35
Анализ вариабельности ритма сердца и возможности его применения в психологии и психофизиологии
А. В. Ковалева
кандидат биологических наук, доцент кафедры общей психологии Московского психолого-педагогического университета, Москва
Е. Н. Панова
специалист по учебно-методической работе учебно-производственной лаборатории компьютерной электрофизиологии кафедры общей психологии Московского психолого-педагогического университета, Москва
А. К. Горбачева
кандидат биологических наук, лаборант учебно-производственной лаборатории компьютерной электрофизиологии кафедры общей психологии Московского психолого-педагогического университета, Москва
Показатели вариабельности ритма сердца являются надежными и объективными индикаторами тонуса вегетативной нервной системы (ее симпатического и парасимпатического отделов), который, в свою очередь, отражает изменения в психо-эмоциональном состоянии человека, развитие стресса или любого напряжения. Целью настоящей статьи являлось описание современных методов объективного изучения функционального состояния человека по параметрам вегетативной регуляции ритма сердца и обзор современных зарубежных исследований, в которых демонстрируются возможности применения этого метода в психологии и психофизиологии. Описываются два подхода к анализу вариабельности ритма сердца: временной и частотный. Среди показателей временного анализа наиболее часто используются такие показатели, как средняя длительность RR-интервалов, стандартное отклонение длительности RR-интервалов, процент пар кардиоинтервалов, отличающихся между собой более чем на 50 мс (pNN50). Среди показателей частотного анализа ритма сердца чаще всего используются следующие: мощность высокочастотного компонента (HF), отражающего парасимпатические влияния, мощность низкочастотного компонента (LF), отражающего симпатические влияния, мощность очень низкочастотного компонента (VLF), соотношение низко- и высокочастотных волн (LF/HF), отражающее вегетативный баланс.
Ключевые слова: вариабельность ритма сердца; временной анализ ритма сердца; частотный (спектральный) анализ ритма сердца; половые отличия, возрастные отличия; медитация; депрессия; тревожность.
36
Вводная часть
При любом изменении функционального состояния человека, психическом эмоциональном или физическом напряжении мгновенно изменяется тонус вегетативной нервной системы (ВНС) в сторону повышения активности его симпатического отдела. В спокойном же состоянии более активен, как правило, парасимпатический отдел. В тех областях знаний о человеке, где важным является своевременное и объективное определение уровня напряжения (психология, психофизиология, спортивная наука, медицина), изучение вегетативного баланса чаще всего осуществляется при помощи показателей вариабельности ритма сердца (ВРС). Эти показатели позволяют произвести дифференцированную диагностику вегетативных влияний не только на само сердце, но и на весь организм в целом [3]; [20]. Под вариативностью РС понимается разброс величины интервалов между соседними R-зубцами (RR-интервалов) на записи электрокардиограммы (ЭКГ). По временным и амплитудным характеристикам ритмических колебаний RR-интервалов можно судить о состоянии регуляторных механизмов организма человека [2]; [3]; [9]; [19]; [29].
Изменения ритма сердца — универсальная оперативная реакция целостного организма в ответ на любое воздействие факторов внешней среды. Анализ вариабельности ритма сердца — это неинвазивная технология, позволяющая в реальном масштабе времени оценивать состояние регуляторных систем человека и решать многие прогностические, диагностические и лечебные задачи [2]. Основы применения этого метода были заложены в нашей стране Р. М. Баевским еще в 60—70-е годы [1].
При оптимальном регулировании — управление ритмом сердца происходит с минимальным участием высших уровней управления, с минимальной централизацией управления. При неоптимальном управлении — необходима активация все более высоких уровней управления. Это проявляется в виде изменения спектрального состава волн ритма сердца.
Цель настоящей статьи — описать современные методы объективного изучения функционального состояния человека по параметрам вегетативной регуляции ритма сердца и продемонстрировать возможности этого метода для применения в психологии и психофизиологии.
Основы метода анализа варибельности ритма сердца
В настоящее время применяется два подхода к анализу вариабельности ритма сердца: временной (time domain) и частотный (frequency domain) методы анализа [2]; [3]; [9]; [20]; [28].
Временной анализ ВРС предполагает расчет определенных показателей кардиоритмограммы (табл. 1).
Таблица 1
Основные показатели временного анализа вариабельности ритма сердца [2]; [9]; [19]; [28]
Показатель | Пояснение | Функциональное значение |
ЧСС (HR), уд/мин | Частота сердечных сокращений | Средний уровень функционирования системы кровообращения и ВНС |
37
RR, мс | Средняя длительность RR-интервала | |
SDNN, мс | Стандартное отклонение полного массива кардиоинтервалов | Суммарный эффект вегетативной регуляции кровообращения |
RMSSD, мс | Квадратный корень суммы разностей последовательного ряда кардиоинтервалов | Активность парасимпатического звена вегетативной регуляции |
pNN50, % | Число пар кардиоинтервалов с разностью более 50 мс в % к общему числу кардиоинтервалов в записи | Показатель степени преобладания парасимпатического звена регуляции над симпатическим (относительное значение) |
Большинство показателей ВСР временной области сильно коррелируют друг с другом и в практических целях достаточно ограничиваться двумя из них. Чаще всего используют показатель pNN5O. Он нормирован на продолжительность RR-интервалов (ЧСС), а потому не зависит от их величины и может сравниваться у одного и того же обследуемого на разных этапах и в разных условиях исследованиях [2].
