Введение

Ишемическая болезнь сердца (ИБС) в первую очередь поражает миокард, что отражается на морфологии и функции левого желудочка (ЛЖ). Систолическую функцию ЛЖ традиционно оценивают по фракции выброса (ФВ), геометрии полостей сердца [1]. В последнее время особый интерес представляют значения напряжения ЛЖ и параметры, отражающие гемодинамические силы, у пациентов с коронарной недостаточностью [2, 3].

В литературе приводят данные по оценке силы и затраты энергии миокардом с применением современных методов визуализации сердца, таких как МРТ, эхокардиография [4, 5]. Различные методы визуализации направлены на диагностику и оценку силы и затрат энергии, поскольку каждый метод имеет свои преимущества и ограничения в получении результатов. Объективно и то, что на оценку результатов влияют физиологические переменные, такие как возраст, частота сердечных сокращений, ритм, артериальное давление и т.д. Новые эхокардиографические методы, такие как спекл-трекинг и исследование силы ЛЖ, представляют собой многообещающие параметры в оценке функции ЛЖ [6].

Измерения силы сокращения и оценка затрачиваемой энергии миокардом представляют потенциально новый способ оценки функции миокарда как у здоровых лиц [6, 7], так и у пациентов с сердечной недостаточностью [6, 8, 9]. На сегодняшний день имеется недостаточно данных относительно клинической значимости расхода кинетической энергии (КЭ) и силы сокращения миокарда у пациентов с ишемическим повреждением сердечной мышцы. Эти исследования являются начальными [2], но демонстрируют изменение функции сердца после восстановления коронарного кровообращения у пациентов с сердечной недостаточностью. В исследовании выполнена оценка изменений силы и кинетической энергии на стратификацию систолической и диастолической функции сердца у пациентов с коронарной патологией.

Цель исследования: оценить силу и затрачиваемую кинетическую энергию миокарда у пациентов с ИБС до и после восстановления коронарного кровообращения.

Материал и методы

Обследованы 48 пациентов (средний возраст 62,2±7,4 года) с ИБС до операции и 40 здоровых людей (средний возраст 42,0±3,4 года). В отдаленном послеоперационном периоде (от 3 до 6 лет) обследован 31 пациент. Из анализа были исключены больные с миокардитом, кардиомиопатиями, пороками клапанов сердца и фибрилляцией предсердий.

До операции всем пациентам были выполнены коронарография и трансторакальная эхокардиография. Данные анализировали в автономном режиме на рабочей станции EchoPAC. По данным коронарной ангиографии, у большинства пациентов выявлено многососудистое поражение коронарных артерий. Среди оперированных преобладали пациенты с поражением трех (67%) и двух (33%) коронарных артерий.

Измерения проводили в одном кардиоцикле, выделенном из динамической серии изображений, предварительно обработанном в 2-, 3- и 4-камерных позициях для получения сегментированных контуров ЛЖ. Выполняли измерения конечного диастолического (КДО) и систолического (КСО) объемов ЛЖ и расчет ФВ. В программе Мультивокс выполняли построение внутрижелудочковых потоков крови (V), скорости ускорения (dVol/dt²) и градиентов давления (ΔP) между верхушкой и выносным трактом ЛЖ в периоды систолы (s) и диастолы (d) [9]. Для оценки длинной оси желудочка и параметров, характеризующих сокращение сегментов миокарда, автоматически строили графики сокращения миокарда вдоль выбранных направлений с фиксированным сердечным циклом по ЭКГ. КЭ определялась количественно как у здоровых лиц, так и у пациентов с ИБС с использованием программного обеспечения собственной разработки (рис. 1 и далее см. на цв. вклейке).

Рис. 1. Скорости внутрижелудочкового кровотока и градиента давления в полости левого желудочка с направлением от верхушки до митрального (линия I) и аортального (линия II) клапанов в систолу.

Представлено изменение параметров в левом желудочке в направлении от верхушки до митрального (линия I) и аортального (линия II) клапанов во время максимального изгнания крови в аорту. На графиках под эхограммами — скорости изменения потока крови в левом желудочке и совмещение скорости кровотока и внутрижелудочкового градиента давления (красные линии) за сердечный цикл. Расход кинетической энергии (Pa) в диастолу и систолу у пациента с ИБС (б).

