CC BY
56
Клінічні дослідження
УДК: 612.213
ПОКАЗАТЕЛИ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНОГО РИТМА У ЗДОРОВЫХ ДОБРОВОЛЬЦЕВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЧАСТОТЫ ДЫХАНИЯ И СООТНОШЕНИЯ ВДОХА-ВЫДОХА
А.Л. Кулик1, А.К ЗадерихшГ, В.И. Шульгин", А.В. Мартиненко1 'Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Украина
^Национальный Аэрокосмический Университет имени Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Украина
На 4 здоровых добровольцах в возрасте от 22 до 29 лет (2 мужчины и 2 женщины) с индексом массы тела от 21 до 23 изучены индивидуальные особенности и общие закономерности реакций спектральных показателей ВСР на низких и высоких частотах дыхания с разными соотношениями вдоха-выдоха. Показано , что максимум Ц7 спектра ВСР достигается при частоте 6 дыханий в минуту. А максимум НБ спектра ВСР регистрируется при дыхании с частотой 10-12 в минуту. Продемонстрировано, что кроме частоты метрономизированного дыхания на мощность и структуру спектра ВСР существенно влияет соотношение длительности вдоха-выдоха. Установленные максимумы значений ТР спектра ВСР и ЬБ спектра ВСР лежат в диапазоне 1/1.2-1/1.3. а максимум НР спектра ВСР - в диапазоне 1/1,3-1/1,4. Использование наиболее оптимальных соотношений вдоха-выдоха позволит более тонко влиять на регуляторные процессы.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: вариабельность сердечного ритма, биофидбек, частота дыхания.
ПОКАЗНИКИ ВАРІАБЕЛЬНОСТІ СЕРЦЕВОГО РИТМУ У ЗДОРОВИХ ДОБРОВОЛЬЦІВ В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД ЧАСТОТИ ДИХАННЯ ТА СПІВВІДНОШЕННЯ ВДИХУ-ВИДИХУ
О.Л. Кулик1, О.К Задеріхін", В.І. Шульгіїґ, О.В.Мартиненко1
'Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Україна
^Національний Аерокосмічний Університет імені М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Україна
На 4 здорових добровольцях у віці від 22 до 29 років (2 чоловіки і 2 жінки) з індексом маси тіла від 21 до 23 вивчені індивідуальні особливості та загальні закономірності реакцій спектральних показників ВСР на низьких і високих частотах дихання з різними співвідношеннями вдиху-видиху. Показано, що максимум ЬБ спектру ВСР досягається при частоті 6 дихання в хвилину. А максимум НБ спектра ВСР реєструється при диханні з частотою 10-12 в хвилину. Продемонстровано, що крім частоти мет-рономізованого дихання на потужність і структуру спектра ВСР суттєво впливає співвідношення тривалості вдиху-видиху. Встановлені максимуми значень ТР спектру ВСР і ЬБ спектру ВСР лежать у діапазоні 1/1, 2-1/1,3, а максимум НР спектра ВСР - у діапазоні І/1,3-1/1,4. Використання найбільш оптимальних співвідношень вдиху-видиху дозволить більш тонко впливати на регуляторні процеси.
КЛЮЧОВІ СЛОВА: варіабельність серцевого ритму, біофідбек, частота дихання.
INDICATORS OF HEART RATE VARIABILITY IN HEALTHY VOLUNTEERS DEPENDING ON THE RESPIRATION RATE AND INHALATION-EXHALATION RATIO
A.L. Kulik1, A.K. Zaderihiif, VI. Shulgiif, A. V Martynenko1
1 V.N. Karazin Kharkov National University, Ukraine
2National Aerospace University, named by N. E. Zhukovskii «Kharkov Aviation Institute», Ukraine
At the 4 healthy volunteers aged 22 to 29 years (2 men and 2 women) with a body mass index from 21 to 23 individual characteristics and general laws of the reactions of the spectral indices of HRV in the low and high frequencies of breathing with different ratios of breaths were examined. It is shown that the spectrum of HRV LF maximum is reached at a frequency of 6 breaths per minute. A maximum of HF range of HRV recorded during breathing with a frequency of 10-12 per minute. Demonstrated that in addition to the frequency of paced breathing the inhalation-exhalation ratio significantly affects the power and structure of the spectrum of HRV. Maximum values of the TR spectrum of HRV and LF HRV spectrum lie in the range of 1/1, 2-1/1,3, and the maximum HP of the spectrum of HRV - in the range of 1/1,3-1/1,4. Using the best balance of inhalation-exhalation allow more subtly to influence the regulatory process.
