Charakterystyka funkcjonowania autonomicznego uk adu nerwowego u osób po uszkodzeniu rdzenia kr gowego

Transkrypt

1 Fizjoterapia 2009, 17, 2, ISSN Charakterystyka funkcjonowania autonomicznego uk adu nerwowego u osób po uszkodzeniu rdzenia kr gowego /v Katarzyna Piesiewicz 2,3, Anna urowska 3, Zbigniew Jethon 1,2, Eugeniusz Bolach 3 1 Wy sza Szko a Fizjoterapii we Wroc awiu Higher School of Physiotherapy in Wroc aw 2 Pa stwowa Wy sza Szko a Zawodowa im. Witelona w Legnicy Witelon State Higher Vocational School in Legnica 3 Wydzia Fizjoterapii AWF we Wroc awiu University of Physical Education in Wroc aw Streszczenie: Cel i za o enia: celem bada by o porównanie równowagi pomi dzy sk adow sympatyczn i parasympatyczn u osób po uszkodzeniu rdzenia kr gowego. Materia badawczy: przebadano 10 nietrenuj cych m czyzn po urazie rdzenia kr gowego w wieku lat. Metoda badawcza: pomiary zmienno ci rytmu zatokowego serca (HRV) oraz cz sto ci skurczów serca (HR) zosta y wykonane za pomoc sport-testera S 810i firmy Polar. Zarejestrowane pliki HR pos u y y do analizy zmienno ci rytmu zatokowego serca w programie HRV Analysis. Wnioski: przewaga mocy w zakresie niskich cz stotliwo ci mo e wiadczy o dominacji cz ci sympatycznej autonomicznego uk adu nerwowego. Ni sza warto mocy ca kowitej u osób niepe nosprawnych mo e wskazywa dezorganizacj w funkcjonowaniu autonomicznego uk adu nerwowego. S owa kluczowe: uszkodzenie rdzenia kr gowego, zmienno rytmu zatokowego serca. Abstract: Purpose of the study: the aim of the study was to compare sympathetic and parasympathetic balance in patients after spinal cord injury. Subjects: ten sedentary men after spinal cord injury at the age of were examined. Method: the variability of the sinus rhythm (HRV) as well as the heart rate were measured by means of the Polar sport-tester S 810i. The collected data was used to analyse the sinus rhythm s variability in HRV Analysis program. Conclusions: the prevalence of low frequencies may signify/indicate dominance of sympathetic element of the autonomic nervous system. Lower values of the total force may show dysfunctioning of the autonomic nervous system after spinal cord injury. Key words: spinal cord injury, heart rate variability. 12 Wprowadzenie W wyniku uszkodzenia rdzenia kr gowego dochodzi do przerwania kontroli o rodków nerwowych po o onych centralnie nad obwodowo przebiegaj cymi funkcjami. Stwierdza si, e do najbardziej niebezpiecznych dysfunkcji nale nast pstwa zak ócenia w regulacji czynno ci uk adu kr enia, które w skrajnych przypadkach przyjmuj charakter dysrefl eksji autonomicznej [1]. Analizuj c zale no akcji serca od stabilno ci równowagi mi dzy uk adem sympatycznym i parasympatycznym zaobserwowano, e zmienno rytmu zatokowego (HRV) mo e by przyj ta jako swego rodzaju miernik tej równowagi [2, 3]. Ze wzgl du na anatomiczn budow decentralizacja w autonomicznym uk adzie nerwowym dotyczy g ównie uk adu wspó czulnego i jest zale na od wysoko ci uszkodzenia. Dotychczasowe badania [4] wykaza y wspó zale no mi dzy spektraln Introduction Spinal cord injury results in disruption of the control of the central nervous centres over peripheral functions. The most dangerous disorders include the consequences of dysfunctions of the circulatory system which in extreme cases may lead to autonomic dysrefl exion [1]. Analysis of the dependence of the heart rate on balance between the sympathetic and parasympathetic system showed that the variability of the sinus rhythm (HRV) may be treated as a measure of this balance [2, 3]. Due to autonomic structure, decentralisation in the autonomic nervous system concerns mainly the sympathetic system and it is dependent on the degree of injury. The studies carried out so far [4] show that there is interdependence between the spectral analysis of autonomic functions and clinical measurements, and analysis of the variability of the sinus rhythm has been con-

