научная статья по теме МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЖЕЛУДОЧКОВЫХ АРИТМИЙ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ МЕРЦАНИЕ ПРЕДСЕРДИЙ Биология

Текст научной статьи на тему «МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЖЕЛУДОЧКОВЫХ АРИТМИЙ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ МЕРЦАНИЕ ПРЕДСЕРДИЙ»

БИОФИЗИКА, 2012, том 57, вып. 3, с. 502-508

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

УДК 517.3

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИР ОВАНИЕ ЖЕЛУДОЧКОВЫХ АРИТМИЙ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ МЕРЦАНИЕ ПРЕДСЕРДИЙ

© 2012 г. Л.В. Мезенцева

НИИ нормальной физиологии им. П.К. А нохина РАМН, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, стр. 4

Поступила в р едакцию 16.08.11 г. После доработки 16.01.12 г.

П редставлены результаты математического моделирования мерцания предсердий и желудочковых аритмий, сопровождающих мерцание предсердий. Модель основана на предположении, что при мерцании предсердий электрическая импульсация, поступающая на вход атриовен-трикулярного узла, является суммой N независимых импульсных потоков с различными амплитудно-частотными и фазовыми характеристиками. Модель позволяет исследовать зависимость нелинейной динамики РР- и ЙЙ-интервалов от количественных характеристик составляющих импульсных потоков. Результаты компьютерного моделирования сопоставляются с результатами реальных физиологических экспериментов, выполненных на кроликах. Идентификация модели осуществляется с помощью метода наименьших квадратов.

Ключевые слова: фибpилляция пpедcеpдий, меpцательная аpитмия, математическая и компью-теpная модель.

Одним из частых нарушений сердечного ритма является мерцательная аритмия, возникающая вследствие трепетания или мерцания предсердий. Эти аритмии связаны с нарушением распространения возбуждения по предсердиям, в результате которого происходит функциональная фрагментация этих отделов [1]. Если при трепетании периодическое возбуждение предсердий сохраняется, то при мерцании предсердий активность этих отделов регистрируется только в виде высокочастотных нерегулярных колебаний. Оба эти состояния сопровождаются неполной атриовентрикулярной (АВ) блокадой, вследствие чего интервалы между QRS-ком-плексами различны и чередуются нерегуляр но. Желудочковые аритмии, сопровождающие тр е-петание или мерцание предсердий, носят название мерцательной аритмии.

В наших предыдущих исследованиях [2] было показано, что помимо экспериментальных эффективными методами изучения аритмий сердца являются методы математического моделирования. С помощью методов математического моделирования нами были выполнены исследования количественных характеристик степени нерегулярности желудочковых ЙЙ-ин-тервалов в условиях частой периодической им-пульсации, исходящей из пр едсердий. Дальнейшим развитием этих подходов является переход

Сокращения: АВ - атриовентрикулярный, ЭГ - электрограммы.

от пер иодической к стохастической импульса -ции, исходящей из предсердий, что имеет место при их мер цании. Цель настоящего исследования - разработка методов математического и компьютерного моделирования мерцательной аритмии, включая моделирование нерегулярно-стей волн предсердной активности при их мерцании и желудочковых аритмий, сопровождающих мерцание предсердий.

МЕТОДИКА

В основу модели положено предположение, что при мерцании предсердий электрическая импульсация Е(г), поступающая на вход АВ-уз-ла, является суммой N независимых импульсных потоков с прямоугольной формой импульса, постоянной частотой (/) и амплитудой (А) и различными величинами сдвигов фаз х1 между потоками:

) = - хг), I = 1,2,......N. (1)

Для изучения зависимости амплитудно-частотных характеристик суммарной электрической активности предсердий Е(г) от количественных хар актеристик составляющих импульсных потоков Е(г - хг) в ходе настоящего исследования нами была разр аботана пр ограмма МОБАБ, позволяющая формировать суммарный стохастический импульсный поток, поступающий на вход АВ-узла. С помощью этой

прогр аммы нами была пр оведена серия вычислительных экспериментов. Расчеты пр оводили при различных значениях частоты составных импульсных потоков (от 10 до 50 усл. ед.) и общего числа потоков (5-10). Амплитуды импульсов составных потоков полагались равными единице, длительности импульсов предполагались много меньшими, чем величины соответствующих межимульсных интервалов и поэтому в расчет не принимались. Фазовые сдвиги между потоками варьировали таким образом, чтобы были учтены все возможные комбинации фаз.

Для изучения желудочковых аритмий, со -провождающих мерцание предсердий, нами была разработана программа MODMER, позволяющая рассчитывать количественные характеристики вариабельности и нелинейной динамики RR-интер валов сердечного ритма в условиях стохастического входного сигнала, поступающего от предсердий к АВ-узлу.

П ри проведении вычислительного эксперимента частотные ха рактеристики входной стохастической импульсации выбирались таким образом, чтобы были включены разные режимы функционирования кардиодинамики: линейный, хаос первой степени и хаос второй степени [3]. Расчеты проводились в условных единицах. Значения констант, определяющих атриовен-трикулярное проведение, задавались такими же, как и в работе [3]: абсолютные рефрактерные периоды СА - и АВ-узлов соответственно Гса = 2, Гав = 5; минимальные значения задержки проведения импульса в СА- и АВ-узлах соответственно Z CA(min) = 5, Z AB(min) = 10; коэффициент, определяющий кривизну функций реституции СА- и АВ-узлов соответственно Кса = 676, Кав = 1500. Начальные условия для всех видов входных воздействий были одинаковыми: Z са(0) = Z cA(min), Z ав(0) = Z ав (min), RR(0) = T 1крит, где T 1крит - пр едельный период усвоения ритма АВ-узлом.

