Zmienność rytmu serca - wprowadzenie

Zmienność rytmu serca - wprowadzenie Prof. Danuta Makowiec Instytut Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Gdańsk, 8 kwietnia 2015 Praca serca podwójna pompa Richard Klabunde Powrót żylny (Venus Return) Rzut serca (Cardiac Output) = objętość wyrzutowa (stroke volume) * ilość uderzeń na minutę (heart rate) http://www.cvphysiology.com/ Seminarium Hard Heart 2015-04-08 2 1

Praca serca EKG Seminarium Hard Heart 2015-04-08 3 Praca serca oscylator fazowy Model komórkowy SAN A V S A P N 2 ( t) t 0 T 0 sinus node as a pure oscillator sinus node phase 800 600 400 200 d ( t) 1 dt T 0 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 time [msec] Seminarium Hard Heart 2015-04-08 4 2

Sterowanie serca mechanizm Franka-Starlinga Zdolność serca do zmiany siły skurczu, a tym samym objętości wyrzutowej w odpowiedzi na zmianę w powrocie żylnym. Otto Frank Ernest Starling Zwiększony powrót żylny zwiększa wypełnienie komór (preload) co wywołuje większe rozciągnięcie komórek miocytowych serca, co dalej implikuje zwiększoną siłę skurczu, i w konsekwencji zwiększony rzut serca Seminarium Hard Heart 2015-04-08 5 Sterowanie: wpływ wysiłku wpływ oddechu Pompa mięśniowa: skurcz mięśni przepycha krew w żyłach w jednym kierunku Seminarium Hard Heart 2015-04-08 6 3

Sterowanie : Autonomiczny układ nerwowy ANS Podsumowanie anatomicznej charakterystyki części sympatycznej Sympathetic CNS PNS Preganglionic neuron Preganglionic neuron Parasympathetic CNS PNS Podsumowanie anatomicznej charakterystyki części parasympatycznej Preganglionic fiber Preganglionic fiber Adrenal medulla or Sympathetic ganglion Ganglionic neurons Ganglionic neurons Bloodstream Postganglionic fiber KEY Neurotransmitters Postganglionic fiber Parasympathetic ganglion TARGET Acetylcholne Norepinephrine Epinephrine TARGET Seminarium Hard Heart Figure 14.5 2 3 2015-04-08 7 2011 Pearson Education. Inc Kontrola pompy przez autonomiczny układ nerwowy Seminarium Hard Heart 2015-04-08 8 4

Odruch krótki A short reflex, which bypasses the CNS and involves sensory neurons and interneurons whose cell bodies are located within autonomic ganglia Stimulus Receptors in peripheral tissue Afferent (sensory) fibers Short reflex Autonomic ganglion Response Peripheral effector Ganglionic neuron Seminarium Hard Heart Figure 14.7 2015-04-08 9 2011 Pearson Education. Inc Odruch długi A long reflex, which is the autonomic equivalent of a polysynaptic reflex Central nervous system Stimulus Receptors in peripheral tissue Long reflex Response Peripheral effector Autonomic ganglion Preganglionic neuron Processing center in spinal cord (or brain) Seminarium Hard Heart Figure 14.7 2015-04-08 10 2011 Pearson Education. Inc 5

Odruch baroreceptorowy baroreflex medulla Figure by Poul-Erik Paulev http://nursingpharmacology.info/autonomics/introduction/introobj1.htm Seminarium Hard Heart 2015-04-08 11 11 Podsumowanie: czynniki kształtujące objętość wyrzutową Seminarium Hard Heart 2015-04-08 12 6

Podsumowanie: czynniki kształtujące rzut serca Seminarium Hard Heart 2015-04-08 13 Podsumowanie: pętla baroreceptorowa Seminarium Hard Heart 2015-04-08 14 7

Standardy R R R R R R R RR(i) Rytm serca Rytm ciśnienia krwi DBP SBP wdech wydech Rytm oddechu Seminarium Hard Heart 2015-04-08 15 Rytm zatokowy sinus rhythm Seminarium Hard Heart 2015-04-08 16 8

