Исследование доклинических форм нарушения сердечно-сосудистой системы является одним из важнейших приемов диагностики сердечной деятельности у лиц особых профессий. Анализ полученной информации позволяет провести системный мониторинг каждого человека (школьника, спортсмена, летчика и т.д.), который выполняет задания в условиях эмоциональной и физической нагрузки. Своевременное выявление доклинических изменений сердечной деятельности и коррекция функционального состояния на основе полученных данных снижают риск возникновения критических состояний и катастроф, обеспечивают превентивное лечение [1, 2].

Электрокардиография является одним из ведущих и наиболее распространенных методов инструментального исследования биоритмов сердца при первичной медико-санитарной помощи. Грубая шкала электрокардиографических исследований, применяемых в настоящее время (при чувствительности 10 мм/1 мВ), не позволяет обнаруживать ранние изменения и незначительные отклонения в функционировании сердца. Развитие информационных и цифровых технологий, робототехники в целях доклинической оценки и ранжирования состояния миокарда у различных категорий населения в превентивных целях позволило создать высокочувствительные методы регистрации и обработки биосигналов [3—6]. Одним из таких методов является преобразование и отображение одноканальной электрокардиограммы (ЭКГ) на фазовой плоскости с получением фазового усредненного кардиоцикла (ФУК) [7].

Цель исследования — осуществить метрологическую оценку усредненного кардиоцикла (УК), полученного на основе преобразования одноканальной ЭКГ в фазовом пространстве.

Материал и методы

Дизайн исследования

Проведено многоцелевое стратифицированное когортное исследование, которое при построении математической модели позволило выявить значимые параметры УК. Кроме того, при моделировании условий на различных гендерных и возрастных группах был осуществлен сравнительный и контролируемый анализ. Схема исследования представлена на рис. 1.

Критерии соответствия

Объектом исследования являлись 1826 участников — генеральная совокупность, представленная здоровыми и пациентами с верифицированной кардиологической патологией по критериям МКБ-10 по трехзначным и четырехзначным рубрикам, которым была осуществлена регистрация ФУК. Объектом изучения в различных выборках являлись физиологические показатели в виде амплитудных и временных параметров УК, выявленных в результате преобразования одноканальной ЭКГ в фазовом пространстве с формированием сопоставимых зубцов биосигнала миокарда.

Отбор здоровых исследуемых для измерения биосигнала при моделировании условий проводили на основании отсутствия соматических заболеваний, по результатам диспансерного наблюдения, отсутствия острых инфекционных заболеваний в течение 3 нед, предшествующих исследованию, а также при отсутствии жалоб на момент исследования и патологических изменений на ЭКГ покоя.

У всех обследуемых были нормальные массо-ростовые показатели, гармоничное или умеренно дисгармоничное физическое развитие (при использовании процентильных таблиц, что включает в себя возрастной и антропометрический межквартильный размах).

Условия проведения

Проведение обследований пациентов, спортсменов и школьников, а также контрольной группы выполнялись в светлый промежуток времени — с 11.00 до 13.00 часов при согласии пациентов, спортсменов и школьников, их родителей и законных представителей, а также по согласованию с администрацией учреждений. Базами исследований являлись: КРУ «Симферопольский гериатрический пансионат», КРУ «Клинический госпиталь инвалидов и ветеранов войны», КРУ «Крымский республиканский кардиологический диспансер» (Симферополь).

Организации, принявшие участие в исследовании для формирования базы данных УК, полученного в результате преобразования одноканальной ЭКГ в фазовом пространстве, соответствовали условно нормальному функционированию: Симферопольское моторвагонное депо, Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского, КРУ «Спортивно-физкультурный диспансер», Никитский ботанический сад — Национальный научный центр (Ялта), средние образовательные школы № 17 и № 1 (Симферополь).

Продолжительность исследования

Исследования осуществлены после сбора информированного согласия о проведении исследования и заключения этического комитета в период с 2014 по 2017 г. Исследования при моделировании условий по теме статьи проводили в марте—июне 2016 г. Анализ полученных данных и построение математической модели проводили в ноябре—декабре 2017 г.

