Пульсовая волна

 

Бережной В.Н.

ЗАО «НейроЛаб»,
info@neurolab.ru

 

Аннотация: Темой публикации является описание очередного этапа в изучении природы и структуры организма человека для целей диагностики по непосредственному анализу пульсовой волны. Методом математических расчетов и корреляции показано наличие сложного электромагнитного поля человека.

Историческая справка

Интерес к сердечной деятельности возник давно. В древние времена была замечена высокая информативность диагностических критериев, основанных на анализе сердечного ритма. Искусством пульсовой диагностики владели в Древнем Китае и в Древней Греции. В трактате «Нэй цзин» сказано: «пульс — это внутренняя сущность ста частей тела, самое тонкое выражение внутреннего духа». В древности владели искусством распознавания различных патологических состояний организма по непосредственному анализу пульсовой волны, производимым исследователем по ощущениям пальцев своей руки, размещенных на запястье обследуемого. В настоящее время для изучения организации сердечного ритма используют объективные методы исследования, в их числе исследования электрических проявлений сердечной деятельности, анализ пульсовой волны.

Более века большое значение для исследований сердечной деятельности имеет регистрация электрической активности сердца – электрокардиография, а запись этих сигналов – электрокардиограмма (ЭКГ). Открытие итальянским ученым Л.А. Гальвани (1737-1798) «животного» электричества вызвало прорыв в физиологических исследованиях и положило начало электрофизиологии. Первая ЭКГ человека была записана Веллером в 1887 г., а в 1908 г. аббревиатуру «ЭКГ» вводит Самойлов. В настоящее время электрокардиография является важным методом исследования, как в научных, так и в диагностических целях. Первые полвека своего развития электрокардиология в основном использовала качественные описательные характеристики.

Определенное  распространение получило параметрическое описание сигнала ЭКГ, в основу которого было положено свойство цикличности сердечной деятельности. Поскольку нормальная сердечная деятельность носит циклический характер, то ЭКГ представляет собой последовательность гомологичных участков, т.е. участков, соответствующих некоторому временному периоду кардиоцикла. Современный параметрический способ описания ЭКГ заключается в разбиении ЭКГ на гомологичные участки, последующем определении простых параметров этих участков (например,  амплитуда, длительность каждого из них) и сравнении измеренных значений со значениями, принятыми в качестве статистической нормы.

Примерно со второй половины ХХ века стали активно развиваться методы количественного анализа электрической активности сердца. Так была заложена основа кибернетической кардиологии.

Начало кибернетической кардиологии неразрывно связано с работами «отцов» кибернетики — Норберта Винера (Norbert Wiener) и Артуро Розенблюта (Arturo Rosenblueth). Именно они впервые разработали математические и идейные основы анализа временных рядов, в том числе и нестационарных, какими обычно являются сигналы, регистрируемые с биологических объектов во время исследований.

Существующие в настоящее время методы количественного анализа ЭКГ принципиально следует делить на две группы:

• методы первичного анализа производят анализ непосредственно ЭКГ;
• методы вторичного анализа  исследуют информацию о параметре, выделенном из ЭКГ. По существу, при вторичном анализе из сигнала ЭКГ выделяется некоторый параметр, характеризующий какой-либо процесс, и  проводится его исследование. Например: по ЭКГ определяют периоды кардиоинтервалов, а затем их анализируют.

Анализ вариабельности сердечного ритма

Широко известным и весьма популярным в настоящее время направлением вторичного анализа ЭКГ является анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР).

Популярность исследований ВСР в значительной мере обусловлена легкостью выделения из ЭКГ последовательности RR интервалов и построения ритмограммы или графика периодов сердечных сокращений, который отражает деятельность системы регулирования сердечного ритма. В управление ритмом в числе прочих участвует и нейрогуморальное воздействие. Для количественной оценки ВСР используют методы  статистического анализа. Постепенное накопление результатов экспериментальных и клинических исследований, а также развитие математических методов привело к стандартизации методов анализа ВСР.

Известные  математические оценки анализа ВСР делятся на два типа:

• к первому относят статистические показатели вариационного ряда ритмограммы: математическое ожидание, стандартное отклонение, мода, амплитуда моды, вариационный размах;
• ко второму – показатели ВСР-анализа: индекс вегетативного равновесия, вегетативный показатель ритма (ВПР), индекс напряжения (ИН), показатель адекватности процессов регуляции.

