БАЛЛИСТОКАРДИОГРАФИЯ

Расстановка ударений: БАЛЛИСТОКАРДИОГРАФИ`Я

БАЛЛИСТОКАРДИОГРАФИЯ (греч. ballō бросать + kardia сердце + graphō писать) - метод графической регистрации механических движений тела человека, обусловленных сердечными сокращениями и движением крови по крупным сосудам.

Первая регистрация ритмичных вибраций тела осуществлена Гордоном (J. W. Gordon) в 1877 г., однако разработка теоретических и практических основ Б. начинается с 1939 г., когда Старр (I. Starr) сконструировал аппарат, записывающий пригодные для клинических целей баллистокардиограммы (БКГ). В 1949 г. Док и Тобман (W. Dock, F. Taubman) разработали метод Б. с использованием электромагнитного датчика.

В СССР Б. получила дальнейшее развитие и распространение благодаря работам В. В. Ларина и сотр. (1956-1963), А. В. Мареева (1958-1961), Р. М. Баевского (1958-1970), А. И. Гефтера и сотр. (1957-1960), И. Е. Оранского и Н. Ф. Смирнова (1959), создавших оригинальные и простые конструкции, имеющие ряд преимуществ перед датчиком Дока.

На БКГ регистрируются механические колебания тела, вызванные сердечным толчком при систоле сердца, явлениями реактивной отдачи, а также рядом других эффектов (волны давления по длине сосудов, потери скорости в зависимости от сопротивления кровотоку и т. п.). Ведущую роль в общем баллистическом эффекте играет скорость изгнания крови сердцем. Т. о., интегрально Б. отражает результат интерференции отдельных сил и является неспецифическим методом исследования гемодинамической функции сердца. В зависимости от типа датчика регистрируются БКГ смещения, скорости или ускорения.

Теоретические основы баллистокардиографии. Процесс передачи движений сердца и сосудов телу весьма сложен. При Б. возможны два типа механических колебательных систем: "тело - подвижная часть - система подвески - неподвижное основание" и "тело - неподвижное основание". Если исследуются движения тела, лежащего на жесткой платформе, то роль системы подвески выполняют ткани тела и часть механической энергии, сообщаемой телу, расходуется на демпфирование эластических тканей и на преодоление сил трения, препятствующих свободному перемещению тела или платформы. В баллистокардиографической системе действуют следующие силы: а) движущие, или вынуждающие силы, обусловленные сердечной деятельностью; б) силы эластической отдачи, вызывающие возвращение механической системы тела в исходное положение; в) тормозящие, или демпфирующие силы, препятствующие движению тела (трение). Для систем "тело - неподвижное основание", где значимы все три силы, уравнение движения имеет вид:

где F - вынуждающие силы, M_m - масса тела, β - коэффициент демпфирования, D - коэффициент жесткости, ^"x, ^'x и x - ускорение, скорость и смещение тела. Для систем "тело - поверхность - платформа" вынуждающие силы, связанные с внутренним перемещением общего центра тяжести человека и платформы баллистокардиографа, могут быть выражены через массу тела (M_m) и массу платформы (M_n). Тогда основное уравнение вынужденных колебаний тела можно записать так:

где M_c - масса сердца, а ^"x_c - ускорение центра тяжести сердца и движущейся с ним части крови. Это уравнение позволяет рассмотреть три варианта баллистокардиографических систем, когда соответственно каждый из трех членов правой части уравнения приобретает ведущее значение.

Системы, в к-рых колебания, регистрируемые баллистокардиографом, не соответствуют перемещениям общего центра тяжести, получили название сейсмических.

К ним относятся все системы типа "тело - неподвижное основание" и нек-рые из систем "тело-подвижная часть - система подвески - неподвижное основание", в к-рых ведущее значение имеют демпфирующие силы

или силы эластической отдачи

При идеальных условиях регистрации БКГ связь платформы с телом должна быть во много раз больше, чем связь платформы с землей; тогда перемещения тела вместе с платформой полностью зависят от сил, сообщаемых им сердечно-сосудистой системой. В этом случае инерция тела и платформы соответствует вынуждающим силам и уравнение приобретает вид:

Здесь движения тела и платформы аналогичны перемещениям общего центра тяжести. Баллистокардиографические системы подобного рода получили название динамических.