Описание медицинского вмешательства

У пациентов собирали анамнез, проводили физикальное обследование, снимали одноканальную ЭКГ с использованием инновационной технологии компьютерной цифровой обработки кардиосигнала в фазовой плоскости с получением ФУК. Регистрация биосигнала осуществлялась в покое с использованием графитовых пальцевых электродов.

У исследуемых спортсменов дополнительно проводилось снятие ЭКГ при выполнении нагрузки и в восстановительном периоде. С помощью велоэргометра моделировали ступенчато-возрастающую нагрузку мощностью 100 и 200 Вт, а также на 3-й и 5-й минутах восстановительного периода. Также у групп исследуемых регистрировали ЭКГ после естественного аромавоздействия и физической нагрузки (ходьба в темпе 1 шаг в секунду) в условиях Ботанического сада Ялты (в период цветения роз) и на 5-й минуте восстановительного периода после ходьбы. В качестве контрольного воздействия применена аналогичная физическая нагрузка на контрольной группе в условиях города. Ходьба в условиях сада и города проводилась в одинаковых температурных и климатических условиях одновременно, в одном темпе в течение 40 мин.

Основной исход исследования

Анализировали параметры ФУК: продолжительность и амплитудные характеристики зубцов Р, Q, R, S, T (мс), их интервалы и сегменты, коррегированный интервал QT рассчитывали с применением Framingham formula и Bazett’s formula (QTc, с), а также определяли частоту сердечных сокращений (ЧСС, уд/мин), индекс напряжения по А.Р. Баевскому (с его автоматическим расчетом — ИН, ед.) и коэффициент ваго-симпатического баланса по соотношению спектральных низкочастотных и высокочастотных показателей (LF/HF, ед.). По показателям воспроизводимости, специфичности и чувствительности была дана метрологическая оценка ФУК, полученного преобразованием биосигнала на фазовой плоскости.

Анализ в подгруппах

При построении математической модели массив верифицированных данных представлен 58 016 значениями показателей кардиогемодинамики 1568 обследованных (20—85 лет) из расчета 37 показателей на одного человека. Все исследуемые были разделены на две группы: 1-я группа — 1087 условно здоровых и группа 2-я — 471 пациент с верифицированным диагнозом патологии кардиогемодинамического функционирования лиц). Для выявления возрастных особенностей некоторых параметров фазового усредненного цикла были обследованы 218 условно здоровых школьников 6—17 лет средних образовательных школ № 17 и № 1 Симферополя. Также проведено обследование 40 спортсменов 14—15 лет с различной направленностью тренировочной деятельности в покое, при выполнении нагрузочного тестирования и в восстановительном периоде. В 1-ю группу вошли 20 борцов, во 2-ю — 20 футболистов. Исследование проводилось на базе Крымского высшего училища олимпийского резерва «Краснолесье».

Для определения гендерных особенностей реакции на естественное аромавоздействие в исследовании принимали участие 30 условно здоровых 17—18 лет (15 юношей и 15 девушек). Исследуемые показатели регистрировали в покое сидя до естественного аромавоздействия и физической нагрузки в условиях Ботанического сада Ялты в период цветения роз и на 5-й минуте восстановительного периода после окончания процедуры. В качестве контрольного воздействия выступала однотипная физическая нагрузка соответствующей однородной группы такого же состава в условиях города. Ходьба в условиях парка и города проводилась в одинаковых температурных и климатических условиях одновременно, в одном темпе в течение 40 мин.

Методы регистрации исходов

Регистрацию и анализ усредненного биосигнала, полученного преобразованием одноканальной ЭКГ в фазовом пространстве, проводили с помощью программно-технического комплекса ФАЗАГРАФ, в котором реализована оригинальная информационная технология обработки электрокардиосигнала в фазовом пространстве с использованием идей когнитивной компьютерной графики и методов автоматического распознавания образов (рис. 2) [7]. Кроме того, была использована цифровая обработка полученных данных и метод визуализации на плоскости. Осуществлялась запись с целью учета фазовой графической иллюстрации (ФГИ) одноканальной ЭКГ.