«Индекс напряжения регуляторных систем отражает степень централизации управления сердечным ритмом. Оба показателя ВПР и ИН были предложены в 1973 г. Сидоренко Г. И. с соавторами. Нами лишь в некоторой степени модифицирована формула для вычисления ИН.» [7].

Для анализа ВСР не обязательно использование кардиографического оборудования, можно с успехом применять и другие устройства регистрирующие пульс. Как правило, принцип действия этих устройств основан на акустических или оптических методах измерения. Научно технический прогресс в области оптикоэлектронных технологий дал возможность производить измерения пульса и насыщенности крови кислородом путём оценки прозрачности ткани человека.

Одним из наиболее доступных и распространенных является метод регистрации пульса в периферической сердечно сосудистой системе, в основе которого лежит измерение прозрачности подкожного пространства. При этом производится освещение определённой части тела, обычно пальца или мочки уха, источником света инфракрасного диапазона. Спектр поглощения света в крови лежит в диапазоне инфракрасного (ИК) излучения, т. е. для ИК излучения она мало прозрачная, с каждым ударом сердца меняется давление в сосудах, что в свою очередь изменяет прозрачность. Таким образом, чем больше кровенаполнение данного участка, тем меньше его прозрачность в ИК спектре.  Устройства, работающие с использованием этого метода, позволяют регистрировать изменение кровенаполнения сосудов в зависимости от времени. Регистрация пульса, основанная на определении оптических свойств ткани, получила название фотоплетизмограмма (ФПГ).

Для ВСР-анализа также может быть использован сигнал ФПГ, в котором содержится информация не только о ритме сердца, но и другая информация, присущая пульсовой волне. С целью получения этой информации разработан аппаратно – программный комплекс (АПК), состоящий из:

• фотоэлектрического сенсора, содержащего ИК излучатель и фотоприемник;
• устройства первичной обработки, где происходит селективное усиление и оцифровка сигнала;
• программного обеспечения (ПО), позволяющего не только производить стандартную математическую оценку ВСР, но и анализировать форму пульсовой волны.

ВСР и спектр ФПГ

Вариабельность сердечного ритма – метод, основанный на анализе параметров ритма сердца, отражающий общие адаптационные возможности организма человека в данный момент времени в конкретных условиях.

Данная методика позволяет быстро оценивать состояние регуляторных механизмов сердечнососудистой системы по параметрам сердечного ритма. Вычисляется уровень функциональных возможностей сердечнососудистой системы и степень возбуждения вегетативной нервной системы.

Характерной особенностью метода ВСР является его высокая чувствительность к самым разнообразным внутренним и внешним воздействиям. Метод основан на измерении временных интервалов между ударами сердца, построении рядов кардиоинтервалов и последующего анализа полученных числовых рядов различными математическими методами. Здесь простота съема информации сочетается с возможностью извлечения из получаемых данных обширной и разнообразной информации о регуляции физиологических функций и адаптационных реакциях целостного организма.

Первые устройство по регистрации ФПГ с их последующей обработкой были произведены ЗАО НейроЛаб в 2001-2002 годах. По результатам испытаний, произведенных в Главном военном клиническом госпитале имени Н. Н. Бурденко, на ТЭЦ 26 филиала ОАО Мосэнерго и во Всероссийском институте Медицины Катастроф «Защита», Министерство здравоохранения РФ выдало регистрационное удостоверение на право производства аппаратно-программных комплексов (АПК) КПФ-01-«НейроЛаб». Устройство первичной обработки сигнала ФПГ было расположено в отдельном блоке. Прогресс в развитии элементной базы электрических схем (и соответственно миниатюризация в радиоэлектронике привел к появлению SMD компонентов) позволил перейти от отдельного блока к небольшой плате, расположенной в компьютерной мыши. Так в 2004-2005 годах было разработано устройство КПФ-01b-«НейроЛаб».