Различают четыре типа баллистокарднографических систем: 1) ультранизкочастотную, или апериодическую, 2) низкочастотную, 3) высоко-частотную, 4) прямую. Последние три типа систем относятся к числу сейсмических. При регистрации БКГ системами любого типа могут быть исследованы ускорение, скорость или перемещение тела. Возможна также регистрация БКГ не только по продольной оси тела, но и по латеральной и вертикальной осям, а также по трем осям вращения.

Согласно номенклатуре баллистокарднографических сил для тела, свободно перемещающегося в пространстве, рассматривают шесть степеней свободы. При Б. следует учитывать и колебания отдельных участков тела. Метод Дока и его разновидности (прямая Б.) основан на регистрации колебаний нижних конечностей. Разработаны также методы регистрации колебаний головы и грудной стенки.

Поэтому можно говорить об общей и локальной Б.

Вариантами локальной Б. могут считаться динамокардиография (регистрация перемещений локального центра тяжести грудной клетки) и сейсмокардиография (регистрация локальных перемещений, вибраций грудной стенки).

Генез волн БКГ. Форма БКГ в значительной степени зависит от способа регистрации. Наибольшим сходством обладают высокочастотные кривые, записанные с помощью стола Старра или аппарата Дока. Ультранизкочастотные БКГ значительно отличаются от них. Синхронная регистрация БКГ, ЭКГ, ФКГ и сфигмограммы сонной артерии позволила довольно точно определить генез и физиол. значение волн БКГ. По предложению Старра они обозначаются буквами латинского алфавита. Волны G, H, I, J, K соответствуют систоле, a L, M, N, O - диастоле. Ряд авторов выделяет еще волну F, возникающую одновременно с предсердным тоном ФКГ. Вершина следующей за волной F волны G совпадает с начальными колебаниями I тона сердца и зубцом R ЭКГ.

Направление вершин всех волн БКГ соответствует направлению движения тела. БКГ здоровых людей до 40 лет отличается четкостью волн систолического комплекса (рис. 1) и постоянством всех временных соотношений. Начало волны H связано с движением клапанов атрио-вентрикулярной перегородки вверх к предсердиям в изометрической фазе сокращения желудочков. Вершина R появляется через 0,06-0,09 сек. после зубца R ЭКГ и совпадает с концом фазы напряжения. Волна I обусловлена отдачей в сторону ног в начале фазы изгнания крови из желудочков. Наибольшая волна систолического комплекса J зависит в значительной мере от удара крови в дугу аорты и бифуркацию легочной артерии. Вершина J совпадает с вершиной пульса сонной артерии. Вершина K предшествует началу II тона сердца, она связана с замедлением кровотока в нисходящей аорте и ударом в бифуркацию брюшной аорты.

Диастолические волны L, M, N, O связаны с наполнением желудочков и выражены менее регулярно. Предсердные волны малой амплитуды (i, j, k) выявляются отдельно от волны Я и довольно непостоянной предсердной волны F только при нарушениях предсердно-желудочковой проводимости (рис. 2). Амплитуда волн (особенно главного отклонения IJ) увеличивается при вдохе и уменьшается при выдохе. Это связано с увеличением систолического объема желудочков на высоте вдоха (больше за счет правого желудочка). Степень дыхательных колебаний определяется отношением

ставляет в норме от 1¹/₂ до 2 (дыхательный коэффициент). Отношение IJ_mini/JK_max получило название баллистического индекса (БИ), значения к-рого в норме колеблются в пределах 0,4-0,6.

Клиническое значение баллпстокардиографии. В основу наиболее широко принятой классификации патологических изменений БКГ Брауна, де Лалла, Эпстайна (H. R. Brown, V. de Lalla, M. A. Epstein, 1952) положены два критерия: степень дыхательных вариаций амплитуды волн и изменение формы систолических комплексов. В. В. Парин (1961) излагает ее в несколько упрощенной и приближенной к клинической практике форме.