Полученные данные отражают объемные характеристики с диссипацией энергии и ускорением потоков крови через ∆P. Определение силы миокарда за сердечный цикл выполняли с помощью векторного анализа и внутрижелудочковых потоков крови у здоровых лиц и пациентов с ИБС. Работу сердца предложено использовать как гемодинамическую силу (ГС), которая представляет собой глобальную силу, передаваемую между объемом крови и миокардом, которая рассчитывается по суммированию отдельных градиентов внутрижелудочкового давления по уравнению Навье–Стокса. ГС рассчитывали на основе анализа ускорения изменения объема ЛЖ во время сердечного цикла (рис. 2). Изменение глобальной ГС определяли по второй производной от изменения объема Vol(t) ЛЖ по формуле:

ГС (t)=m(dV²(t)/dt²),

где m — масса крови, V(t) — объем ЛЖ.

Рис. 2. Внутрижелудочковые потоки крови в систолу (а). На графиках сверху вниз (б) — изменение объема левого желудочка (Vol); скорость изменения объема (dVol/dt); ускорение изменения объема (dVol/dt2) у пациента с ишемической болезнью сердца. Вертикальные линии — временные маркеры систолы и диастолы.

На рис. 3 представлены синхронизированные по ЭКГ графики изучаемых параметров (изображения слева сверху вниз) и соответствующие ключевым моментам кардиоцикла эхограммы с отображением скоростей смещения миокарда (изображения справа сверху вниз).

Рис. 3. Графики изменения параметров в течение сердечного цикла.

а — изменение объема ЛЖ; б — скорость изменения объема ЛЖ; в — ускорение изменения объема ЛЖ. На эхограммах (г, сверху вниз) представлены направления и величины скоростей смещений стенки ЛЖ в моменты изоволюмического напряжения, максимального изгнания и наполнения в диастолу. Периоды окончания систолы и диастолы отмечены красными вертикальными линиями на графиках а—в.

График ГС (рис. 3, в) на интервале от «0» до окончания систолы в момент максимальной скорости изгнания крови из ЛЖ имеет ярко выраженный максимум, который отмечен красной точкой с обозначением «max силы изгнания». На графике максимум силы изгнания отображается как отрицательная величина, так как в это время происходит уменьшение объема ЛЖ.

КЭ анализировали в период систолы и диастолы, основываясь на скорости потока (V) и плотности крови (ρ=1060 кг/м³) согласно следующему уравнению:

КЭ=ρmv²/2.

КЭ отражает ускорение потока крови в систолу и диастолу желудочков (рис. 2, в). Таким образом, расчет КЭ может быть произведен при знании КДО и КСО, что может быть оценено как работа, которая непосредственно связана с перемещением крови из желудочка в аорту.

Статистический анализ

Переменные были выражены как средние значения со стандартными отклонениями. Сравнения были проведены с использованием непарного t-критерия и коэффициента корреляции. Анализ выполняли в программах Statistics 12.0 и JMP-5. Нормальность распределения данных проверена с помощью теста Шапиро–Уилка (дисперсия была однородной и соответствовала нормальному распределению). Анализировали взаимосвязь между параметрами по бивариантному анализу и оценке корреляционной зависимости. Для проведения сравнений между группами и попарных сравнений между группами использовали однофакторный дисперсионный анализ. Значение p<0,05 считали статистически достоверным.

Результаты

На основании исследований были получены данные по гемодинамике, силе, развиваемой миокардом, и расходу КЭ в период сердечного цикла (табл. 1).

Таблица 1. Гемодинамика у пациентов с коронарной недостаточностью до и после реваскуляризации миокарда в отдаленном послеоперационном периоде

Примечание. dVol/dt² — ускорение кровотока; dVol/dt_s — скорость изменения объема левого желудочка; САД — систолическое артериальное давление; ДАД — диастолическое артериальное давление; ЧСС — частота сердечных сокращений.

Высказываются предположения, что сила сокращения и КЭ являются ранними маркерами в оценке нарушения функции сердца [5, 9]. Подобные процессы связаны с внутрижелудочковыми потоками крови и работой миокарда. Однако в литературе нет достаточно обоснованного анализа по оценке силы и КЭ миокарда у пациентов с ишемическим повреждением ЛЖ до и после восстановления коронарного кровообращения.

Проанализированы построения комплекса показателей для независимой объективной оценки имеющихся нарушений и функционального резерва как в отдельности, так и во взаимосвязи друг с другом.

На основании этого предложен аналитический подход, включающий в себя специализированные координатные системы, для интерполированной оценки эффективности работы сердца.

Обсуждение

В настоящее время отсутствуют систематизированные данные фундаментальной оценки функции миокарда в условиях снижения коронарного кровообращения по результатам неинвазивных методов исследования. В первую очередь это относится к определению резерва кровообращения и инотропной функции сердца. Уменьшение притока артериальной крови к тканям прежде всего отражается на энергетическом обмене в клетках. Появление новых возможностей по визуализации кровотоков в сердечно-сосудистой системе, внедрение этих технологий в клиническую практику позволяют неинвазивно оценивать внутрижелудочковые потоки крови и градиенты давления у больных с прогрессирующей дисфункцией сердца [10, 11]. На основании эхокардиографических исследований выполнены измерения функции миокарда с описанием анатомической адаптации сердца в ответ на повышенную перегрузку желудочка [11, 12]. Внутрижелудочковые потоки очень чувствительны к изменениям свойств миокарда, что дополняет оценку систолической и диастолической дисфункции миокарда.