2 Physiotheraphy 2009, 17, 2 Katarzyna Piesiewicz, Anna urowska, Zbigniew Jethon, Eugeniusz Bolach analiz funkcji autonomicznych a pomiarami klinicznymi, za analiza zmienno ci rytmu zatokowego serca zosta- a uznana za u yteczn nieinwazyjn metod, s u c do oceny zmian w autonomicznym uk adzie nerwowym po urazie rdzenia (paraplegia). Celem przedstawionych bada by o porównanie równowagi pomi dzy sk adow sympatyczn i parasympatyczn u osób po uszkodzeniu rdzenia kr gowego, sedentarnych, nieuczestnicz cych w treningach sportowych i rekreacyjnych. Materia i metody bada Do udzia u w badaniach zakwalifikowano 10 nietrenuj cych m czyzn po urazie rdzenia kr gowego w wieku lat. Badania paraplegików nie przejawiaj cych dysfunkcji klinicznych s mniej liczne i wykazuj rozbie ne wyniki [5, 6]. Analiza metodyki tych bada wskazuje na cz ste pomijanie poziomu adaptacji wysi kowej paraplegików. Techniki i narz dzia badawcze Pomiary zmienno ci rytmu zatokowego serca (HRV) oraz cz sto ci skurczów serca (HR) zosta y wykonane za pomoc sport-testera S 810i firmy Polar (Polar Electro Oy, Fin- land). Opaska elastyczna z elektrodami, które rejestrowa y sygna y funkcji serca, zosta a umieszczona na klatce piersiowej. Dane wysy ane by y do odbiornika HR za o onego na prawym stawie promieniowo-nadgarstkowym, gdzie by y zapami tywane, a nast pnie przez port podczerwieni wysy ane do komputera i zapisywane w programie Polar Precision Performance SW. Zarejestrowane pliki HR pos u y y do analizy zmienno ci rytmu zatokowego serca w programie HRV Analysis (The Biomedical Signal Analysis Group, Department of Applied Physics, University of Kuopio). Badanie zosta o przeprowadzone w spoczynku, w pozycji horyzontalnej na le ance, w godzinach przedpo- udniowych, w warunkach termoneutralnych, w pomieszsidered useful as a non-invasive method applied in order to evaluate the changes in the autonomic nervous system after spinal cord injury (paraplegia). The aim of this study was to compare the balance between the sympathetic and parasympathetic system in subjects after spinal cord injury, leading a sedentary life and not participating in sports and recreational activities. Material and methods The examination group included 10 not physically active men after spinal cord injury aged years. There are fewer research studies of paraplegics with no clinical dysfunctions and they show divergent results [5, 6]. Analysis of the methodology of those studies indicates that the level of effort tolerance of the examined paraplegics is frequently omitted. Techniques and research tools Measurement of the variability of the sinus rhythm (HRV) and heart rate (HR) were carried out by means of a sport tester S 810i by Polar Electro Oy, Finland. The elastic band with electrodes whose aim was to register signals of the heart function was placed around the chest. The data was sent to a receiver HR placed on the right radio-carpal joint where it was recorded and then transferred to a computer via an infrared port and stored there by means of Polar Precision Performance software. The recorded files were used to carry out an analysis of the variability of the sinus heart rhythm in the HRV Analysis programme (The Biomedical Signal Analysis Group, Department of Applied Physics, University of Kuopio). The examination was carried out at rest, in horizontal position, in the morning, in neutral temperature, in a closed room, at least two hours after a meal. Before the examination began the patients spent 10 Tabela 1. Charakterystyka grupy badawczej Table 1. Characteristics of the examined group Lp. Number Wiek Age Dysfunkcja Dysfunction Nabyta/ wrodzona Acquired / congenital Data wyst pienia Offset date Zdiagnozowane choroby Diagnosis date Przyjmowane leki Medicines Badany 1 Subject 1 22 Th 1 -Th 2 Badany 2 Subject 2 27 C 6 -C 7 4 lata 4 years Badany 3 Subject 3 22 Th 6 - Badany 4 Subject 4 24 Th 3 -Th 4 - Badany 5 Subject 5 27 Th 6 6 lat 6 years - Badany 6 Subject 6 34 Th 11 -L 1 9 lat 9 years Badany 7 Subject 7 17 L 5 - Badany 8 Subject 8 24 Th 10 -Th 11 Badany 9 Subject 9 17 przepuklina oponowo-rdzeniowa L 1 Myelomeningocele wrodzona congenital Badany 10 Subject Th 11 13