Выделено четыре степени патологических изменений БКГ. К I степени относятся БКГ, в к-рых амплитуда отрезка IJ на выдохе составляет меньше половины амплитуды этого отрезка на вдохе, а число таких малых комплексов на протяжении всей кривой менее 50% от общего числа комплексов. При II степени патологии маленьких комплексов больше, чем нормальных, и во время выдоха наблюдаются деформированные комплексы. Отклонения III степени характеризуются малой амплитудой всех волн, на выдохе отдельные волны трудно различимы. IV степень - хаотическая кривая низкой амплитуды. В основе изменений I и II степени могут лежать нарушения функции левого желудочка или экстракардиальные факторы, изменяющие условия венозного притока крови (заболевания легких, перикардиальные сращения); нарушения III и IV степени связаны с выраженной патологией сердца.

С увеличением возраста обследуемых (более 40 лет) уменьшается амплитуда IJ и все чаще выявляются разнообразные деформации волн БКГ. Не отражая точно характер заболевания сердца и величину систолического объема крови, метод Б. в высокой степени чувствителен к незначительным изменениям силы и начальной скорости изгнания крови.

Наибольшее значение имеют изменения начальных волн систолы: уменьшение глубины I и наклона отрезка HI в большой степени указывает на ослабление сердечной мышцы, вследствие этого кровь не получает должного ускорения в начале систолы. Помимо этого, часто регистрируется увеличение волн H и L, в результате чего систолические комплексы приобретают форму "раннего" и "позднего M" (рнс. 3). Увеличение волн L, M и N сочетается с повышением давления в предсердиях; некоторые авторы характеризуют отношение KL/IJ как сердечный индекс.

Аналогичные изменения и нарастание патологических кривых по мере прогрессирования гипертонической болезни установлены Е. В. Эриной (1959-1960), З. Л. Долабчяном (1965), М. Н. Тумановским и 10. Д. Сафоновым (1960-1964).

Для оценки нарушений сердечной деятельности важное значение имеет вычисление соотношений различных элементов кривой БКГ между собой, а также временных расстояний отдельных волн от зубца R (или Q) ЭКГ. В норме временные соотношения находятся в следующих пределах (M ± σ, в сек.): R - H = 0,073 ± 0,007; R - I = 0,135 ± 0,008; R - I = 0,213 ± 0,012; R - K = 0,309 ± 0,014; R - L = 0,402 ± 0,016; H - K = 0,232 ± 0,012. Амплитудные соотношения равны: HI/IJ = 0,5 ± 0,05; JK/IJ = 1,31 ± 0,11; KL/IJ = 0,98 ± 0,12 (по М. А. Чоботасу, 1965). Увеличение интервала R - H указывает на удлинение периода напряжения, запаздывание начала гемодинамической систолы от электрической и отражает степень дистрофических изменений миокарда или кардиосклероза. Укорочение интервала H - K является признаком уменьшения эластичности аорты (атеросклероза). Кроме того, этот интервал отражает довольно точно фазу изгнания крови, а R - H - продолжительность механической систолы. В поздних стадиях гипертонической болезни и при развитии кардиосклероза интервал H - K нередко удлиняется, что сочетается с большой изменчивостью конфигурации волн систолического комплекса и всех временных расстояний в разных фазах дыхания и свидетельствует об ухудшении сократительной функции сердца (рис. 3).

Дополнительным критерием оценки функционального состояния миокарда служит внутрисистолический показатель (отношение H - K/R - K); наиболее низкие величины обнаруживаются у больных, перенесших инфаркт миокарда.

При пороках сердца картина БКГ в значительной степени зависит от характера изменений внутрисердечной гемодинамики. При недостаточности митрального клапана часто увеличена волна H (как следствие регургитации крови). При стенозе митрального клапана нередки зазубрины на отрезке HI, расщепление или раздвоение вершин H, I, J, что свидетельствует об асинхронизме изгнания крови из желудочков (рис. 4). При недостаточности аортального клапана (а также у лиц с гипертиреозом) БКГ характеризуется высокой амплитудой ("гиперкинетическая кривая") и укорочением интервала R - H (отражение большого систолического объема крови и ускорения изгнания). При,стенозе аорты или коарктации ее часто укорочена волна K.