Использование ФПГ метода для регистрации пульса, кроме стандартного анализа вариабельности сердечного ритма, дает возможность оценивать по форме пульсовой волны состояние сердечнососудистой системы и систем регулирования. Математическая обработка высококачественного ФПГ сигнала позволяет изучать другие циклические процессы в организме, и реакции на внешние факторы.

Помимо стандартизованных данных, программное обеспечение комплекса производит расчет и предоставление статистических и спектральных данных, полученных по оригинальным методикам компании «НейроЛаб». К их числу можно отнести вторичную обработку ФПГ сигнала методом преобразования Фурье с целью построения графика  «Спектра сигнала ФПГ».  

 

Рис 1. Типовой спектр сигнала ФПГ (ВКР_145).

 

 

Рис 2. Спектр сигнала ФПГ при наличии дополнительного воздействия (ВКР_2957).

 

В период 2005-2008 года были произведены несколько тысяч измерений ритма пульса с применением оборудования КПФ-01b и получены данные ФПГ анализа с предоставлением спектра сигнала ФПГ. Анализ полученных данных позволил определить, что данный спектр присущ любому живому человеку и в зависимости от состояния здоровья и наличия внешних и внутренних факторов может изменяться. На рис. 1 представлен типовой Спектр сигнала ФПГ здорового человека в нормальном состоянии. Спектр выглядит как гармоники с убывающей мощностью при возрастании частоты. Характерно наличие сдвига гармоник по частоте вправо при увеличении частоты пульса человека. Ориентировочно гармоники ранжируются в порядке возрастания частоты с кратностью величине первой гармонике (1.2 Гц). На рис. 2 для наглядности представлен спектр человека при наличии дополнительных внешних факторов (отрицательное воздействие около 8 Гц). Подробно данный пример рассмотрен в Описании компьютерного манипулятора [8] (раздел 3).

Необходимо помнить, что мы анализируем ритм пульсовой волны, то есть отраженный сигнал. Природа же самого сигнала пока остается неясной. Является ли сигнал собственным или внешним?

Биоэффективные частоты и ВСР

Похожие выводы в части возможности воздействия на человека, включая наличие отрицательного воздействия, сделаны в работе [2]: «Многочисленные опыты по воздействию электромагнитных полей (ЭМП) на людях и животных показали, что существуют выделенные частоты, вызывающие резкие изменения в функционировании организмов. Такие частоты назвали биоэффективными. Отклик на них может быть различным: как положительным (в смысле перехода организма в состояние более близкое к оптимальному), так и отрицательным». В нашем случае частота воздействия после 8 Гц в приведенном случае (рис. 2)  оказывается в диапазоне  частот резкого отклика человеческого организма [2]: 0.02, 0.05-0.06, 0.1-0.3, 0.5-0.6, 5-6, 8-12 Гц.

В статье автор показал подход в решении задачи вычисления биоэффективных частот и их связь с собственными частотами организма, учитывая также скорость прохождения сигнала в органе. Традиционная китайская медицина также учитывает последнее обстоятельство,  разделяя органы на плотные и полые.

Обращает на себя внимание  совпадение спектра частот ФПГ сигнала, полученного средствами КПФ-01b и ВСР анализа с частотами – вычисленными и измеренными в статье [2], при их ранжировании по возрастанию. В данном случае имеет место очевидная корреляция результатов измерений устройством КПФ-01b, полученных методом анализа отраженного сигнала с результатами измерения, представленными в работе [2]. И как следствие, по анализу спектра ФПГ сигнала напрашивается предположение: если у живого организма предусмотрено наличие «биоэффективных частот», следовательно, существует внешний источник, который находится во взаимодействии с живым организмом и его собственными частотами. Остается лишь понять механизм взаимодействия и природу самого источника.

На сайте «стандарты ВСР, перспективы и возможности» [4] отмечен физиологический феномен: реакция вегетативной нервной системы на спортивные тренировки и программы восстановительных упражнений после различных заболеваний представляется в виде феномена приспособления. Данные ВСР должны быть полезны для понимания хронологических аспектов тренировок и времени оптимальной готовности, поскольку оно связано с вегетативными влияниями на сердце. Помимо этого, ВСР может предоставлять важную информацию относительно детренированности после длительного постельного режима, пребывания в состоянии невесомости, сопровождающим космические полеты.