Преимуществом примененного диагностического метода является его доступность, простота и быстрота регистрации показателей с помощью оригинального графитового сенсора с пальцевыми электродами. На одного пациента затрачивалось не более 2—3 мин для регистрации не менее 100 ФУК, а также не менее 500 кардиоциклов при анализе вариабельности сердечного ритма, что объясняется автономностью используемого аппарата от источника питания и возможностью снятия информации в любых условиях.

Этическая экспертиза

Протоколы исследований соответствовали стандартам надлежащей клинической практики (GCP), принципам Хельсинкской декларации и были одобрены Этическим комитетом Таврического национального университета им. В.И. Вернадского» (протокол № 1 от 15.01.14). До включения в исследование у всех участников и их представителей было получено письменное согласие.

Статистический анализ

Группы были представлены репрезентативными выборками с использованием критериев репрезентативности — ошибки репрезентативности, доверительных границ средних величин в генеральной совокупности, достоверности разности средних величин и достоверности различий сравниваемых групп. Ошибка средней не превышала 5%. Внутри каждой из выборок показатели имели нормальное распределение. Статистический анализ был осуществлен с применением описательной статистики и статистики вывода и проверки гипотез. Обработку полученных результатов исследований проводили с помощью программного пакета Statistica 6.0 («Stat Soft Inc.», США).

Оценки расхождения распределений признаков проводились с помощью критерия согласия Колмогорова-Смирнова. При условии нормального распределения применяли параметрический t-критерий Стьюдента. Достоверность различий между одноименными показателями в независимых выборках оценивали с помощью непараметрического U-критерия Манна-Уитни. Различия считали достоверными при р<0,05. Для проведения корреляционного анализа применяли критерий ранговой корреляции Спирмена.

Для многофакторного анализа и сравнения параметров ФУК и достоверности их различий в группах условно здоровых и имеющих нарушение сердечной деятельности применяли математическое моделирование с использованием алгебраической модели конструктивной логики (АМКЛ), которая является в своей основе моделью интуитивистского исчисления предикатов. Этот подход отображает индуктивную часть мышления и формулирование сравнительно небольшого набора кратких выводов из массивов информации большой размерности [8, 9]. Особенность модели состоит в ее приспособленности к многофакторному исследованию динамики сложных объектов, зависящих от так называемых скрытых переменных. Программный интеллект алгебраической модели позволяет в определенной степени выявить ранее не учтенные факторы. Алгоритм используется в любых областях науки и практики для доказательства (или опровержения) ряда априорных предположений, например, в области доказательной медицины [8, 9].

Информативность (чувствительность и информативность) показателя QTс ФУК определяли с использованием ROC-анализа.

Результаты

Основные

При математическом моделировании информативным показателем определен интервал QT ФУК одноканальной ЭКГ. Интервал QT ЭКГ отражает суммарную продолжительность деполяризации и реполяризации кардиомиоцитов желудочков. На рис. 3, а зоны, соответствующие дисфункциональному состоянию в модели, находятся в диапазоне 0,46—0,56 с. Очередной показатель, включенный в полученную математическую модель, — амплитуда зубца R ФУК. В норме на 12-канальной ЭКГ амплитуда R не превышает 2 мв и сильно варьирует в зависимости от отведения. Деполяризация желудочков, на ЭКГ отражаемая зубцом R, обычно начинается в середине левой части межжелудочковой перегородки и направляется вперед и слева направо. Оценивать амплитуду зубца R необходимо в нескольких отведениях. Математическая модель АМКЛ позволила уточнить репрезентативные значения зубца R ФУК при одноканальной ЭКГ с преобразованием в фазовой плоскости, характеризующие дисфункциональное состояние, в диапазоне R менее 0,36 мв и более 1,41 мв (см. рис. 3, б). Смещение сегмента ST рассматривают как результат расстройства возбуждения вследствие повреждения отдельных отделов миокарда. Диаграмма значений сегмента ST, полученная в результате АМКЛ-анализа, отражает значения, характерные для дисфункционального состояния (см. рис. 3, в). Интервал PQ также вошел в модель и имел высокую информативность. Как известно, интервал PQ — это расстояние (временной промежуток) от начала зубца P до начала зубца Q (или зубца R, если зубец Q отсутствует; тогда речь идет об интервале PR). Интервал PQ (PR) зависит от возраста; массы тела; частоты сердечного ритма. В норме интервал PQ составляет 0,12—0,18 (до 0,2) с. Для измерения интервала PQ выбирают то отведение, где хорошо выражены зубец P и комплекс QRS, например II стандартное отведение. Погрешности можно избежать, если проводить измерение на многоканальном электрокардиографе. Однако при применении АМКЛ-анализа в оценке ФУК при одноканальной ЭКГ с преобразованием в фазовой плоскости получены достоверные значения этого показателя, характеризующие дисфункциональное функционирование (см. рис. 3, г). Выявленный диапазон составил более 0,23 с.