3 Katarzyna Piesiewicz, Anna urowska, Zbigniew Jethon, Eugeniusz Bolach Charakterystyka funkcjonowania autonomicznego uk adu nerwowego u osób po uszkodzeniu rdzenia kr gowego Fizjoterapia 2009, 17, 2 Tabela 2. Parametry uzyskiwane w wyniku spektralnej analizy HR [2, 3] Table 2. Parameters obtained by means of HR spectral analysis [2, 3] Parametr Parameter Jednostki Units Opis Description Analiza krótkoterminowa (10 minut) Short-term analysis (10 min) TP ms 2 zmienno interwa ów RR w ca ym okresie rejestracji variability of RR intervals VLF ms 2 moc w zakresie bardzo niskich cz stotliwo ci zwi zana z zewn trznymi procesami termoregulacji, uk adem RAA, odruchami rdzeniowymi i naczyniowymi force in the low frequency range related to external processes of thermoregulation, RAA system, spinal and angular reflexes LF ms 2 sympatycznego i zmienno ci czu o ci baroreceptorów force in low frequencies refl ects tension of the sympathetic system and moc w zakresie niskich cz stotliwo ci przedstawiaj ca napi cie uk adu variability of the sensibility of baroreceptors moc niskich cz stotliwo ci w jednostkach znormalizowanych: LF norm Nu LF / (TP VLF ) 100 force of low frequencies in normalised units: LF / (TP VLF ) 100 HF ms 2 sympatycznego moc w zakresie wysokich cz stotliwo ci zwi zana z napi ciem uk adu para- force in high frequencies related totension of the parasympathetic system moc wysokich cz stotliwo ci w jednostkach znormalizowanych: HF norm Nu HF / (TP VLF ) 100 Force of high frequencies in normalised units: HF / (TP VLF ) 100 LF/HF stosunek LF [ms ] do HF [ms 2 ] LF [ms 2] to HF [ms 2] ratio Zakres cz stotliwo ci Frequency range < 0,4 Hz 0,003-0,04 Hz 0,04-0,15 Hz 0,15-0,4 Hz 14 czeniu zamkni tym, minimum 2 godziny po posi ku. Przed rozpocz ciem zapisu zmienno ci rytmu zatokowego serca badane osoby le a y przez 10 minut lub do uzyskania stabilnego t tna spoczynkowego w granicach uderze serca na minut. Po spe nieniu tego warunku przez 10 minut dokonywano zapisu cz sto ci skurczów serca. Jedn z metod analizy zmienno ci rytmu zatokowego jest metoda spektralna oparta na szybkiej transformacji Fouriera (FFT), zalecana przez Europejskie Towarzystwo Kardiologiczne do oceny równowagi mi dzy sk adowymi uk adu autonomicznego w zapisie krótkotrwa ym (tab. 2). Metoda ta umo liwia zobrazowanie wp ywu obu sk adowych na zmienno rytmu zatokowego serca. Otrzymane wyniki poddano analizie statystycznej za pomoc pakietu Statistica (wersja 6.0.). Obliczono redni i odchylenie standardowe poszczególnych parametrów. Omówienie wyników W badanej grupie zaobserwowano du e zró nicowanie w warto ciach spektralnych parametrów HRV. Analizie poddano warto ci w pa mie niskich cz stotliwo ci (LF ms 2, LF n.u) obrazuj cych wp yw cz ci sympatycznej oraz warto- ci w pa mie wysokich cz stotliwo ci (HF ms 2, HF nu) b d ce odzwierciedleniem wp ywu cz ci parasympatycznej, a tak e wska nik LF/HF b d cy wyrazem sympato-wagalnej równowagi. Analiza statystyczna wykaza a wy sz warto redni w 2 cz stotliwo ciach niskich, wyra on zarówno jako LF ms oraz LF nu (tab. 3). Przewaga tego parametru mo e wiadczy o dominacji cz ci sympatycznej autonomicznego uk adu nerwowego. Pozostaje to w zgodzie z wynikami uzyskanymi przez innych autorów [7, 8], którzy sugerowali, e obraz ten mo e by skutkiem uszkodzenia dróg nerwu b dnego. Obni on impulsacj z uk adu parasympatycznego wykazali równie Claydon i George [4, 9]. Przebaminutes or more in lying position in order to achieve stable pulse at rest within the range of heart beats per minute. When this condition was met the heart rate was recorded for the following 10 minutes. One of the methods of analysing the variability of the sinus rhythm is the spectral method based on Fourier Fast Transformation (FFT) recommended by the European Cardiologic Society for evaluation