«Интересны также медикаментозные реакции. Многие медикаменты прямо или косвенно воздействуют на вегетативную нервную систему, и ВСР может быть использована для оценки влияния различных агентов на симпатическую или парасимпатическую активность». Вместе с тем отмечается, что «Следует приложить усилия к тому, чтобы выявить физиологические корреляты и биологический смысл различных критериев ВСР, оцениваемых в настоящее время.» «Такая неопределенность затрудняет интерпретацию связи между этими переменными и риском у кардиологических больных.»

Таким образом, на сайте «вариабельность сердечного ритма» HRV.RU в основном сообщают об отсутствии сколь либо значимых результатов в диагностике состояния здоровья на  основании анализа ВСР существующими методами. При столь длительном изучении метода с применением выработанных стандартов и отсутствии значимых результатах приходиться говорить о необходимости изменения методов и средств изучения ВСР, чем мы и заняты.

Оборудование нового поколения для снятия и анализа ФПГ

ФПГ, полученная с помощью современного оборудования, содержит информацию не только о ритме сердца. Как уже отмечалось, ФПГ является отображением прозрачности подкожного пространства в инфракрасном свете, а прозрачность определяется, прежде всего, количеством и составом крови. Кровенаполнение участка изменяется с каждым ударом сердца, но кроме этого зависит от того, какая часть потока в данный момент направляется к рассматриваемому участку.

В настоящее время имеется возможность очень качественно снимать сигнал ФПГ. Для этого необходимо оборудование способное получить сигнал без потери постоянной составляющей, малочувствительное к внешним помехам. В ЗАО «НейроЛаб» разработано и используется оборудование – БиоМышь, отвечающее этим требованиям. Качество оборудования можно охарактеризовать следующими параметрами:

 

Частотный спектр регистрируемого сигнала, Гц	0…25
Неравномерность частотной характеристики, дБ	2
Подавление помех внешнего освещения и сети, дБ	−60
Число градаций оцифрованного сигнала, бит	28
Частота оцифровки, кГц	1.1

 

Для получения таких характеристик, естественно не пригодны аналоговые методы обработки сигнала, специально разработан усилитель с цифровой обратной связью и цифровой фильтрацией, отвечающий этим требованиям. В полученной, с его помощью, ФПГ отчетливо видна форма пульсовой волны.

Программное обеспечение исследовательского назначения

Программный комплекс позволяет анализировать частоту и форму пульсовой волны с использованием свободного от модели метода для нелинейных систем, который предназначен для исследования структуры временных рядов и совмещает в себе достоинства многих других методов, в частности анализа Фурье и регрессионного анализа.

В качестве исходных данных принимается к рассмотрению сигнал ФПГ, снимаемый с большого пальца руки человека.

Исходим из предположения о том, что любые воздействия и излучения любого свойства, направленные на человека, обязательно получат свое отражение в жидкости, в данном случае в крови.

 

Рис 3. Пример работы программы. (fpg56)

 

Рис 4. (fpg80)

 

Предполагается, что в диапазоне частот от 10⁻³ до 20 Гц кровоток, может содержать несколько различных периодических составляющих, выраженных суммарно в виде сигнала ФПГ, и имеющих различные частоты, амплитуду и вид.

На рис. 3 и рис. 4 представлен пример работы новой программы, которая одновременно с измерением сигнала ФПГ, рассчитывает спектр частот ФПГ, тахограмму, скаттерограмму и распределение кардиоинтервалов (синий цвет), амплитуду сигнала (серый цвет). ФПГ сигнал (в двух графиках – красным). И уже здесь можно наблюдать некоторые новые результаты работы оборудования нового поколения. Можно рассмотреть редкий случай, в частности на рис. 4 в сигнале ФПГ просматривается нестандартная периодическая составляющая, которую мы пока объяснить не беремся. А вот воспользовавшись вычислениями [2] на рис. 3 в районе частоты 0.3 Гц, например, можно предположить усиление деятельности пучка Гиса (что связано с функцией сердца). Поскольку остальная часть спектра ФПГ рис. 3 коррелирует с типовым (рис. 1), мы не можем говорить об отклонении от нормы в деятельности сердца.

При выборе метода определения спектра сигнала необходимо отдавать предпочтения методам, минимизирующим эффекты, связанные с дискретностью оцифровки.