KEY WORDS: heart rate variability, biofeedback, breathing frequency
Притом, что проблеме изменения спектральной мощности ВСР под влиянием мет-ромизированного дыхания посвящен ряд работ [1-4], в них внимание концентрируется на медленных частотах дыхания (приводящих к росту низкочастотной компоненты ВСР), практически оставляя без внимания более высокие частоты дыхания и различные соотношения вдоха-выдоха.
Исследование выполнено в рамках НИР ХНУ «Разработка и исследование системы автоматического управления вариабельностью сердечного ритма» № госрегистрации 0109U000622.
Цель исследования. Установить индивидуальные особенности и общие закономерности реакций спектральных показателей ВСР на низких и высоких частотах дыхания с разными соотношениями вдоха-выдоха у здоровых добровольцев как основу построения эффективных техник биообратной связи в задачах повышения качества регуляторных систем человека.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Обследовано 4 здоровых добровольца в возрасте от 22 до 29 лет (2 мужчины и 2 женщины), с индексом массы тела от 21 до 23. Частота сердечных сокращений варьировала от 81 до 85 в минуту, артериальное давление находилось в диапазоне - 100/60 и 120/80 мм рт.ст.
У всех испытуемых с помощью компьютерного диагностического комплекса «Cardio Lab 2009» («ХАИ-Медика») с частотой дискретизации сигнала 1000 Гц проводилось по
2 серии мониторных записей ЭКГ на трехминутных интервалах. Записи производились в положении сидя, ритм и соотношение фаз вдоха-выдоха дыхания задавились метрономом, встроенным в программу «Cardio Lab 2009».
Полученные интервалограммы при помощи быстрого преобразования Фурье раскладывали на три типа волн: медленные (VLF) - частотой от 0,0033 до 0,05 Гц, средние (LF) - от 0,05 до 0,15 Гц и быстрые (HF) - от 0,15 Гц до 0,40 Гц. Считается, что мед-
ленные волны преимущественно связаны с терморегуляцией, гуморальной (калликреин-кинировая, ренинангиотензивая, гормональные, иные) регуляцией и симпатическим звеном вегетативной нервной системы; средние и быстрые - преимущественно с вегетативной нервной системой: средние больше с симпатическим и быстрые - парасимпатическим звеном.
На каждом трехминутном интервале изучались средняя частота сердечных сокращений (ЧСС) и следующие показатели ВСР: общяя мощность (ТР, мс2) спектра ВСР, мощности спектров доменов низких (VLF, мс2), средних (LF, мс2) и высоких (HF, мс2) частот.
Первая серия из 6 записей проводилась при частоте дыханий - 6 в минуту (максимум ТР спектра ВСР) с соотношением вдоха-выдоха 1/1; 1/1,1; 1/1,2; 1/1,3; 1/1,4 и 1/1,5. Вторая серия записей проводилась на частоте дыханий 9 для мужчин и 11 для женщин (частоты максимума HF спектра ВСР) при таких же соотношениях вдоха-выдоха.
В программе Microsoft Excel 2003 по каждому добровольцу проводилось построение графиков изменения ЧСС и показателей ВСР в зависимости от частоты дыхания и соотношение фаз вдоха-выдоха. Графики анализировались с учетом индивидуальных и общих закономерностей в изменениях исследуемых показателей, в том числе по половым признакам.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 и 2 представлены графики зависимости ЧСС добровольцев от соотношения фаз вдоха-выдоха при низкой и высокой частоте дыхания соответственно. На низкой частоте дыхания за исключением одного испытуемого прослеживается тенденция уре-жения ЧСС при относительном удлинении выдоха. На высокой частоте дыхания у всех испытуемых прослеживается тенденция сближения значений ЧСС при относительном удлинении выдоха. Эти изменения ЧСС, однако, оказываются значимыми.
-Испытуемый 1 -Испытуемая 2 -Испытуемый 3 -Испытуемая 4
Рис. 1. Реакция ЧСС на изменение соотношение фаз вдоха-выдоха при низкой частоте дыхания.
Испытуемый 1 Испытуемая 2 Испытуемый 3 Испытуемая 4
Рис. 2. Реакция ЧСС на изменение соотношение фаз вдоха-выдоха при высокой частоте дыхания.