Анализ графика второй производной (dVol/dt²) дает возможность определить силы, развиваемые ЛЖ в периоды кардиоцикла. Так, в периоде систолы определяется момент времени, в котором миокардом ЛЖ развивается наибольшая сила по «выталкиванию» крови через аортальный клапан в аорту. Анализ этого графика за период диастолы дает возможность определить силу, развиваемую ЛЖ при активном всасывании крови в диастолу, и силу, с которой предсердие «докачивает» кровь в ЛЖ.

Регистрация развития силы и расхода энергии в систолу и диастолу, дополненная информацией о внутрижелудочковых потоках крови и градиентах давления, — это подход к новым трансторакальным эхокардиографическим параметрам, отражающим работу ЛЖ. Аналогичные исследования в настоящее время выполняют в разных лабораториях и активно обсуждают в печати с определением достоверности и применимости этих параметров в клинической практике [2, 5, 13].

Между силой и скоростью существует обратно пропорциональная зависимость. В покое доля кинетического компонента составляет около 1% от общей работы сердца [14]. С увеличением нагрузки растут оба компонента, но кинетическая работа растет быстрее из-за роста линейной скорости кровотока. Нагрузка приводит к изменению сердечного выброса. Соответственно, работа сердца возрастает или снижается, что сопровождается изменением соотношения между статическим и кинетическим компонентами как предикторами оценки функции сердца.

Возможности одновременного исследования гемодинамики, геометрии полостей сердца с новыми современными методами регистрации функции миокарда можно считать объективными количественными критериями в оценке кровообращения и прогнозирования результатов операции по ремоделированию ЛЖ и восстановлению коронарного кровообращения. В литературе приводят результаты исследования работы сердца на основе МРТ [15, 16]. Однако при МРТ достаточно сложно оценить фазы сердечного цикла, что может отразиться на точности полученных результатов. Эхокардиография в клинических условиях более точна для характеристики функции ЛЖ с точки зрения регистрации и оценки изменения объема и сердечного выброса, деформации миокарда и отслеживания за спеклами.

Показатели, основанные на векторном анализе и внутрижелудочковых потоках крови с расчетом расхода энергии и развития силы, отличаются от оценки работы сердца как по нашим данным, так и по данным литературы [16]. Аномальная структура кровотока в ЛЖ может сигнализировать о неадаптивной функции миокарда еще до возникновения заметных структурных изменений. Дополнительными особенностями при дисфункции миокарда являются наличие вихревых потоков, изменение внутрижелудочковых градиентов давления, изменение расхода и накопления энергии [6]. В этом контексте исследования скорости внутрижелудочкового кровотока и градиентов были ограничены допплеровской оценкой [10, 17]. Поэтому анализ этих дополнительных показателей дает современное представление о функции сердца, высокочувствительной идентификации дисфункции миокарда и оценке результатов восстановления коронарного кровообращения. При оценке взаимосвязей dVol/dt² и ФВ было отмечено, что после восстановления коронарного кровообращения dVol/dt² по сравнению с исходом возрастает в отдаленном периоде практически в 2 раза (рис. 4), при этом ФВ остается практически без изменений.

Рис. 4. Больной с ИБС.

а — до операции, б — после операции (покой), в — после операции (4-я ступень нагрузки, 100 Вт). Графики изменения параметров в течение сердечного цикла (сверху вниз: объем левого желудочка за сердечный цикл; скорость изменения объема левого желудочка; ускорение изменения объема левого желудочка, характеризующее изменение силы в период сердечного цикла). На эхокардиограммах представлены направления и величины смещений сегментов левого желудочка в моменты изоволюмического сокращения, максимального изгнания в систолу, ранней диастолы. Вертикальными линиями на графиках обозначены периоды систолы и диастолы.

Ускорение изменения объема (dVol/dt²) рассматривается как чувствительный патогенетический индикатор и модулятор ремоделирования ЛЖ в оценке адекватности восстановления коронарного кровообращения. Анализ изменения скорости ускорения после операции дает представление о нормализации сократимости миокарда, что отражается и на расходе энергии миокардом.