Следует, однако, иметь в виду, что определенные типы БКГ не имеют характера патогномонических симптомов. Этот простой метод функциональной диагностики позволяет с большой точностью характеризовать силу и скорость изгнания крови, координированность деятельности желудочков, т. е. целостную механическую функцию сердца. Поэтому при одном и том же заболевании у разных исследуемых могут регистрироваться абсолютно иные формы кривых, а при различных заболеваниях получаются вполне идентичные кривые.

Рис. 1. Нормальная баллистокардиограмма; нижняя кривая - электрокардиограмма I отв. (рис. 1-4 запись БКГ произведена датчиком Дока. Объяснение букв на БКГ см. в тексте)

Оценка БКГ должна обязательно производиться в комплексе с другими данными, касающимися состояния больного.

Рис. 2. Баллистокардиограмма больной 52 лет с гипертонической болезнью II стадии, блокадой левой ножки предсердно-желудочкового пучка (Гиса) и атрио-вентрикулярной блокадой III степени. II степень патологических изменений: укорочена волна I, глубокие волны K. Предсердные комплексы i, j, k следуют за зубцом P электрокардиограммы (нижняя кривая)

Хотя метод Б. в клинической практике не получил широкого распространения, он используется для контроля за восстановлением сократительной способности миокарда в процессе лечения, в частности лечения больных коронарным атеросклерозом, особенно после инфаркта миокарда. Он также применяется при определении оптимальных сроков для операции комиссуротомии и для врачебного контроля в практике спортивной и авиационной медицины.

Рис. 3. Баллистокардиограмма больного 60 лет. Атеросклероз коронарных артерий, стенокардия. III степень патологических изменений: слитные волны H и I на выдохе, значительная изменчивость всех интервалов H - K от 0,17 до 0,28 сек. Нижняя кривая - электрокардиограмма I отв

В последние годы с помощью различных методов физико-математического анализа прямых БКГ получена ценная информация о количественной характеристике ряда гемодинамических показателей - неравномерности ускорения и адекватного ему сердечного усилия в разные фазы систолы, роли функции сосудистой системы, а также о пригодности ультранизкочастотной техники для определения ударного объема крови по формулам. По мнению некоторых исследователей, эти методы могут дать достоверную картину перемещения масс крови, происходящих в крупных артериальных стволах. Новейшие материалы по клинико-физиологическому изучению Б. и использованию этого метода для решения задач практической медицины регулярно публикуются в трудах Международного научного общества по изучению Б. (США, Atlantic City).

Рис. 4. Баллистокардиограмма больной с комбинированным митральным пороком сердца в стадии компенсации. I степень патологических изменений. Расщепление волны I, отрезка KL (по Тумановскому и Сафонову)

Баллистокардиограф - устройство для измерения я регистрации реактивных микродвижений тела, обусловленных механической деятельностью сердца. Измеряемыми величинами при этом могут быть смещение, скорость или ускорение. Фактическими искомыми величинами при БКГ-исследовании являются кардио-гемодинамические величины, напр, ударный объем и др. Регистратором обычно служит двух- или многоканальный электрокардиограф.

Обычно посредством баллистокардиографа регистрируют продольные движения тела при горизонтальном положении обследуемого. Существуют устройства, позволяющие регистрировать движения в поперечном и дорсо-вентральном направлениях, а также вращения тела относительно продольной, поперечной или дорсо-вентральной осей (торсионные баллистокардиографы). Известны приборы для исследований в положениях стоя и сидя.

В общем случае баллистокардиограф состоит из трех последовательно соединенных звеньев: воспринимающего устройства, измерителя перемещений и функционального преобразователя (рис. 5, А). Чрезвычайно разнообразные конструкции баллистокардиографов различаются гл. обр. по выполнению воспринимающего устройства.