На рис. 3 и 4 представлены графики реакции ТР спектра ВСР на изменение соотношения вдоха-выдоха при низкой и высокой частоте дыхания, соответственно. Изменения ТР спектра ВСР более вариабельны, чем ЧСС, характеризуются колебательным ха-
рактером изменений. На низкой частоте дыхания ТР спектра ВСР значительно выше, чем на высокой. При низкой частоте дыхания максимум мощности ТР проявляется при соотношении вдоха-выдоха 1/1,2 и 1/1,3, и на высоких частотах дыхания - 1/1,3-1/1,4.
Испытуемый 1 Испытуемая 2 Испытуемый 3 Испытуемая 4
Рис. 3. Реакция ТР спектра ВСР на изменение соотношение фаз вдоха-выдоха при низкой частоте дыхания.
14000 12000 10000 8000 & 6000 4000 2000 0
1/1 1/1,1 1/1,2 1/1,3 1/1,4 1/1,5
- Испытуемый 1
- Испытуемая 2
- Испытуемый 3
- Испытуемая 4
Рис. 4. Реакция ТР спектра ВСР на изменение соотношение фаз вдоха-выдоха при высокой частоте дыхания.
На рис. 5 и 6 представлены графики реакции VLF спектра ВСР на изменение соотношения вдоха-выдоха при низкой и высокой частоте дыхания соответственно. Изменения VLF спектра ВСР при относительном удлинении фазы выдоха достаточно вариабельны и носят колебательный характер. При низкой
частоте дыхания максимум мощности VLF спектра ВСР проявляется в диапазоне соотношения вдоха-выдоха 1/1,2-1/1,4, на высоких частотах дыхания максимум мощности VLF преимущественно находится в пределах соотношения вдоха-выдоха 1/1,3-1/1,4.
ъ
5’
- Испытуемый 1
- Испытуемая 2
- Испытуемый 3
- Испытуемая 4
Рис. 5. Реакция УЬБ спектра ВСР на изменение соотношение фаз вдоха-выдоха при низкой частоте дыхания.
- Испытуемый 1
- Испытуемая 2
- Испытуемый 3
- Испытуемая 4
Рис. 6. Реакция УЬБ спектра ВСР на изменение соотношение фаз вдоха-выдоха при высокой частоте дыхания.
На рис. 7 и 8 представлены графики реакции и спектра ВСР на изменение соотношения вдоха-выдоха при низкой и высокой частоте дыхания соответственно. На низкой частоте дыхания Ы7 спектра ВСР значительно выше, чем на высокой. При низкой часто-
те дыхания максимум мощности Ы7 спектра ВСР также проявляется при соотношении вдоха-выдоха 1/1,2 и 1/1,3, а на высоких частотах дыхания происходит падение мощности ЬБ спектра ВСР, с некоторым подъемом при соотношении вдоха-выдоха 1/1,1-1/1,2.
1/1 1/1,1 1/1,2 1/1,3 1/1,4 1/1,5
-Испытуемый 1 -Испытуемая 2 - Испытуемый 3 -Испытуемая 4
Рис. 7. Реакция ЬБ спектра ВСР на изменение соотношение фаз вдоха-выдоха при низкой частоте дыхания.
- Испытуемый 1
- Испытуемая 2
- Испытуемый 3
- Испытуемая 4
Рис. 8. Реакция ЬБ спектра ВСР на изменение соотношение фаз вдоха-выдоха при высокой частоте дыхания.
На рис. 9 и 10 представлены графики реакции НБ спектра ВСР на изменение соотношения вдоха-выдоха при низкой и высокой частоте дыхания соответственно. На низкой частоте дыхания мощность НБ спектра ВСР значительно ниже, чем на высокой.
При низкой частоте дыхания максимум мощности НБ спектра ВСР отмечается в диапазоне соотношения вдоха-выдоха 1/1,21/1,4, а на высоких частотах дыхания - при соотношении вдоха-выдоха 1/1,3-1/1,4.
ъ
к
-Испытуемый 1
- Испытуемая 2
- Испытуемый 3
- Испытуемая 4
Рис. 9. Реакция НБ спектра ВСР на изменение соотношение фаз вдоха-выдоха при низкой частоте дыхания.
4500
0 -I-------------------:------------------:-----------------:-----------------:------------------:------------
1/1 1/1,1 1/1,2 1/1,3 1/1,4 1/1,5
-Испытуемый 1
- Испытуемая 2
- Испытуемый 3
- Испытуемая 4
Рис. 10. Реакция НБ спектра ВСР на изменение соотношение фаз вдоха-выдоха при высокой частоте дыхания.
Полученные нами результаты показывают, что частота дыхания практически не влияет на ЧСС у здоровых добровольцев.
