сердца в

диастолическом периоде

Сердце собаки является ритмически работающим органом, способным функционировать в широком физиологическом диапазоне сокращений от брадикардии до тахикардии. Амплитуда изоволюмических сокращений изолированного сердца при том или ином рабочем ритме определяется скоростью восстановления сократимости сердца в диастолическом периоде. Поэтому является актуальным изучение восстановления сократимости сердца собаки в широком диапазоне от брадикардии до тахикардии. Восстановление сократимости сердца в диастолическом периоде определяли, тестируя сердце экстрасистолическими и задержанными стимулами.

Восстановление сократимости сердца в диастолическом периоде при 9 ритмах с периодами от 2,4 до 0,48 с (25–125 в 1 мин) отражает рисунок 2. Восстановление сократимости сердца в диастолическом периоде начиналось после периода задержки. Повышение ритмов сердца в диапазоне интервалов от 2,4 до 0,48 с сопровождалось уменьшением периода задержки от 580 до 380 мс – кривые восстановления сократимости сердца сдвигались в область более коротких интервалов. При всех ритмах с периодами от 2,4 до 0,48 с амплитуда сокращений закономерно возрастала с возрастанием тестирующего интервала. При всех ритмах имеется высокая положительная корреляционная связь между тестирующим интервалом и амплитудой сокращений (от rs=0,95 до rs=0,99; р(0,01). Повышение ритмов сердца в диапазоне интервалов от 2,4 до 0,48 с сопровождалось повышением угла наклона кривых восстановления сократимости к оси абсцисс, что указывает на возрастание скорости восстановления сократимости в диастолическом периоде.

Процесс механического восстановления не заканчивался достижением 100 %-ного стабильного уровня сократимости. При ритмах с периодами от 1,6 до 0,48 с накопление потенциальной энергии сокращения продолжалось до задержанного интервала 2,4 с.

Рис. 2. Семейство кривых восстановления сократимости сердца в диастолическом периоде. Амплитуды экстрасистолических и задержанных сокращений в процентах к стабильным сокращениям ритмов с периодами от 2,4 до 0,48 с. По оси абсцисс – интервал, с; по оси ординат – амплитуда изоволюмического сокращения, %. Достоверность различий в парах значений при одинаковых ритмах и интервалах сокращений (р(0,01)

Восстановление сократимости сердца в диастолическом периоде связано с накоплением ионов Са2+ в саркоплазматическом ретикулуме. Чем больше интервал восстановления, тем больше ионов Са2+ закачивается из цитозола в саркоплазматический ретикулум и тем больше ионов Са2+ поступает к миофибриллам в процессе электромеханического сопряжения, что приводит к возрастанию силы сокращения (Vornanen and Shepherd, 1997). По-видимому, более высокую скорость восстановления сократимости при более высоком ритме следует объяснить более высокой скоростью закачивания ионов Са2+ из цитозола в саркоплазматический ретикулум. Чем больше закачивается ионов Са2+ в саркоплазматический ретикулум, тем больше должно быть на это затрачено молекул АТФ, так как Ca2+-АТФ-аза саркоплазматического ретикулума обеспечивает закачивание ионов Са2+ против значительного градиента концентраций: содержание ионов Са2+ в саркоплазматическом ретикулуме в 1000 раз больше, чем в цитозоле (Frank et al., 2003). По-видимому, более высокую скорость восстановления сократимости сердца в диастолическом периоде при более высоком ритме следует объяснить более высокой скоростью биохимических реакций, обеспечивающих синтез АТФ. По-видимому, при любом ритме сердце собаки способно точно регулировать скорость синтеза АТФ и закачивания ионов Са2+ в саркоплазматический ретикулум, так как при любом ритме в процессе восстановления сократимости сердца в диастолическом периоде стабильный 100 %-ный уровень сократимости всегда достигался к моменту прихода очередного стимула данного ритма.

Считается, что через 1–2 с, в зависимости от вида исследуемого животного, достигается "плато" механического восстановления, когда амплитуда сокращения не возрастает, а является стабильной несмотря на возрастание тестирующего интервала (Seed and Walker, 1988). В нашей работе в диапазоне ритмов с периодами от 1,6 до 0,48 с (38–125 в 1 мин) сердце собаки функционировало не на "плато", а на средней части восходящего участка зависимости "длительность восстановления сократимости сердца в диастолическом периоде – амплитуда сокращения" (рис. 2). Таким образом, в широком диапазоне сокращений от брадикардии до тахикардии механизм восстановления сократимости сердца собаки в диастолическом периоде используется не полностью. Потенциальный запас восстановления сократимости сердца в диастолическом периоде превышал в 1,4–7,4 раза амплитуду стабильных сокращений.

Следует отметить, что механизм Франка–Старлинга обеспечивает повышение амплитуды сокращений всего в 2–3 раза (Brooks et al., 1955). При этом механизм Франка–Старлинга используется практически полностью, так как сердце млекопитающего функционирует на верхней части восходящего участка зависимости "длина саркомера – сила сокращения" (Gilbert et al., 2007; Bub et al., 2010).

Более высокую скорость восстановления сократимости сердца при более высоком ритме следует объяснить, допустив, что скорость восстановления сократимости перестраивается (возрастает) при мгновенном переходе на более высокий ритм.

1.2. Усвоение ритма при мгновенном повышении частоты

стимуляции


загрузка...