of the balance between the elements of the autonomic nervous system in short-term recording (Tab. 2). This method enables imaging the infl u- ence of both elements on the variability of the sinus heart rhythm. The obtained results were undergone statistical analysis by means of the Statistica 6.0 software. The mean values and standard deviations for particular parameters were also calculated. Discussion The examined group showed high diversity in spectral values of the HRV parameters. The analysis covered the values of low frequencies (LF ms 2, LF n.u) reflecting the infl uence of the sympathetic system as well as the values of high frequencies (HF ms 2, HF n.u) showing the infl uence of the parasympathetic system and also the LF/HF index refl ecting the sympato-vagal balance. The statistical analysis also showed higher mean values in low frequencies represented by both LF ms 2 and LF n.u values (Tab. 3). Higher values of this parameter may indicate the predominance of this element of the autonomic nervous system. Such results are compatible with the results obtained by other researchers [7, 8] who suggested that this image may result from damaging of the pneumogastric nerve s tracks. Decreased impulsation was also shown in the research of Claydon and George [4, 9]. The examined disabled patients obtained lower values of

4 Physiotheraphy 2009, 17, 2 Katarzyna Piesiewicz, Anna urowska, Zbigniew Jethon, Eugeniusz Bolach Tabela 3. Zestawienie wynikow Table 3. Results Lp. Number Badany 1 Subject 1 Badany 2 Subject 2 Badany 3 Subject 3 Badany 4 Subject 4 Badany 5 Subject 5 Badany 6 Subject 6 Badany 7 Subject 7 Badany 8 Subject 8 Badany 9 Subject 9 Badany 10 Subject 10 rednia Mean values Odchylenie Deviation VLF [ms 2 ] LF [ms 2 ] LF [nu] HF [ms 2 ] HF [nu] LF/HF [ms 2 ] , ,7 0, , ,8 3, , ,5 0, , ,3 2, , ,4 3, , ,2 1, , ,8 0, , ,4 1, , ,9 1, , ,5 5, ,7 630,4 60,85 400,3 39,15 2, ,74 592,8 17,6 359,8 17,6 1,6 dane osoby niepe nosprawne uzyska y, w porównaniu z warto ciami referencyjnymi przedstawionymi przez Ameryka skie Towarzystwo Elektrofizjologii i Europejskie Towa- rzystwo Kardiologiczne, ni sze wyniki wi kszo ci parametrów spektralnych (tab. 4). Ni sza warto mocy ca kowitej osób niepe nosprawnych mo e wskazywa dezorganizacj w funkcjonowaniu autonomicznego uk adu nerwowego [2], czego g ówn przyczyn mo e by uszkodzenie rdzenia kr gowego badanych. Obserwacj t potwierdzaj obni one warto ci parametrów LF ms 2 i HF ms 2, odzwierciedlaj cych zarówno prac uk adu wspó czulnego, jak i przywspó czulnego. W celu oceny wp ywu cz ci sympatycznej przeliczono warto w zakresie niskich cz stotliwo ci na jednostki znormalizowane. Wy sza warto tej komponenty w porównaniu z warto ci referencyjn mo e by spowodowana nisk warto ci mocy w zakresie bardzo niskich cz stotliwo ci (VLF), która jest eliminowana w procesie normalizacji jednostki. Moc poni ej 0,04 Hz jest wska nikiem trudnym do interpretacji i nie mo na jednoznacznie przypisa jej ani do cz ci pobudzaj cej, ani do hamuj cej autonomicznego uk adu nerwowego. Warto t mo na analizowa je- the spectral parameters in comparison with the referential values presented by the American Electrophysiological Society and the European Cardiologic Society (Tab. 4). Lower values of the total force in the disabled may indicate disorganisation in functioning of the autonomic nervous system [2] what may be caused by spinal cord injury. 