Численными методами из ФПГ сигнала выделяем периодическую составляющую. По этой составляющей, методом поиска фронта, определяем период сердечных сокращений, который необходим нам для анализа ВСР.

Результатом применения метода является разложение временного ряда на компоненты, которые могут быть интерпретированы как медленные тренды, циклические составляющие и шум. Цель, которую мы стремимся достигнуть при помощи этого метода  разделить исходный ряд на интерпретируемые компоненты.

Процесс сводится к обнаружению главных составляющих, определяющих в основном форму сигнала.

Используя прототип устройства и соответствующие методы анализа, были установлены  основные компоненты ФПГ, рассчитаны сингулярные ряды. При сравнении полученных компонент методом построения фигур Лиссажу (см. например рис. 5) установлено, что в ряде случаев компоненты имеют кратные частоты с постоянной разностью фаз, причем и кратность частот, и разность фаз сохраняется на протяжении всего сигнала ФПГ. Это говорит о том, что регистрируемый сигнал ФПГ содержит информацию о происходящем в организме человека циклическом процессе.

 

 

Рис 5. Пример фигур Лиссажу, полученных при анализе сигнала ФПГ.

 

Учитывая наличие фигур, можно допустить, что главные составляющие могут происходить от близких или однотипных по своей природе процессов в диапазоне частот 1-10 Гц (рис. 3 и 4). Предполагаем, что природа процессов, отраженных в ФПГ, может быть отнесена к электромагнитным полям, с одной стороны, каждого органа-осциллятора, с другой стороны – к внешнему электромагнитному полю. Таким образом, сигнал ФПГ фиксирует отраженные в крови колебания ЭМП с кратными частотами. Известно, что регистрация внутреннего ЭМП человека и в частности сердца была проведена на экспериментальной базе Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии, и признана как существующий факт [1].

Можно констатировать, что вокруг человека существует электромагнитное поле, обеспеченное наложением «внешнего» и «внутреннего» электромагнитных полей, и находящееся в постоянном взаимодействии с окружающей средой. ЭМП вокруг человека должно быть структурировано, так как основано на постоянно существующих ЭМП.

Природа внешнего электромагнитного поля может быть связана с природой резонансных частот ионосферного электромагнитного шума [2], или может являться иной и пока не может быть определена, но присутствует в сигнале ФПГ.

Итак, на данном этапе рассуждений получены два важных практических результата, требующих  разъяснения:

1. Существует «внутреннее» электромагнитное поле человека и «внешнее» электромагнитное поле, практически никак не подтвержденные существующими традиционными представлениями и науками.

2. Вокруг человека существует суммарное структурированное ЭМП, безусловно, находящееся в постоянном взаимодействии с физическим телом человека.

Мы продолжаем исследования ритма пульсовой волны и на одном из этапов сложных математических исследований в качестве результатов расчетов можно наблюдать сингулярные компоненты в графическом виде, которые выглядят красиво и весьма необычно. Возможно это всего лишь результат отражающий (символизирующий) наличие основных функций – задач органов и человека. Вот некоторые из них показаны на рис. 6.

 

Рис. 6. Пример 2D-графиков сингулярных компонент.

 

Сопоставление с литературными данными

В различных источниках информации, выдержки которых будут предложены для ознакомления, исследователи используют иные подходы изучения человека. Исследователи делают более категоричные выводы в части основополагающих принципов формирования и существования человека, его здоровья, с которыми мы согласны.

Так, например, в статье [3] на основе основополагающего принципа взаимодействия всех биологически активных существ, в частности, наших органов, сформулированного выдающимся ученым-физиологом XX века П. К. Анохиным, выводится принцип оптимального функционирования организма, как единого целого. Рассматривая наш организм, как [предположительно, электромагнитную] колебательную систему с внешней возбуждающей силой, дается связь между частотами колебаний сердца и других органов. Выполнение указанных частотных соотношений необходимо для слаженной работы целого организма, что уменьшает ненужные потери энергии. Опыт многих поколений подтверждается математическими формулами.