Методы анализа ВСР в частотной области (frequency domain) получили очень широкое распространение в последние годы [3]; [6]; [9]; [20]; [29]. Анализ спектральной плотности мощности колебаний дает информацию о распределении мощности в зависимости от частоты колебаний. Еще в 90-е годы было показано, что применение спектрального анализа позволяет количественно оценить различные частотные составляющие колебаний ритма сердца и наглядно графически представить соотношения разных компонентов сердечного ритма, отражающих активность определенных звеньев регуляторного механизма [3]; [20].
Современные стандарты измерений, физиологической интерпретации и клинического использования показателей вариабельности ритма сердца, ВРС (heart rate variability, HRV) были разработаны и утверждены в 1996 году американской ассоциацией изучения сердца и европейским обществом кардиологов [9].
Обычно при анализе спектра РС рассматривают три основных пика. Дыхательные волны (или HF-составляющая спектра РС), определяемые частотой дыхательных движений (ЧДД), и два пика медленных колебаний: с периодом от 6 до 13 с, формирующие пик на частоте примерно 0,04—0,15 Гц (LF), и волны с периодом до 60 с, что соответствует частоте 0,003—0,04 Гц (VLF). В ряде случаев используются также показатели общей мощности (total power, мощность всех колебаний с частотой меньше 0.4 Гц) и ULF (самые низкочастотные колебания с частотой менее 0.003 Гц) [6]. Подобная методология неинвазивного оценивания взаимодействия основных компонентов вегетативного баланса физиологических регуляций у человека признана Европейским кардиологическим обществом [9] и в настоящее время активно используется для диагностики функциональных состояний человека в норме и при патологии. В таблице 2 представлены основные показатели частотного анализа ритма сердца и их функциональная роль.
38
Таблица 2
Основные показатели частотного анализа вариабельности ритма сердца [9]; [28]
Показатель | Пояснение | Функциональное значение |
Total power, мс2 | Общая мощность спектра (≤0,4 Гц) | Общий показатель вариабельности кардиоинтервалов за выбранный промежуток времени |
VLF, мс2 | Мощность очень медленных волн (<0,04 Гц) | Гормональные, метаболические влияния и воздействие высших отделов головного мозга на ритм сердца |
LF, мс2 | Мощность медленных волн (от 0.04 до 0.15 Гц) | Симпатические влияния на ритм сердца и барорецепторные механизмы |
LF, nu | То же, в нормализованных единицах | — |
HF, мс2 | Мощность высокочастотных (дыхательных) волн (от 0.15 до 0.4 Гц) | Парасимпатические влияния на ритм сердца (дыхательные волны) |
HF, nu | То же, в нормализованных единицах | — |
LF/HF | Соотношение медленных и высокочастотных волн в спектре ритма сердца | Баланс симпатических и парасимпатических влияний на ритм сердца |
В многочисленных физиологических экспериментах и клинических наблюдениях [3]; [9]; [19]; [20] показано, что высокочастотный компонент модуляции ритма сердца (HF) обусловлен преимущественно активацией волокон вагусного нерва, т. е. парасимпатическим тонусом. Природа низкочастотного компонента ритма сердца менее однозначна, но все исследователи сходятся в том, что обязательным условием появления этого компонента в спектре ритма сердца является активация, в том числе и симпатических эфферентов [2]; [3]; [19]; [20]. Однако Goldstein DS et al (2011) [8] предположили, что мощность LF отражает не прямое воздействие симпатических нервов на сердце, а работу барорефлекторного механизма.
Таким образом, увеличение мощности высоко- и низкочастотных компонентов спектра ритма сердца в ответ на изменение экспериментальных условий принимается в качестве маркеров соответственно повышения тонуса парасимпатической или симпатической системы.
Мы проанализировали зарубежные статьи, в которых указывались значения некоторых показателей временного и частотного анализа ритма сердца для здоровых людей. Эти показатели представлены в табл. 3.
Как видно из таблицы, нормативные показатели довольно сильно отличаются в разных работах. Это может быть связано с использованием небольших выборок испытуемых (в большинстве случаев до 20 человек), а также с тем, что многие работы проведены на разных популяциях (например, данные по самой большой выборке получены на японских студентах [11]).