Rytm serca HR: heart rate SAN posiada własny wewnętrzny rytm depolaryzacji intrinsic heart rate Rytm wewnętrzny SAN ustala się pod nieobecność ANS, co osiąga się poprzez denerwację albo farmakologiczną blokadę U zdrowego człowieka jest to w przybliżeniu 100 impulsów/minutę, ale wartość ta zależy od wieku i płci. Ponadto osoby długotrwale intensywnie trenujące mogą mieć niższy wewnętrzny rytm SAN. Trzeba pamiętać, że na wewnętrzny rytm SAN mają też wpływ hipoksja, wysiłek czy temperatura Efektem działania ANS jest aktualny rytm serca. Aktywizacja układu parasympatyczny spowalnia rytm. Efekt ten jest osiągany poprzez uwolnienie acetylcholiny z eferentnych (outputowych) zakończeń nerwu błędnego. Aktywizacja układu sympatycznego przyśpiesza rytm dwiema drogami, poprzez (1) poziom adrenaliny krążącej we krwi oraz (2) uwolnienie noradrenaliny z zakończeń nerwów układu sympatycznego. Łącznie wpływy te przyjęło się opisywać formułą: (model Rosenblueth-Simeone, 1934) HR=m*n*HR 0 m wpływ sympatyczny na SAN (toniczny), m > 1 n wpływ parasympatyczny na SAN (toniczny), n < 1 beats per minute 60 HRi RR Seminarium Hard Heart 2015-04-08 17 i Rytm serca (HR: heart rate) Dodatkowo oddziaływanie pomiędzy układami sympatycznym i parasympatycznym ustala wartości efektu (ten sam poziom aktywności wagalnej oznacza inny efekt w obecności stymulacji sympatycznej) Zatem HR to prosta miara aktywności ANS. Jeśli jest stymulacja sympatyczna (niezależnie od rodzaju stymulacji) to HR rośnie. Jeśli układ parasympatyczny jest zablokowany to HR rośnie Jeśli układ parasympatyczny jest stymulowany to HR maleje beats per minute At rest, both ANS Increased divisions are active vagal at low levels, but stimulation parasympathetic lowers the effects predominate. heart rate. Vagal inhibition or sympathetic stimulation increases the heart rate. The balance between these factors can be precisely adjusted. Increased sympathetic stimulation combined with vagal inhibition results in an increase in heart rate to maximum levels. HR i 60 RR i Seminarium Hard Heart Figure 14.6 2015-04-08 18 2011 Pearson Education. Inc The effects of both autonomic divisions on the heart, which receives dual innervation 9

Rytm serca HR: heart rate U zdrowych przebadano różnorodne warunki stymulacji autonomicznej: test pochyleniowy, wysiłek, wlew epinefryny (adrenaliny), wlew isoproterenolu (pochodna adrenaliny), wlew phenylephrine (fenyloefryna - pochodna epinefryny) blokada parasympatyczna poprzez atropinę. Zawsze HR odpowiadał zgodnie z oczekiwaniem u wszystkich osób. Ograniczenia HR: opisuje totalny wynik aktywności ANS a nie stymulacje, a nie stymulacje sympatyczną czy parasympatyczną. Informuje o względnych efektach tonów ANS w danym stanie a nie o modulacji i aktywności odruchów HR >75 skurczów/min to 4 razy większe ryzyko SCD niż u tych z HR <60 skurczów/min ( 23-letni follow-up) Jouven X, Empana J, Schwartz P, Desnos M, Courbon D, Ducimetiere P. Heart-rate profile during exercise as a predictor of sudden death. N Engl J Med 2005;352:1951 8. Seminarium Hard Heart 2015-04-08 19 Zmienność rytmu serca HRV: heart rate variability Zmiennością rytmu serca nazywamy zmiany odstępu czasowego pomiędzy kolejnymi skurczami serca. HRV indeksy Dziedzina czasowa Dziedzina częstotliwościowa Indeksy nieliniowe SDNN mrr5 SDANN RMSDD, pnn50 HRV_ti, TINN PSD ULF, VLF,LF and HF, LF/HF of 1/f^ of DFA H of fractality (h,d(h)) of multifractals Poincare plots entropy Trzeba podkreślić, że żadna z klasycznych metod nie okazała się lepsza od innych nie istnieje żaden złoty standard dla HRV; raczej są to metody pomocnicze. ale HRV jest istotnie zmieniony po zastosowaniu blokady układu parasympatycznego Seminarium Hard Heart 2015-04-08 20 10