Из полученных результатов выявлено, что ускорение изменения объема, ФВ ЛЖ, а также КЭ тесным образом взаимосвязаны (r — 0,98), что отражает биомеханику функции сердца в целом (табл. 2). Как по нашим результатам, так и по данным литературы, возникновение в полости ЛЖ дополнительной турбулентности приводит к прогрессированию ремоделирования и снижению силовой результирующей, что может привести к клинически выраженной дисфункции миокарда [10, 13, 18].

Таблица 2. Корреляционные связи у здоровых лиц и пациентов с ИБС до восстановления коронарного кровотока и в отдаленном послеоперационном периоде

Корреляционная связь у здоровых волонтеров прослеживалась между ФВ и КЭ, а также между ускорением изменения объема (dVol/dt²). У пациентов с ИБС до операции эти связи отсутствовали. Так, корреляционная связь между ФВ и КЭ практически отсутствует (r=–0,01). Причины этому могут быть самые разные (от диссинхронии сокращения миокарда до несоответствия напряжения и деформации) (рис. 5, 6).

Рис. 5. Бивариантный анализ взаимосвязи ФВ и ускорения изменения объема ЛЖ (dVol/dt2) в систолу в норме (а) и у пациентов с ИБС до операции (б) и в отдаленном послеоперационном периоде (в).

Ломанная кривая — дисперсионный анализ с суммой квадратов и среднеквадратичным отношением ФВ к ускорению изменения объема (характеристика силы).

Рис. 6. Связь ФВ и КЭ у пациентов с ИБС до (а) и после (б) операции в отдаленном периоде.

Ишемия миокарда на ранних этапах своего развития характеризуется дисфункцией при укорочении и удлинении миокарда в условиях практически нормальных показателей гемодинамики. Иными словами, гемодинамические аномалии, связанные с недостаточностью коронарного кровообращения, проявляются систолодиастолическим укорочением миокарда и диастолосистолическим удлинением. По-видимому, стандартность реакции миокарда объясняется общностью патофизиологических механизмов развития дисфункции миокарда при укорочении и удлинении. В силу этих обстоятельств возникновение дисфункции миокарда, отражающееся на расходе КЭ и ускорении скорости кровотока при коронарной недостаточности, проявляется отсутствием этих связей и может послужить одним из критериев в диагностике.

По нашему мнению, сниженная сила сокращения в начальном периоде, когда прослеживается максимальная скорость изгнания, сопровождается в последующем дополнительным, так называемым реверсивным кровотоком. При этом общий расход энергии у пациентов с ИБС снижен как в систолу, так и в диастолу. В отдаленном периоде после восстановления коронарного кровообращения корреляционные связи вышеуказанных показателей были достаточно значимыми и составляли 0,91—0,98 (p<0,0001). На основе этого появляется возможность построения научно обоснованных алгоритмов диагностики и оценки функции миокарда с учетом механизмов регуляции производительности сердца.

Источники ошибок при определении работы ЛЖ (затраты энергии) зависят от общего периферического сопротивления, которое неизвестно, а также от частоты сердечных сокращений и наличия аритмии. Как показали наши исследования, диссинхрония усложняет определение конечной систолы, поскольку постсистолическое сокращение продлевает период изоволюмической релаксации, что влияет на масштабирование изменяющейся во времени скорости кровотока и градиента давления. Для решения этого вопроса потребуется инвазивное давление в ЛЖ. Такой анализ выполняется в разработанном модуле программы с использованием нейронных сетей.

В настоящее время обсуждают вопросы о ценности определения силы и КЭ у пациентов с различной патологией [10, 18, 19]. Мы предполагаем, что анализ расхода КЭ и развиваемой силы до и после кардиохирургических операций или медикаментозной терапии у пациентов с ИБС мог бы оптимизировать количественную оценку функции миокарда и найти ранние признаки неблагоприятного состояния сердца с количественным анализом взаимосвязи между структурой и функцией миокарда.

Таким образом, качественная и количественная однотипность изменений характера сокращений миокарда в ответ на восстановление коронарного кровотока в бассейнах стенозированных артерий позволяет проводить диагностику и оценку функции миокарда по кинетической энергии и скорости ускорения кровотока.

Заключение

Современный методологический подход к оценке функции миокарда базируется не только на анатомических размерах полостей сердца, но и на изменениях расхода энергии и развития силы в период изгнания и наполнения ЛЖ. Это не только характеризует миокард, но и дает возможность приблизиться к оценке глобальной функции сердца через построение взаимосвязей исследуемых параметров, каковыми являются скорости смещения эндокарда, скорости изменения объема и ускорения кровотока.

Нормализация расхода энергии и увеличение силы практически в 2 раза отражаются на насосной функции миокарда. Расход энергии и ускорение кровотока после коронарного шунтирования или стентирования представляют объективный подход в оценке работы сердца и являются чувствительными маркерами механических свойств миокарда по восстановлению гемодинамики.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.