Возрастные и половые отличия
При сравнении испытуемых молодого возраста (20—25 лет) и старых (71—
39
Таблица 3
Значения некоторых показателей вариабельности ритма сердца для здоровых людей по данным разных авторов
Показатель ВРС | Значение | Выборка | Средний возраст испытуемых | Время регистрации ЭКГ | Источник |
LF, мс2 | 775±125 | 79 | 40,1 | 5—10 | D. Lucini et al (2007) [18] |
ms2/Hz | 3500±2900 | 11 | 21,2 | F. S. Martinelli et al, 2005 [23] | |
5424±1137 | 10 | 9,5 | 16 | A. S. Leicht and G. D. Allen (2008) [13] | |
10,42 (ln) | 456 | 20—29 | 2 | Kobayashi (2012) [11] | |
1170±416 | 5 | Task Force (1996) [9] | |||
LF, nu | 55,3±2,0 | 79 | 40,1 | 5—10 | D. Lucini et al, 2007 [18] |
71±6 | 11 | 21,2 | F. S. Martinelli et al, 2005 [23] | ||
53,7±2,8 | 10 | 9,5 | 16 | A. S. Leicht and G. D. Allen (2008) [13] | |
0,37±0,19 | 16 | 20—25 | 5 | R. Wood et al., 2002 [40] | |
54±4 | 5 | Task Force, 1996 [9] | |||
HF, мс2 | 526±86 | 79 | 40,1 | 5—10 | D. Lucini et al (2007) [18] |
1500±800 | 11 | 21,2 | F. S. Martinelli et al, 2005 [23] | ||
4283±807 | 10 | 9,5 | 16 | A. S. Leicht and G. D. Allen (2008) [13] | |
9,84 (ln) | 456 | 20—29 | 2 | Kobayashi, 2012 [111 | |
975±203 | 5 | Task Force, 1996 [9] | |||
HF, nu | 35,7±1,9 | 79 | 40,1 | 5—10 | D. Lucini et al, 2007 [18] |
29±6 | 11 | 21,2 | F. S. Martinelli et al, 2005 [231 | ||
45,6±2,8 | 10 | 9,5 | 16 | A. S. Leicht and G. D. Allen (2008) [13] | |
29+3 | 5 | Task Force, 1996 [9] | |||
LF/HF | 2,9±0,4 | 79 | 40,1 | 5—10 | D. Lucini et al, 2007 [18] |
2,47±1,01 | 11 | 21,2 | F. S. Martinelli et al, 2005 [23] |
40
1,5±0,2 | 10 | 9,5 | 16 | A. S. Leicht and G. D. Allen (2008) [13] | |
0,58 (ln) | 456 | 20—29 | 2 | Kobayashi, 2012 [11] | |
1,5—2,0 | 5 | Task Force, 1996 [9] | |||
RR, мс | 904±14 | 79 | 40,1 | 5—10 | D. Lucini et al, 2007 [18] |
854,3±105,7 | F. S. Martinelli et al, 2005 [23] | ||||
945,85 | 456 | 20—29 | 2 | Kobayashi, 2012 [11] | |
887±52,3 | 16 | 20—25 | 5 | Wood et al, 2002 [40] | |
SDNN, мс | 59,1±36,5 | 11 | 21,2 | F. S. Martinelli et al, 2005 [23] | |
27,17 | 456 | 20—29 | 2 | Kobayashi, 2012 [11] | |
72,22±27,29 | 16 | 20—25 | 5 | Wood et al, 2002 [40] | |
141±39 | 5 | Task Force, 1996 [9] | |||
90 лет) оказалось, что при старении вариабельность ритма сердца снижается, а когнитивная нагрузка еще больше уменьшает этот показатель [41]. В другой работе [38] сравнивались испытуемые пяти возрастных групп (25—34, 35—44, 45—54, 55—64 и 65—74 лет). Результаты также показывают, что с возрастом ВРС снижается, однако в последних трех группа различия недостоверны, то есть в пожилом возрасте дальнейшего снижения не наблюдается.
В некоторых работах отмечаются половые отличия в ВРС. Так, при суточной записи ЭКГ (холтеровское мониторирование) на пакистанской популяции было показано, что у женщин ниже вариабельность ритма сердца и, следовательно, выше тонус симпатического отдела ВНС [33]. На довольно большой выборке испытуемых индийцев было показано, что половые различия проявляются только в подростковом (12—19 лет) и зрелом возрастах (20—40 лет) в том, что у женщин выше отношение LF/HF и абсолютная мощность компонента LF, что также свидетельствует в пользу повышенного тонуса симпатической активации у жительниц Индии [24]. Учитывая, что в работах на европейской и афроамериканской популяциях значимых различий по ВРС не выявлено [39], можно предположить тесную связь уровня симпатической активации, измеряемой по показателям ВРС, с социальными факторами и условиями жизни мужчин и женщин. В работе Li et al., 2009 [14] была выявлена разница в реакции вариабельности ритма сердца мужчин и женщин на стресс: при стрессе у женщин происходило достоверно более выраженное снижение показателей вариабельности ритма сердца, чем у мужчин.
Применение в психологии
В современном обществе весьма актуально воздействие стрессогенных факторов на психику и здоровье человека. Очень широк круг психосоматических расстройств, а также других последствий переживания хронического стресса (депрессии, тревожность и т. д.). С точки зрения физиологических механизмов, переживание как психического, так и физиологического