Zmienność rytmu serca: standardy HRV Seminarium Hard Heart 2015-04-08 21 Dziedzina czasowa HRV Seminarium Hard Heart 2015-04-08 22 11

dziedzina częstotliwościowa HRV β Seminarium Hard Heart 2015-04-08 23 dziedzina częstotliwościowa HRV Seminarium Hard Heart 2015-04-08 24 12

Zmienność rytmu serca: dlaczego niewiarygodne? Błędy w rejestracji sygnału, niewykryte normalne skurcze: outliers Seminarium Hard Heart 2015-04-08 25 Zmienność rytmu serca: dlaczego niewiarygodne? Delete non-physiologic intervals (e.g., <0.4 or >2.0 sec) Select a window size of 2N+1 (e.g. 41) data points Average the N data points on either side of the central point Exclude central point if it lies some fixed fraction (e.g. 20%) outside of window average Advance to next data point Variations Use window median rather than mean Calculate the standard deviation of data in window and reject central point if it lies outside 3 standard deviations HRV 2006: Joseph E. Mietus Seminarium Hard Heart 2015-04-08 26 13

Zmienność rytmu serca: dlaczego niewiarygodne? Dane zebrane z nagrania 24- godzinnego Measurement Filtered Unfiltered %Change mrr (msec) 920.9 961.7 4% SDNN (msec) 134.6 1090.1 710% SDANN (msec) 119.1 241.6 103% SDNNIDX (msec) 61.7 503.7 716% rmssd (msec) 25.6 1539.8 5907% pnn20 (%) 39.2 40.3 3% pnn50 (%) 5.0 6.7 35% TOTPWR (msec2) 22430.4 916873.0 3988% ULF PWR (msec2) 14989.5 16255.8 8% VLF PWR (msec2) 4740.5 84665.3 1686% LF PWR (msec2) 2092.3 249524.0 11826% HF PWR (msec2) 608.0 566427.0 93058% LH/HF ratio 3.4 0.4-87% HRV 2006: Joseph E. Mietus Seminarium Hard Heart 2015-04-08 27 Nasza metoda edycji sygnału RR 2% błędów wstawiono losowo do dobrych nagrań Kasowanie artefakatów i pobudzeń innych niż zatokowe. D.Wejer et al. Acta Phys. Pol. B 45(11), 2103 (2014) Mediana z ostatnich dobrych siedmiu pobudzeń Wstawienie losowo wybranej wartości spośród otaczających dobrych pobudzeń Powtórzenie wartości pobudzenia z odnalezionej podobnej sytuacji. Seminarium Hard Heart 2015-04-08 28 14

Nasza metoda edycji sygnału RR Ogólne zasady przygotowania danych z Holtera do obliczeń: (protokół z 22 lipca 2014) Sprawdzenie jakości nagrania: bezwzględna ilość zaburzeń zapisu rytmu normalnego (artefaktów i pobudzeń innych niż normalne) w analizowanych godzinach ma być większa niż 95 % Badany okres edytujemy następująco: izolowane artefakty polegające na mylnej interpretacji załamka T jako załamka R (czego wynikiem jest pojawienie się dwóch kolejnych interwałów RR : artefaktu i pobudzenia normalnego, oba dużo krótsze niż pozostałe interwały RR z otoczenia zaburzenia) jest zastępowany 1 interwałem RR - sumą obu opisanych interwałów krótkich. izolowane zaburzenie inne niż powyższe, o długości nie większej niż 5, jest zastępowane medianą wyznaczoną z siedmiu poprzedzających bezpośrednio niezaburzonych NN (każdy artefakt i pierwszy N po zaburzeniu jest zastępowany medianą) zaburzenia inne kończą sekwencję składową; w sekwencji pozostaje adnotacja o zaistniałej nieciągłości zapisu. Z wyżej opisanych sekwencji składowych konstruowany jest jeden sygnał. Do dalszych badań kwalifikowane były tylko te sygnały, które zbudowane były z co najwyżej 5 sekwencji składowych. Seminarium Hard Heart 2015-04-08 29 Seminarium Hard Heart 2015-04-08 30 15