Данные о большей ТР спектра ВСР на низкой частоте дыхания и меньшей - на высокой совпадают с результатами [5-8]. Высокая ТР спектра ВСР, наблюдаемая на низкой частоте дыхания, обеспечивается за счет увеличения и спектра ВСР. Низкая ТР спектра ВСР на высоких частотах дыхания находит объяснение в том, что повышение НБ спектра ВСР не сопровождается ростом ТР спектра ВСР.
Установленная нами связь ТР спектра ВСР с частотами дыхания позволяет использовать биообратную связь на основе метро-номизированного дыхания для ее оптимизации в клинической практике [2].
Полученные нами данные показывают также, что важным для достижения целевых показателей спектра ВСР кроме частоты является соотношение вдоха-выдоха. Установленные максимумы значений ТР спектра ВСР и и спектра ВСР лежат в диапазоне 1/1,2-1/1,3, а максимум НР спектра ВСР - в диапазоне 1/1,3-1/1,4.
Кроме того, наши данные показывают, что максимумы ТР спектра ВСР и ее составляющих (ЬБ и НБ), можно влиять с помощью изменения частоты дыхания, лежат в области физиологического соотношения вдоха-выдоха 1/1,3 [9]. При этом на редких
ЛИТЕРАТУРА
частотах дыхания оптимум соотношения вдоха выдоха надо искать в окрестности 1/1,2-1/1,3, и на высоких - 1/1,3-1/1,4. Эти данные полезны в создании индивидуализированных программ биофидбека.
ВЫВОДЫ
1. Метрономизированное дыхание с определенной частотой позволяет выборочно влиять на мощность отдельных компнен-тов спектра ВСР.
2. При индивидуальных различиях, максимум подъема мощности ЕБ спектра ВСР происходит при частоте дыханий 6 в минуту, а максимум подъема мощности НБ спектра ВСР - при частоте дыханий 1012 в минуту.
3. Помимо частоты дыхания, на мощность ЕБ и НБ спектра ВСР оказывает влияние соотношение длительности вдоха-выдоха.
4. Максимумы значений ТР спектра ВСР и ЕБ спектра ВСР лежат в диапазоне 1/1,21/1,3, а максимум НР спектра ВСР - в диапазоне 1/1,3-1/1,4.
5. Использование метода биологической обратной связи с разными частотами метрономизированного дыхания и соотношения вдоха-выдоха может быть мощным инструментом вмешательства в регуляцию и повышения качества жизни.
1. Jovanov E. Real-time monitoring of spontaneous resonance in heart rate variability. / E. Jovanov // Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. - 2008. - P. 2789-2792.
2. Lehrer P. M. Resonant frequency biofeedback training to increase cardiac variability: rationale and manual for training. / P. M. Lehrer, E. Vaschillo, B. Vaschillo // Appl Psychophysiol Biofeedback. - 2000. -№25.-P. 177-191.
3. Shields R.W. Jr. Heart rate variability with deep breathing as a clinical test of cardiovagal function. / R.W. Jr. Shields // Cleve Clin J Med. - 2009,- № 76. - Suppl 2. - P. 37-40.
4. Van de Louw A. Breathing cardiovascular variability and baroreflex in mechanically ventilated patients. / A. Van de Louw, C. Medigue, Y. Papelier [et al.] // Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. - 2008. -№295(6).-P. 1934-1940.
5. Buchner T. On the nature of heart rate variability in a breathing normal subject: a stochastic oroccss analysis. / T. Buchner, M. Petelczyc, J. J. Zebrowski [et al.] // Chaos. - 2009. - № 19(2). - P. 428-504.
6. Fang Y. Effect of different breathing patterns on nonlinearity of heart rate variability. / Y. Fang, J. T. Sun, C. Li [et al.] //Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. - 2008. - P. 3220-3223.
7. Kobayashi H. Does paced breathing improve the reproducibility of heart rate variability measurements? / H. Kobayashi // J Physiol Anthropol. - 2009. - № 28(5). - P. 225-230.
8. Koskinen T. Short-term heart rate variability in healthy young adults: the Cardiovascular Risk in Young Finns Study. / T. Koskinen, M. Kahonen, A. Jula [et al.] // Auton Neurosci. - 2009. - № 28, 145(1-2). -P. 81-88.
9. Lung function assessment and application in medicine / John E. Cotes. - [5 ed.] - Wiley-Blackwell, 1993. - 768 p.
© Кулик О.Л., Задеріхін O.K., Шульгін В.1., Мартыненко О.В., 2009