Дополнительные

При определении возрастных особенностей у школьников 6—17 лет показатель ФУК QT достоверно различался во всех возрастных группах, кроме групп школьников 6 и 10 лет. Укорочение QT на фоне возрастного снижения ЧСС объяснялся оптимизацией скорости биосигнала и диастолической функции миокарда (рис. 4). Также был проведен анализ показателя QTс ФУК, который с высокой информативностью определял особенности развития сердечно-сосудистой системы, в том числе в условиях разнонаправленной тренировочной деятельности. Как известно, абсолютная продолжительность интервала QT у спортсменов вследствие брадикардии, формирования «рабочей» гипертрофии миокарда и в результате замедленной реполяризации выше, что обосновывает подсчет в таких группах лиц коррегированного интервала QTс. Информативность показателя QTс определяли с использованием ROC-анализа. Было выявлено, что при определении различий на уровне значения QTс=0,431 мс чувствительность составила 73% и специфичность 75% (рис. 5, а). Как видно, у футболистов при выполнении первой нагрузки мощностью 100 Вт при росте ЧСС на 40,5% (р<0,001) (табл. 1) QTс оставался стабильным, что отражало независимое от ЧСС удлинение электрической систолы у спортсменов-футболистов с большими аэробными возможностями (см. рис. 5, б).

Примечание. РВП — ранний восстановительный период; достоверность межгрупповых различий: * — p<0,05; ** — p<0,01; *** — p<0,001.

На пике нагрузки 200 Вт было отмечено укорочение этого показателя относительно состояния покоя в среднем на 7,1% (р<0,05). В восстановительном периоде не произошло возвращения этого показателя к исходному состоянию, что являлось свидетельством скрытой дизадаптации при перетренированности и маркером кардиальной дисфункции, требующей дополнительного углубленного обследования с целью дальнейшей коррекции. В группе борцов укорочение QTс было зафиксировано при первой нагрузке 100 Вт в среднем на 6,5% (р<0,01), а при второй нагрузке наблюдалось удлинение QTс до значений 0,464±0,019 с при восстановлении к исходным значениям к 5-й минуте.

Однако важно отметить, что у борцов стабилизация процессов реполяризации миокарда протекала на фоне напряжения регуляторных механизмов по показателю ИН, возросшему на порядок (р<0,001), что отражало преобладание центральных симпатических влияний. Отсутствие взаимосвязи между QTс и ИН свидетельствовало о включении различных контуров управления механизмами реполяризации в процессе адаптации к физической нагрузке.

При исследовании параметров ФУК после естественного аромавоздействия в группах юношей и девушек 17—18 лет изменения в последействии были выражены в разной степени (табл. 2).

Примечание. Достоверность межгрупповых различий до и после воздействия: * — p<0,05; ** — p<0,01; *** — p<0,001.

Из табл. 2 следует, что при первичном исследовании достоверных различий между группами девушек и юношей выявлено не было. При этом после естественного аромавоздействия у девушек было зафиксировано увеличение амплитуд ФУК: зубца Р на 62,5% (р<0,01), зубца R на 37,5% (р<0,05), зубца Т — на 32,8% (р<0,05). У юношей изменения характеризовались только достоверным ростом амплитуды зубца R на 37,5% (р<0,05). Достоверных изменений в контрольной группе зарегистрировано не было.

