Точные неинвазивные измерения основных величин гемодинамики и качественная оценка функций сердца и сосудов в фазах сердечного цикла

Воронова О., Зернов В., Колмаков С., Мамбергер К., Македонский Д., Руденко М., Руденко С., Вебер К.
Фирма «Кардиокод – Финленд», г. Куопио, Финляндия
www.cardiocode.de; www.cardiocode.ru

Введение. Кардиологов давно интересовала возможность измерения параметров гемодинамики. Особенно важно знать объемы крови, перекачиваемые сердцем в различные фазы сердечного цикла. Если знать какие объемы крови перекачивают отделы сердца в различные фазы, то можно с высокой точностью диагностировать самые тончайшие изменения происходящие в сердечно – сосудистой системе не только при патологии, но и в норме. Ранее объемы крови можно было измерить только путем катетеризации крупных артерий. Позже появилась возможность измерять ударный объем крови с помощью ультразвуковых сканеров. Однако возможность измерять объемы крови входящие и выходящие в отделы сердца и транспортируемые сосудами в каждой из фаз сердечного цикла оставалась только мечтой. Этому мешало несовершенство теории гемодинамики.

В этой статье мы расскажем об интереснейших результатах, полученных принципиально новым прибором, сконструированным международной группой ученых, которые позволяют по новому взглянуть на теорию гемодинамики и практику диагностики сердца и сосудов.

С начала 80-х годов авторы данной статьи интенсивно занимались фазовым анализом сердечного цикла [1]. Были известны результаты других исследований [2], которые близко подошли к построению адекватной модели гемодинамики. Однако предлагаемые теории на практике не подтверждались. Было ясно, что необходимо точно установить биофизические процессы формирующие кровоток и на практике добиться измерения их основных параметров. Ответы на поставленные вопросы нам удалось найти при исследовании сердца с помощью фазового анализа сердечного цикла, синхронно зарегистрированных электрокардиограммы и реограммы с восходящей аорты.

[3].

Цель исследования. Разработка нового неинвазивного метода определения основных объемных величин гемодинамики на основе фазового анализа сердечного цикла.

Метод. Исследование гемодинамических процессов в системе кровообращения было осуществлено на принципиально новой научной основе, на концепции о движении крови по сосудам в «третьем» режиме. Первые теоретические и экспериментальные исследования в области гидродинамики, приведшие к разработке теории «третьего» режима течения жидкости, были осуществлены Г.М. Поединцевым более 30 лет назад [1]. Было установлено, что в тончайшем пограничном слое жидкости в момент возникновения движения из состояния покоя зарождается пакет концентрических волн трения, которые распространяются от стенки трубы к ее центру. Схематично это показано на рис. 1.

Рис. 1. Формирование бегущих волн трения при возникновении движения жидкости в трубе

Достигая оси потока, волны исчезают. В длинной трубе при докритических числах Рейнольдса этот процесс продолжается лишь доли секунды, до того момента, пока не исчезнут все волны трения, кроме расплывшейся пристеночной волны. В итоге, нестационарное течение жидкости переформируется в стационарное течение Гагена-Пуазейля (ламинарное).

Таким образом, при возникновении движения жидкости в трубе в течение очень короткого времени имеет место изменяющийся волнообразный профиль скорости, а в соответствии с законом Бернулли, и волнообразный профиль статического давления. Если в такой поток попадут взвешенные частицы, то поперечные градиенты статического давления вытолкнут их в слои с самым низким давлением, а согласно закону Бернулли, это будут слои с самой высокой скоростью движения. То есть произойдет структурирование потока движущейся жидкости. Есть и еще одна уникальная особенность – в этот период движение жидкости осуществляется с несравнимо меньшими потерями напора на трение, чем при установившемся ламинарном течении.

Был найден способ удержания в трубе режима движения жидкости со стоячим волновым профилем скорости и статического давления в течение неограниченного времени [1].

Это возможно осуществить лишь при пульсирующем режиме. Наиболее эффективным будет движение жидкости в пульсирующем режиме по эластичной трубе, причем скорость движения жидкости и радиус трубы должны изменяться в каждом импульсе по строго определенному закону. А именно:

где to > 0, t > to ;

rt- текущий радиус расширения трубки;

rо- начальный радиус ( при t = tо );

t - текущее время;

tо - время разгона потока до максимальной скорости в импульсе;

Wt – текущее значение скорости движения жидкости;

Wо – максимальное значение скорости в импульсе (при t = tо).

Этот режим был назван «третьим» в отличие от двух известных режимов, турбулентного и ламинарного (пуазейлевского).

Именно в «третьем» режиме, а не в ламинарном (пуазейлевском), движется кровь по кровеносным сосудам [1,3]. Он отличается существенно меньшими потерями напора на трение, а также волнообразным профилем скорости и статического давления, под воздействием которого поток крови в кровеносных сосудах расслаивается на чередующиеся концентрические скоростные слои, заполненные форменными элементами, и заторможенные слои, заполненные плазмой (рис. 2).

На основе теории «третьего» режима был разработан математический метод определения величин основных гемодинамических параметров. Они формируются фазовой работой сердца, точнее говоря, фазовой структурой сердечного цикла.

Для расшифровки фазовой структуры сердечного цикла были использованы синхронные записи электрокардиограммы и реограммы с восходящей аорты. Они представлены на рис. 3.

Принципиально важным является место регистрации этих сигналов. Способ расположения электродов в нашем методе можно сравнить с известным методом EASI. Нами используются только 2 электрода E и S. Существенным отличием является то, что с электродов ЭКГ снимается синхронно и сигнал РЕО. Мы назвали этот метод точечной реографией. Реальные записи, полученные этим методом, представлены на рис. 4.

Рис. 2. Эпюры скоростей движения жидкости в одном и том же проходном сечении трубки в разное время (t1