Воспринимающее устройство - наиболее специфическое звено баллистокардиографа - является механическим преобразователем, отвечающим перемещением на силовое воздействие организма. Характеристики его как преобразователя определяют информационную сущность Б. и особенности ее многочисленных разновидностей. Воспринимающее устройство имеет три основных элемента: подвижную часть, неподвижное основание и связывающую их систему подвески.

Измеритель перемещений представляет собой обычный измерительный элемент, измеряющий смещение, скорость или ускорение подвижной части воспринимающего устройства и преобразующий их в современных приборах в электрический сигнал.

Функциональный преобразователь вводится при необходимости качественного преобразования сигнала с целью придать ему новый информационный смысл, напр, для дифференцирования или интегрирования сигнала. Весьма компактные в современном исполнении измерительные и функциональные преобразователи не оказывают существенного влияния на конструкцию прибора в целом.

Принцип работы прибора. Организм контактирует с подвижной частью воспринимающего устройства и передает на нее силовое действие, вызванное отдачей вследствие движения масс сердца и крови в ходе сердечного цикла. Перемещения подвижной части воспринимаются измерителем перемещений, преобразуются в электрический сигнал, к-рый подается на регистратор.

В зависимости от типа баллистокардиографа подвижная часть воспринимающего устройства выполняется в виде платформы, сиденья кресла, ложа для размещения участка тела или в виде укрепленной на теле детали, движения к-рой измерять технически удобнее, чем движения тела.

Соответственно неподвижным основанием служит массивная станина, остов стола или кресла, штатив.

Конструктивное выполнение системы подвески наиболее существенно сказывается на функциональных свойствах баллистокардиографа и на информационном содержании БКГ. Система подвески несет две важные специфические функции: ограничивает свободу движения подвижной части, сохраняя ее в одном или нескольких нужных направлениях, и, обладая определенными свойствами противодействия возмущающей силе, регламентирует характер взаимной подвижности элементов воспринимающего устройства. Главные свойства системы подвески: податливость C, определяемая как деформация под действием единичной силы, и сопротивление R, характеризующее силу торможения, приходящуюся на единицу скорости (для каждого направления).

Система подвески вместе с подвижной частью, имеющей собственную массу (M_n) и присоединенную массу тела обследуемого (M_m), образует колебательную систему. Ее движение под действием вынуждающей силы

(где M_c - масса сердца и движущейся с ним части крови; ^"xc - ускорение центра тяжести сердца и крови) описывается уравнением:

, где x_n, ^'x_n, и ^"x_n - соответственно смещение, скорость и ускорение подвижного элемента баллистокардиографа;

- частота свободных колебаний воспринимающего устройства вместе с обследуемым;

Различно конструируя подвеску (при этом изменяются параметры C и R), можно получить воспринимающие устройства, весьма различные по динамическим свойствам и соответственно различно преобразующие принимаемую ими информацию. Среди этих устройств наибольший интерес представляют высокочастотные, ультранизкочастотные и апериодические системы, использующие соответственно жесткую, мягкую и свободную подвески. При этом возмущающая сила F первой группой устройств воспроизводится как смещение

Устройства первой группы конструктивно выполняются в виде платформы, подвешенной на основании с помощью жестких пластинчатых пружин (стол Старра). Приборы второй группы выполняются по типу маятниковых систем. Типичным является баллистокардиограф с подвеской платформы на тросах [Бургер, Нордерграф (H. C. Burger, A. Noordergraaf); Р. И. Гисматуллин, 1959, и др.]. Менее громоздки и более удобны в работе приборы с подвеской платформы на маятниковой системе, состоящей из положительных и отрицательных маятников [Толбот (S. A. Talbot), 1958; Толлс (W. S. Tolies), 1968]. Третью группу приборов составляют бессиловые баллистокардиографы в виде платформы, плавающей на поверхности ртути (Толбот, 1954), и "элонгационный" баллистокардиограф, представляющий собой платформу, свободно перемещающуюся на стальных шарах [Кленш (H. Klensch), 1956].