Zmienność rytmu serca HRV Miary częstotliwościowe wykorzystują analizę spektralną sekwencji RR. Dostarczają informacji jak moc zmian rytmu jest rozłożona w funkcji częstotliwości. SDNN jest skorelowane z mocą całkowitą, rmssd, pnn50 koreluja się z mocą HF Chociaż zależności pomiędzy wpływem sympatycznym i parasympatycznym są różne w każdym z zakresów HF, LF, i VLF, to wydaje się, że parasympatyczne efekty są istotne we wszystkich zakresach. RSA to odbicie parasympatycznego efektu na SAN. Składowa HF pokrywa się z częstością oddechową. Parasympatyczna blokada przez atropine skutkuje 90% zmniejszeniem widma. Beta- adrenergiczna blokada przez propanol nie wpływa znacząco na widmo HF. Atropina redukuje także LF ( fluktuacje wagalne w HR prowokowane przez zmiany ciśnienia krwi modulowane aktywnością sympatyczną są blokowane) i VLF (redukcja nawet o 92%, ale dlaczego tylko spekulacje). Chciałoby się, by każdy zakres opisywał inną gałąź ANS bowiem: impulsy nerwu błędnego mają efekt maksymalny na HR już po 0.6 s, a powrót do rytmu podstawowego jest w ciągu 1 s. impulsy sympatyczne nie mają efektu wcześniej niż po 1 s, efekt maksymalny jest po 4 s, a powrót do baseline jest po 20 s. Zarówno sercowa jak i obwodowa odpowiedź ma podobne opóźnienia. Seminarium Hard Heart 2015-04-08 31 Zmienność rytmu serca HRV Tak krótkie opóźnienie w odpowiedzi wagalnej pozwala na obecność jej we wszystkich zakresach od 0 do 0.5Hz. Układ sympatyczny może jedynie modulować do 0.15 Hz. Aktywność nerwu sympatycznego oscyluje z okresem średnio 10s co jest wystarczającym czasem, aby mięśnie gładkie i SAN odpowiedziały na uwolnienie norepinephriny i odpowiednio zmieniły HR i ciśnienie. Oscylacje 10 s odpowiadają LF. Dlatego też LF używa się jako indeks modulacji sympatycznej HR a stosunek LF do HF jako miarę równowagi sympatowagalnej. Test pochyleniowy, przy którym wzrasta i dominuje ton sympatyczny wskutek bezpośredniej stymulacji, charakteryzuje wzrost LF oraz LF/HF i zmniejszenie się indeksów czasowych HRV. Beta-blokady osłabiają opisane zmiany. W ogólności relacja pomiędzy zakresami częstotliwościowymi a tonami sympatycznym i parasympatycznym nie jest tak oczywista. Na przykład: Różne metody aktywacji beta-adrenergicznej ( wysiłek, test pochyleniowy, wlew katecholamin) skutkują rozbieżnymi zmianami w widmie sygnału a miały być związane z LF Częściowa blokada parasympatyczna łączna z barorefleksowym wycofaniem sympatycznej odpowiedzi prowadzi do osłabienia HF ale tylko do pewnego stopnia. Zademonstrowano 10-cio krotną różnicę w mocy HF, gdy rytm oddechu zmieniał się od 24 do 6 oddechów na minutę mimo, że HR był podobny. Wzrost aktywności wagalnej poprzez baroreflex (phenylephrine) może doprowadzić do zmniejszenia zarówno HF jak i indeksów czasowych Seminarium Hard Heart 2015-04-08 32 16

Zmienność rytmu serca HRV Wykorzystując baroreflex do zwiększania i obniżania wagalnego tonu pokazano, że HRV początkowo wzrasta przy wzroście stymulacji parasympatycznej dopóki nie osiągnie plateau. Potem, dalsze wzrosty aktywności parasympatycznej okazują się zmniejszać HRV. Duże zmiany osobnicze przy obserwacji tego zjawiska zauważono. Zatem HRV powinna być rozważana jako technika, która charakteryzuje modulacje tonu autonomicznego. Chociaż jest związek pomiędzy modulacja tonu a efektem samego tonu to relacja ta jest bardzo złożona i zindywidualizowana. Seminarium Hard Heart 2015-04-08 33 Zmienność rytmu serca HRV: heart rate variability Seminarium Hard Heart 2015-04-08 34 17

Dynamika zmian interwałów RR w czasie snu w zależności od wieku T =P(Δ J Δ I ) Seminarium Hard Heart 2015-04-08 35 18