2 Such observations are confirmed by lower values of LF ms and HF ms 2 parameters reflecting the work of both the sym- pathetic and parasympathetic system. In order to evaluate the influence of the sympathetic system the values in low frequencies were converted into normalised units. Higher values in comparison with referential values resulted from low value of force in very low frequencies (VLF) which was eliminated in the process of normalisation of units. The force below 0.04 Hz is an index diffi ficult to interpret and neither stimulating nor hindering qualities affecting the autonomic nervous system can be explicitly assigned to it. This value may only be analysed in long-term measurements [10]. It is assumed that VFL frequency reflects the influence of thermoregulation mechanisms, RAA system and humoral factors [11]. Despite dysfunctions of the particular elements of the autonomic nervous system, it remains in dynamic Tabela 4. Porównanie warto ci osób badanych do warto ci referencyjnych Table 4. Comparison of the values obtained by the examined with referential values Parametr Parameter Warto ci referencyjne Referencial values Warto ci osób niepe nosprawnych Values obtained by the disabled Moc ca kowita [ms 2 ] Total force [ms 2] LF [ms 2 ] HF [ms 2 ] LF [nu] HF [nu] LF/HF [ms 2 ] 3466 ± ± ± ± 4 29 ± 3 1,5-2, ± 1261,05 630,4 ± 592,8 300,3 ± 359,8 60,85 ± 17,6 39,15 ± 17,6 2,

5 Katarzyna Piesiewicz, Anna urowska, Zbigniew Jethon, Eugeniusz Bolach Charakterystyka funkcjonowania autonomicznego uk adu nerwowego u osób po uszkodzeniu rdzenia kr gowego Fizjoterapia 2009, 17, 2 dynie w pomiarach d ugotrwa ych [10]. Przyjmuje si, e cz stotliwo VLF jest wyrazem dzia ania mechanizmów termoregulacyjnych, uk adu RAA i wp ywu czynników humoralnych [11]. Pomimo zaburze w funkcjonowaniu poszczególnych sk adowych autonomicznego uk adu nerwowego jako funkcjonalna ca o pozostaje on w stanie równowagi dynamicznej, czego wyrazem jest wska nik LF/HF. Jego rednia warto w badanej grupie nieznacznie przekracza zakres referencyjny. Wp yw na wysok warto redni mog y mie bardzo wysokie wyniki 3 spo ród 10 przebadanych osób (tab. 3). balance as a functional whole what is reflected by LF/HF indexes. Its mean value in the examined group slightly exceeds referential range. The high mean value might have been caused by very high results in three out of ten of the examined patients (Tab. 3). Pi miennictwo References [1] Baycroft J. i wsp. Autonomic dysreflexia: a medical emergency. Postgrad. Med., 2005, 81, [2] Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology. Heart rate variability: standards of measurement, physiological interpretation and clinical use. Circulation, 1996, 93, [3] Lopes P., White J. Heart rate variability: measurements methods and practical implications [w:] P. J. Maud, C. Foster (red.) Physiological assessment of human fit- ness, Human Kinetics, 2006, USA. [4] Claydon V. E., Krassioukov A.V. Clinical correlates of frequency analyzes of cardiovascular control after spinal cord injury. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol., 2007, 294, H668-H678. [5] Ditor i wsp. Effects of body weight-supported treadmill training on heart rate variability and blood pressure variability in individuals with spinal cord injury. J. Appl. Physiol., 2005, 98, [6] Wecht i wsp. Cardiac autonomic responses to progressive head-up tilt in individuals with paraplegia. Clin. Auton. Res., 2003, 13, [7] Grimm D. R., De Meersman R. E., Almenoff P. L., Spungen A. M., Bauman W. A. Sympathovagal balance of the heart in subjects with spinal cord injury. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol., 1997, 272, H835-H842. [8] Takahashi M. i wsp. Control of heart rate variability by cardiac parasympathetic nerve activity during voluntary static exercise in humans with tetraplegia. J. Appl. Physiol., 2007, 103, [9] George B. J. Cardiovascular reactivity after spinal cord injury. Dost pny w interenecie na [10] Clifford G. D. Signal processing methods for heart rate variability analysis. Thesis for the degree of doctor of philosophy. Dost pny w internecie na edu/~gari/www/papers/gdcliffordthesis.pdf, [11] Cerrutti S., BIanchi A. M., Meinardi L. T., Spectral analysis of heart rate variability signal, [w:] M. Malik, A. J. Camm (red.) Heart rate variability. Armonk, N. Y. Futura Pub. Co.Inc., 1995, Adres do korespondencji: Address for correspondence: Anna urowska Wydzia Fizjoterapii AWF al. I. J. Paderewskiego Wroc aw Wp yn o/submitted: IV 2009 Zatwierdzono/Accepted: VI