Далее автор [3] предполагает, что все органы, нормально функционирующие, работают в оптимальном энергетическом режиме. Этот режим определяется собственными частотами функционирования каждой части тела, которые по принципу оптимальности должны быть согласованы, т.е. кратны друг другу с некоторым рациональным коэффициентом (типа m/n, где m, n – натуральные). (Принцип кратности, отмеченный выше совпал с принципом образования «правильных» фигур Лиссажу.)

Принцип оптимальности, как надеется автор, поможет создать аппараты, с помощью которых врачам удастся «прослушивать» другие жизненно важные органы так же, как они сейчас в явном виде прослушивают сердце и легкие. Конечно, такие аппараты будут более сложными по своей структуре, чем манометр или фонендоскоп, которым прослушивают сердце и легкие».

«Эта частота своя для каждого конкретного организма. Ее надо находить экспериментально. Высказанная идея следует из принципа оптимальности и также согласуется с глобальной идеей П.К. Анохина о взаимосвязи организма с внешней средой. Спрашивается, какова частота функционирования здоровых органов? Эта частота будет найдена».

В книге [5] высказана другая гипотеза, получившая название «концепция биоэлектричества», кратко изложенная в статье одного из авторов. Анализируя эволюцию представлений об электрических процессах в живых организмах, основываясь на результатах исследований взаимодействия искусственных ЭМП с живыми организмами и роли естественных ЭМП в живой природе, автор утверждает следующее:

1.       В живых организмах существуют «функционально значимые, организованные постоянные электрические токи», которые обусловливают существование вблизи организма «сложного поля потенциалов или биоэлектрического поля».

2.       Постоянные и переменные электрические и магнитные поля малой интенсивности (не вызывающие нагрева или ионизации тканей) оказывают заметное биологическое воздействие на живые организмы.

Вывод кандидата химических наук Е. М. Егоровой [6]: «Живое существо можно рассматривать как систему, состоящую из двух частей (элементов) – вещественного тела и его электромагнитного двойника, проявляющего активность во всей известной области электромагнитного спектра. Электромагнитное тело обладает определённой организацией, отражающей индивидуальные особенности данного существа. Между этими двумя телами существует тесная взаимосвязь, так что изменения в одном теле неизбежно порождают изменения в другом. Вместе с тем, каждое из этих тел обладает своей особенной структурой и свойствами и обеспечивает взаимодействие с окружающей средой на своём уровне, то есть в определённом диапазоне состояний физической материи: вещественное тело – на уровне вещества, электромагнитное тело – на уровне электрического и магнитного полей и электромагнитных волн. Можно предположить, что электромагнитное тело есть не что иное, как высшая составляющая физического тела, которая соединяет его с более высокими сферами материи живого существа.» Электромагнитные колебания стимулируют, контролируют и регулируют все процессы жизнедеятельности в организме. Природный радиоактивный фон необходим для нормального существования живых организмов, причины такого влияния непонятны. Некоторые излучения заставляют человека спать, плакать, смеяться, волноваться и т. д. "магнитное поле является катализатором метаболических (обменных) процессов", без него "не происходят необходимые в организме реакции".

 

Ссылки

1.       Ю.А. Холодов, А.Н. Козлов, А.М. Горбач. Магнитные поля биологических объектов. Москва.: «Наука», 1987.

2.       О.В. Хабарова // Биоэффективные частоты и их связь с собственными частотами живых организмов // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2002, №5, с. 56-66.

3.       И. М. Прудников // Принцип оптимального функционирования организма. 2004.

4.       Стандарты. Вариабельность сердечного ритма. Перспективные возможности клинического использования. – http://www.hrv.ru/standart/persp3.html.

5.       Modern Bioelectricity. (Ed. A.A.Marino). Marieel Dekker, N.-Y., Basel, 1988.

6.       Магнитное поле и биологический организм. – http://metamir.wpdom.com/emf.php.

7.       Р. М. Баевский, О. И. Кириллов, С. З. Клецкин. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. Москва.: «Наука», 1984.

8.       Описание компьютерного манипулятора  - http://www.neurolab.ru/shared/documents/product_description_rus.doc

Благодарности

Выражаю большую признательность за участие в написании статьи и в производстве работ, направленных на создание условий в проводимых исследованиях: Ададурову А. Н., Ермолаеву Ю. С., к.т.н. Кириллову А. П., Тузову В. В.