Нежелательные явления

В ходе проведения исследования нежелательные явления отсутствовали. Родители или законные представители несовершеннолетних и других категорий добровольно участвовали в исследовании.

Обсуждение

Резюме основного результата исследования

Измерения биосигнала миокарда с использованием УК, полученного в результате цифрового преобразования одноканальной ЭКГ в фазовом пространстве, подтвердило достоверность метрологической оценки ФУК в решении превентивных задач восстановительной медицины. Полученные результаты преобразования ФУК свидетельствовали о выявлении адаптационных, возрастных и гендерных особенностей.

Обсуждение основного результата исследования

Параметры ФУК, отражаемые на ЭКГ параллельно изолинии и характеризующие временные признаки с незначительными изменениями, соответствуют общепризнанным значениям нормы в ЭКГ-диагностике. Параметры ФУК, вертикальные к изолинии и отражающие амплитудные признаки, значительно отличаются от общепризнанных норм, проявляя новое интегральное качество ФУК. Выявленные количественные диапазоны значений могут использоваться для оценки сердечной деятельности. Динамика параметров ФУК характеризовала скрытую дизадаптацию при увеличении внешней нагрузки у спортсменов и являлась маркером кардиальной дисфункции, требующей дополнительного углубленного обследования и дальнейшей коррекции. Полученные данные подтверждены методами математического анализа и экспериментальными исследованиями.

Ограничения исследования

Результаты настоящего исследования при моделировании условий целесообразно уточнить на других возрастных группах.

Заключение

Оценка ФУК одноканальной ЭКГ при решении задач восстановительной и спортивной медицины является универсальным методом доклинической диагностики нарушения сердечной деятельности у лиц особых профессий и спортсменов. Метод прост, удобен в обращении, экономически доступен и обладает автономными качественными характеристиками. Описательные параметры ФУК, определяемые на ЭКГ, характеризуют временные признаки с незначительными изменениями, соответствующими общепризнанным значениям нормы, и при расшифровке позволяют получать фазовый портрет на плоскости. Параметры ФУК отражают амплитудные признаки, значительно отличающиеся от общепризнанных норм, проявляя новое интегральное качество. Выявленные показатели ФУК и их диапазоны, соответствующие дисфункциональному состоянию: QT — 0,46—0,56 с, R<0,36 мв и >1,41 мв, PQ>0,23 с, смещение ST>–0,92 мв и >0,008 мв. Результаты исследования соотношения площадей зубцов P/R и Q/R, вошедшие в математическую модель, открывают новые перспективы для дальнейших исследований [10].

Таким образом, параметры УК, полученные в результате преобразования одноканальной ЭКГ в фазовом пространстве, несут самостоятельную значимость. Установлено, что показатель ФУК QT достоверно различался во всех возрастных группах, кроме групп школьников 6 и 10 лет. Динамика QTс отражала аэробную производительность и резервы адаптации у спортсменов с различной направленностью тренировочной деятельности. После естественного аромавоздействия у девушек было зафиксировано увеличение амплитуд ФУК: зубца Р — на 62,5% (р<0,01), зубца R — на 37,5% (р<0,05), зубца Т — на 32,8% (р<0,05). У юношей изменения характеризовались только достоверным ростом амплитуды зубца R на 37,5% (р<0,05).

Параметры ФУК могут являться количественной мерой биопотенциала в решении задач ранней диагностики и восстановительной медицины.

Дополнительная информация

Источник финансирования. Работа выполнена в рамках утвержденных научных направлений — «Педагогические технологии и физиологические механизмы реабилитации лиц с различным уровнем адаптационных резервов» (2011—2015 гг.) и «Диагностические, реабилитационные и оздоровительные технологии в адаптивной физической культуре и санаторно-курортном комплексе» (2016—2020 гг.). Исследование и публикация работы осуществлены на личные средства авторского коллектива.

Участие авторов: концепция исследования и редактирование — А.Г. Ластовецкий; дизайн исследования, сбор и обработка материала, написание текста — Е.Н. Минина.

Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.