Рис. 5. Схема устройства баллистокардиографов. А - структурная схема прибора: О - объект; ВУ - воспринимающее устройство; ИП - измеритель перемещений; ФП - функциональный преобразователь. Б - схема воспринимающего устройства для непрямой баллистокардиографии: 1 - подвижная часть; 2 - система подвески; 3 - неподвижное основание. В - схема воспринимающего устройства для прямой баллистокардиографии: 1 - подвижная часть (ноги исследуемого лежат на подставке); 2 - неподвижное основание - штатив. Г - схема воспринимающего устройства для баллистокардиографии комбинированного типа: 1 - система подвески; 2 - подвижная часть; 3 - неподвижное основание

Лучшим техническим решением бессиловой подвески следует считать баллистокардиографы на воздушной подушке [Найбор (J. Nyboer), 1966; Харрисон (W. Harrison), Толбот (S. A. Talbot), 1966].

Рис. 6. Портативный электромагнитный баллистокардиограф Р. М. Баевского: 1 - подвижная часть со сдвоенным ложем для ног; 2 - система подвески в виде четырех пластинчатых пружин из органического стекла; 3 - неподвижное основание; 4 - постоянный магнит измерителя перемещений; 5 - индукционная катушка измерителя перемещений

Перечисленные приборы относятся к классу непрямых баллистокардиографов (рис. 5, Б). Они сложны и неудобны в эксплуатации.

Приборы для прямой баллистокардиографии [Док (W. Dock), 1949] не имеют таких недостатков; они состоят из неподвижного основания (штатива) и устанавливаемой на голенях планки, перемещения к-рой воспринимаются механоэлектрическим преобразователем. Роль системы подвески выполняют мягкие ткани тела (рис. 5, В). Динамические свойства баллистокардиографа Дока близки таковым высокочастотных баллистокардиографов.

В наст. время выделился новый класс баллистокардиографических устройств, система подвески к-рых поддерживает только часть тела, оставляя большую часть его на неподвижном основании (рис. 5, Г). К этому классу комбинированных баллистокардиографов принадлежат баллистокардиограф Г. Е. Цинцадзе (1957) с низкочастотной маятниковой подвеской платформы для ног и баллистокардиограф Р. М. Баевского (1958), выполненный в виде подставки для ног с высокочастотной подвеской платформы с помощью пластинчатых пружин (рис. 6). Измеритель перемещений состоит из индукционной катушки и постоянного магнита, укрепленных на неподвижной и подвижной частях. Баллистокардиограф Р. М. Баевского изготавливается Киевским заводом мед. оборудования. К этому же классу приборов относится динамокардиограф Е. Б. Бабского, В. С. Гурфинкеля и др. (1952), представляющий собой высокочастотный торсионный баллистокардиограф, платформа к-рого устанавливается под грудной клеткой лежащего на спине обследуемого.

Основные известные системы баллистокардиографов описаны В. В. Лариным (1963), Р. М. Баевским (1962), Р. М. Баевским и А. А. Талаковым (1971).

Библиогр.: Баевский Р. М. Основы практической баллистокардиографии, М., 1962, библиогр.; Баевский Р. М. и Талаков А. А. Баллистокардиография, София, 1971; Док В., Мандельбаум Г. и Мандельбаум Р. Баллистокардиография, пер. с англ., М., 1956, библиогр.; Тумановский М. Н. и Сафонов Ю. Д. Функциональная диагностика заболеваний сердца, с. 337 и др., М., 1964, библиогр Burger H. C., Noordergraaf A. a. Verhagen A. M. W. Physical basis of the low-frequency ballistocardiograph, Amer. Heart J., v. 46, p. 71, 1953; Klensch H. Die kräftefreie Ballistokardiographie, Pflügers Arch. ges. Physiol., Bd 262, S. 272, 1956; Starr I. a. Noordergraaf A. Ballistocardiography in cardiovascular research, Amsterdam, 1967; Winer N. J. Validity of qualitative direct body ballistocardiography in cardiac evaluation, Circulation, v. 18, p. 801, 1958.

Е. В. Эрина; Р. М. Баевский (биофиз.); Е. К. Лукьянов (техн.).