Для решения задачи идентификации модели и поиска оптимального варианта модели, при котором достигается наилучшее соответствие между результатами вычислительных и реальных физиологических экспериментов, использовали результаты экспериментов на кроликах, выполненных в отделе системных механизмов эмоционального стр есса НИИ нор мальной физиологии им. П.К. Анохина РАМН.

В острых опытах на пяти кроликах-самцах, проводимых под нембуталовым наркозом (40 мг/кг) и пр и исключении экстр акардиальных влияний, вызывали мерцание предсердий. С этой целью в условиях искусственного дыхания у животных проводили торакотомию и обнажали сер дце. С помощью специально разрабо-

танной установки на предсер дия подавали пачку тестирующих импульсов (частота 100 Гц, длительность импульса 5 мс, количество импульсов в пачке - до 15). Амплитуду импульсов после каждого стимулирующего воздействия повышали на заданную величину до достижения пороговой величины, при которой возникало мер цание предсердий. Анализировали электро -кардиогр аммы во II стандар тном отведении и локальные электрограммы, записанные с помощью электродов-присосок с поверхности миокарда правого и левого предсердия.

Характеристики степени нерегулярности волн мерцания, а также продолжительность мерцания варьировались не только между разными животными, но и в условиях одного и того же опыта. Спонтанное прекр ащение мерцания у кроликов позволяло вызывать мерцательную а ритмию для одного животного мно-гокр атно (5-10 р аз). П родолжительность аритмии варьировалась от 20 с до 1 мин. Для анализа использовали данные пяти опытов, в каждом из которых было записано более 2000 ИИ-интервалов. Различные реализации аритмии отличались между собой как по хар актеристи-кам степени нерегулярности волн мерцания, так и по типам гистогр амм ИИ-интервалов. Были зарегистрированы различные типы гистограмм ИИ-интервалов: одномодальные, двумодальные и полимодальные.

Первым этапом процесса идентификации математической модели явилась качественная оценка соответствия между теоретическими и экспериментальными записями кардиоинтерва-лограммы, котор ая проводилась визуально. В ходе этой оценки выбирали три реализации расчетных кардиоинтервалограмм, которые визуально наиболее близко соответствовали выбранной экспериментальной записи. Вторым этапом процесса идентификации модели явилась количественная оценка степени соответствия между моделью и экспериментом. С этой целью нами была выполнена аппроксимация по методу наименьших квадратов экспериментальных распределений ИИ-интервалов ^ехр(ИИ) теоретическими оценками ^Ь(ИИ(), полученными в ходе проведения вычислительного эксперимента. Для оценки отклонения функции ^хр(ИИ) от ^Ь(ИИ) и поиска той теоретической функции, которая наиболее близко соответствовала экспериментальной, использовали критерий минимума среднего квадратичного отклонения

||^ехр(ИИ«0 - ^(ИИ;)12ЖИ; = ШШ. (2)

Зависимость показателей вариабельности ИИ-интервалов при мерцательной аритмии от частотных характеристик входной экстракардиальной импульсации ТТ(г) в условиях периодической и стохастической входной импульсации

Частота Показатель Периодическая импульсация Стохастическая импульсация

(Р, усл. ед.) ТТ, усл. ед РР, усл. ед ИИ, усл. ед ТТ, усл. ед РР, усл. ед ИИ, усл. ед

М 79,4 77,71 81,64 78,59 78,83 85,98

12,6 ББ 0 5,47 8,03 13,93 11,70 18,24

линейный Мах 79,4 80,12 130,69 99,00 96,81 216,91

диапазон М т 79,4 60,00 60,00 59,00 60,35 70,00

ВР 0 20,12 70,69 40,00 36,47 146,91

М 70,4 69,30 89,44 62,84 71,11 89,79

14,2 ББ 0,00 2,13 28,50 6,80 6,82 28,40

диапазон «хаос 1-й степени» Мах М т 70,4 70,4 70,26 60,00 247,21 60,00 89,00 50,00 95,21 58,68 287,16 70,00

ВР 0,00 10,26 187,21 39,00 36,53 217,16

20,0 диапазон «хаос 2-й М ББ Мах 50,00 0,00 50,00 61,51 28,87 264,93 109,25 55,93 210,24 50,45 6,01 66,00 60,93 20,78 198,72 105,94 139,37 353,15

степени» М т 50,00 42,64 47,50 40,00 52,00 57,63

ВР 0,00 222,29 162,74 26,00 146,72 295,52

Практическая реализация этого алгоритма осуществлялась путем построения гистограмм распределения ИИ-интервалов и поиска минимума функции

» = ЕР(эксп) - Р(мод)]2 = шип (3)

где г = 1, 2,.....т - номера столбцов экспериментальной (Р г(эксп)) и ра ссчитанной с помощью модели (Рг(мод)) гистограммы; т - число разрядов гистограммы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На первом этапе настоящих исследований нами был проведен сравнительный анализ желудочковых аритмий, возникающих в условиях периодической и стохастической импульсации, поступающей на СА-узел. С помощью двухкон-тур ной модели регуляции сердечного ритма были рассчитаны критические точки Р^р = 12,9 и Р2кр = 19,2, разделяющие разные режимы кардиодинамики: линейный, хаос пер вой степени и хаос второй степени.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком