Variabilita oběhových parametrů Oběhový parametr •variabilita – proměnlivost •oběhový parametr (kardiovaskulární) •snáze měřitelné •EKG: RR interval, okamžitá srdeční frekvence (1/RR) •Krevní tlak: systolický (SBP), diastolický (DBP), střední (MAP), pulzový (PP) •špatně měřitelné přímo (bioimpedance), někdy dopočitatelné nepřímo (Windkessel model) •systolický objem (SV), minutový výdej (CO), periferní rezistence (TPR) •hodně špatně měřitelné (invazivně, katetrizací) •tlaky a průtoky v různých částech cévního řečiště Časová řada (signál) oběhového parametru Tep po tepu (např. 5 min dlouhý záznam) •RR interval: 805, 820, 815, 817, 822, 816,….. ms •Okamžitá srdeční frekvence: 70, 73, 68, 65, 67, 71,….. bpm •Systolický tlak: 115, 117, 120, 116, 121, 119,….. mmHg 700 800 900 110 120 130 20 40 60 80 100 120 s RR interval R EKG STK krevní tlak DTK Časová řada (signál) oběhového parametru Každých např. 15 minut •24-hodinové měření krevního tlaku, EKG Holter 8 9 11 10 12 13 14 16 15 17 18 19 21 20 22 23 24 2 1 3 4 5 7 6 120 140 100 80 60 [mmHg] STK DTK srdeční frekvence bdělý stav spánek krevní tlak hod Stanovení variability oběhových dat – proč? •kardiovaskulární systém je řízený pomocí negatovních zpětných vazeb •zpětnovazební regulace vytváří oscilace v systému – čím delší je zpětnovazební okruh, tím pomalejší oscilace •analýza oscilací podává informaci o aktivitě regulačních mechanismů (a to i když neznáme přesný mechanismus fungování systému – blackbox – ani všechny vstupní proměnné) Systém B Signál 2 Signál 1 Systém A zpětná vazba Stručný úvod do teorie systémů Stručný úvod do teorie systémů MATICE !!! POLYNOMY!!! poly…. Co?! Stručný úvod do teorie biologických systémů •Biologické systémy jsou komplexní – vstup do systému není vždy jeden, nastavení systému (a tím i výstup) se může měnit •Systém transformuje jeden signál na druhý – vstupního a výstupního signálu můžeme pochopit systém •šum: další vstup do systému – nezajímá nás a/nebo neznáme jeho původ Systém B Signál 2 Signál 1 Systém A zpětná vazba další zdroje oscilací (šum) další zdroje oscilací (šum) Jak vznikají oscilace? Systém B Signál 2 Signál 1 Systém A zpětná vazba výkyv přenesený výkyv zpoždění systému B perioda oscilace – daná délkou zpětné vazby frekvence oscilace = 1/perioda → frekvenční (spektrální) analýza podává informaci o systému Jak vznikají oscilace? Referenční hodnota Regulační systém zpětná vazba Rezonance vzniklá nedokonalostí zpětnovazebné regulace Zpětnovazební systém - baroreflex srdce signál: srdeční frekvence arterie signál: krevní tlak odporové arterie signál: periferní rezistence CNS: vazomotorické centrum CNS: kardiomotorické centrum Sympatické dráhy Parasympatické dráhy Metody stanovení variability jednoho signálu Metody časové domény Metody frekvenční domény (spektra) Statistické metody (Směrodatné odchylky a z nich odvozené parametry) Geometrické metody Nelineární metody (index ireverzibility, podmíněná entropie, symbolická analýza…) Statistické metody Průměr24-h ± SD24-h SD24-h vypočítaná ze všech RR-intervalů za 24 hodin SD24-h vypočítaná ze všech NN-intervalů za 24 hodin (NN=normální) Prům5 min ± SD5 min Prům5 min ± SD5 min Prům5 min ± SD5 min Prům5 min ± SD5 min …… SD vypočítaná ze všech Prům5 min SD vypočítaná ze všech SD5 min (variace na téma směrodatná odchylka) Geometrické metody 840 828 760 756 808 856 768 780 808 756 708 728 756 732 708 x y x y x y x y x y RR (ms) Geometrické metody 7B073CE Metody frekvenční domény - spektrální analýza Spektrum Signál ve frekvenční doméně Časová řada Signál v časové doméně Rozložení signálu na jednotlivé vlnové délky (případně frekvence) čas (s) 50 40 30 20 0 10 0.5 0.4 0.3 0.2 0 0.1 frekvence (Hz) Metody frekvenční domény - spektrální analýza Spektrum Signál ve frekvenční doméně Časová řada Signál v časové doméně Rozložení signálu na jednotlivé frekvence čas (s) 50 40 30 20 0 10 0.5 0.4 0.3 0.2 0 0.1 frekvence (Hz) MATLAB Handle Graphics čas (s) frekvence (Hz) T=50 s a=0.5 perioda T amplituda a frequency f = 1/T f = 1/50 = 0.02 Hz 0.5 MATLAB Handle Graphics Spektrum Frekvenční doména Časová doména Jak se tvoří spektrum MATLAB Handle Graphics T=50 s T=10 s a=0.5 a=0.2 perioda T amplituda a frekvence f = 1/T f = 1/10 = 0.1 Hz f = 1/50 = 0.02 Hz 0.5 0.2 MATLAB Handle Graphics Spektrum Frekvenční doména Časová doména čas (s) frekvence (Hz) Jak se tvoří spektrum MATLAB Handle Graphics T=50 s T=10 s T=3 s a=0.5 a=0.3 a=0.2 perioda T amplituda a frekvence f = 1/T f = 1/3 = 0.33 Hz f = 1/10 = 0.1 Hz f = 1/50 = 0.02 Hz 0.5 0.2 0.3 MATLAB Handle Graphics Spektrum Frekvenční doména Časová doména čas (s) frekvence (Hz) Jak se tvoří spektrum čas (s) frekvence (Hz) T=50 s T=10 s T=3 s a=0.5 a=0.3 a=0.2 perioda T amplituda a frekvence f = 1/T f = 1/3 = 0.33 Hz f = 1/10 = 0.1 Hz f = 1/50 = 0.02 Hz 0.5 0.2 0.3 + + = + + = 0.5 0.2 0.3 0.33 0.02 0.1 f = 0,02 Hz f = 0,1 Hz f = 0,33 Hz Spektrum Frekvenční doména Časová doména Jak se tvoří spektrum Variabilita krevního tlaku Signál: 5 minutová časová řada systolických tlaků tep po tepu Ludwig (1847), Einbrodt (1860) Traube (1865), Hering (1869), Mayer (1876) nevidíme ve spektru Frekvence (Hz) 0.5 0.4 0.3 0 0.1 0.2 0 0,04 0,08 0,12 Variabilita srdeční frekvence Signál: 5 minutová časová řada RR intervalů měřených tep po tepu Frekvence (Hz) čas 0.5 0.4 0.3 0 0.1 0.2 0 100 200 300 Spektrum srdeční frekvence a RR intervalů je téměř identické. Z hlediska spektrální analýzy (téměř) nezáleží na použití signálu RR intervalů nebo srdeční frekvence. Intermezzo: Podoba spekter Amplitudové (absolutní) spektrum 0.5 0.4 0.3 0.2 0 0.1 frekvence (Hz) 0.5 0.4 0.3 0.2 0 0.1 frekvence (Hz) 0.5 0.4 0.3 0.2 0 0.1 frekvence (Hz) Výkonové spektrum Normalizované (relativní) spektrum Příklad: spektra RR intervalů amplituda spektra by měla odpovídat amplitudě oscilace příslušné frekvence = směrodatná odchylka signálu druhá mocnina amplitudového spektra, plocha pod křivkou = rozptyl plocha pod křivkou = 1, znázorňuje relativní zastoupení jednotlivých frekvencí 400 20 0.25 Spektra RR intervalů a systolického tlaku 0.5 0.4 0.3 0 0.1 0.2 0 0,04 0,08 0,12 0 0,0 0,2 frekvence (Hz) Arteriální krevní tlak Celkový periferní odpor Srdeční frekvence Systolický objem = * * medulla n. vagus sympatické nervy mícha sensorická parasymp. vlákna Baroreflex Baroreflex srdce signál: srdeční frekvence arterie signál: krevní tlak odporové arterie signál: periferní rezistence CNS: vazomotorické centrum CNS: kardiomotorické centrum Příklad: baroreflex periferní (cévní, sympatická) větev baroreflexu srdeční (parasympatická) větev baroreflexu Baroreflex srdce signál: srdeční frekvence arterie signál: krevní tlak odporové arterie signál: periferní rezistence CNS: vazomotorické centrum CNS: kardiomotorické centrum Příklad: baroreflex Fyziologický význam – frekvenční pásma vysokých frekvencí (HF) Změny tlaku v hrudníku během dýchání propagující se do krevního tlaku velmi nízkých frekvencí (VLF) nízkých frekvencí (LF) Pomalé hormonální změny, RAS, termoregulace, kolísání cévního tonu… Respirační sinusová arytmie baroreflex Pásmo: baroreflex 0.5 0.4 0.3 0 0.1 0.2 0 0,04 0,08 0,12 0 0,0 0,2 Zdroj variability: dýchání Zdroj variability : vysokých frekvencí (HF) velmi nízkých frekvencí (VLF) nízkých frekvencí (LF) baroreflex Pásmo: baroreflex 0.5 0.4 0.3 0 0.1 0.2 0 0,04 0,08 0,12 0 0,0 0,2 Respirační sinusová arytmie parasympathicus Zpoždění < 1 s Zpoždění > 6 s Pomalé oscilace Rychlé oscilace vysokých frekvencí (HF) velmi nízkých frekvencí (VLF) nízkých frekvencí (LF) Pásmo: 0.5 0.4 0.3 0 0.1 0.2 0 0,04 0,08 0,12 0 0,0 0,2 CNS (n. vagus) parasympathicus Zpoždění < 1 s Zpoždění > 6 s Pomalé oscilace Rychlé oscilace Změny tlaku v hrudníku kolísání TPR (sympatikus) Signál krevního tlaku (270 s) Čas (s) Sed, řízené dýchání Stoj, řízené dýchání Meyerovy vlny (10 s rytmus) dýchání sekvence STK, DTK a tepových intervalů Čas (s) Sed, řízené dýchání Stoj, řízené dýchání Spektra STK a tepových intervalů Sed, řízené dýchání Stoj, řízené dýchání 0,1 Hz sympatikus frekvence dýchání parasympatikus ↓sympatikus, ↑parasympatikus ↑sympatikus, ↓parasympatikus frekvence (Hz) Koherence a BRS frekvence (Hz) Sed, řízené dýchání Stoj, řízené dýchání 0,1 Hz baroreflex frekvence dýchání Koherence: synchronizace mezi signály (korelace pro každou frekvenci) Změny variability: ortostatická zátěž http://jap.physiology.org/content/jap/99/5/1728/F1.large.jpg srdeční frekvence systolický tlak leh stoj frekvence ↓HF-HR ↑LF-HR ↑LF-SBP Ortostatická zátěž: •Zvýšení aktivity sympatiku → zvýšení variability HR a SBP nízkých frekvencí (LF) •Snížení aktivity parasympatiku → pokles variability HR na dechových frekvencích (HF) HODNOCENÍ FUNKCE ANS Sympato-vagální poměr: LF-HR/HF-HR Změny variability srdeční frekvence (HRV) Variabilita ve frekvenčním pásmu HF klesá při jakékoliv stresové situaci (↑sympatikus) •Fyziologické – sport, mentální stres •Patologické – diabetes, srdeční selhání •Transplantované srdce •Jeden z prediktorů náhlé srdeční smrti srdce signál: RR intervaly arterie signál: systolický tlak (SBP) CNS: kardiomotorické centrum Aferentní nervové dráhy Eferentní nervové dráhy RR → SBP Baroreflexní směr přenosu variability SBP → RR Nebaroreflexní směr přenosu variability Hodnocení funkce srdeční větve baroreflexu •SBP a RR se vzájemně ovlivňují prostřednictvím baroreflexu → funkci baroreflexu lze odhadnout na základě analýzy vzájemné interakce obou signálů •Základní (někteří klinici o něm slyšeli) parametr: •citlivost baroreflexu (BRS, baroreflex sensitivity) •Další parametry (často lepší, ale pro klinika moc matematiky) •Koherence (spektrální) •Efektivita baroreflexu (v časové oblasti) •Symbolická analýza (nelineární metoda) •Indexy kauzality (nelineární, podmíněná entropie) •Kauzální koherence (spektrální) •Vyhodnocení zpoždění mezi RR a SBP •….atd. (ala matematici se nudili) Hodnocení funkce srdeční větve baroreflexu Citlivost baroreflexu (BRS) BRS: změna délky srdečního cyklu vyvolaná změnou SBP o 1 mmHg [ms/mmHg] BRSf: změna srdeční frekvence vyvolaná změnou SBP o 1 mmHg [mHz/mmHg] 700 800 900 110 120 130 20 40 60 80 100 120 s RR interval BRS: sklon regresní přímky SBP R EKG BRSf: sklon regresní přímky SBP SPB krevní tlak DBP Vyšetření funkce srdeční větvě baroreflexu na základě vztahu SBP a srdeční frekvence (intervalů) Laboratorní metody: - aplikace phenylephrinu (standardní) - neck suction - Valsalvův manévr Spontánní metody: v časové doméně: sekvenční analýza ve spektrální doméně: vzájemná spektrální analýza, a-index E7C22FD0 Citlivost baroreflexu - výpočet Citlivost baroreflexu – metoda neck suction Furlan R et al. Circulation 2003;108:717-723 Stimulace karotických baroreceptorů přetlakem nebo pod tlakem se současným záznamem RR Valsalvův manévr msoDBE03 IV fáze manévru : uvolnění nitrohrudního tlaku → zvýšení žilního návratu →zvýšení krevního tlaku → (baroreflex) → prodlužování RR Sekvenční metoda v časové doméně Hledání sekvencí vzestupu SBP následovaných prodlužováním RR a výpočet jejich průměrného sklonu RR [ms] SBP [mmHg] 0.5 0.4 0.3 0 0.1 0.2 0 0,04 0,08 0,12 0 0,0 0,2 Spektrální metoda výpočtu BRS: Změna RR vyvolaná změnou STK o 1 mmHg [ms/mmHg] •Změna RR – amplituda RR ve spektru RR •Změna SBP – amplituda SBP ve spektru SBP •→ stačí podělit spektra → alfa index •Problém – ne každá oscilace v RR má původ ve změnách SBP (zdrojem často není baroreflex) Spektrální metoda výpočtu krosspektrum (vzájemné spektrum) RR a SBP: •Spektrum obsahující jen ty frekvence, které se vyskytují v obou signálech RR a SBP současně •Výhoda – lze vybírat frekvenční pásmo 0.5 0.4 0.3 0 0.1 0.2 LF BRS 0.5 0.4 0.3 0 0.1 0.2 0 4 8 12 Citlivost baroreflexu – jiné znázornění Krevní tlak Srdeční frekvence gain (BRS) baroreflex Citlivost baroreflexu – fyziologický význam •cíl baroreflexu – regulace změn BP prostřednictvím změn RR a TPR •srdeční větev baroreflexu je zprostředkována vagem → BRS je vyšší při vyšší aktivitě vagu a snížená pří vyšším aktivitě sympatiku → BRS je snížená ve stresových stavech fyziologických i patologických → BRS je závislá na délce RR intervalu – kratší RR – nižší BRS • •dlouhodobě snížená BRS je odrazem poruchy regulace krevního tlaku – představuje zvýšené kardiovaskulární riziko normální BRS STK STK snížená BRS Příčiny snížené BRS •Fyziologicky •psychický stres – zvýšená sympatická aktivita •fyzická zátěž – zvýšená sympatická aktivita •Ve vyšším věku • •Patologicky •hypertenze – snížená citlivost baroreceptorů (ateroskleróza, ztuhlá stěna arterií) •diabetes – diagnostika neuropatie (porucha ANS) •Chronická deprese (neurogenní) •srdeční selhání – srdce jako orgán neodpovídá •Transplantované srdce - denervace •infarkt myokardu – srdce jako orgán neodpovídá Spektrální metoda výpočtu - koherence Koherence (analogie korelace) •popisuje jakousi míru synchronycity mezi signály •koherence = 1 → oba signály obsahují totožnou oscilaci na dané frekvenci (jsou na dané frekvenci plně synchronizované) •koherence = 0 → signály spolu nemají žádný vztah • LF koherence 0.5 0.4 0.3 0 0.1 0.2 0 0,5 1 Koherence - fyziologický význam Snížená koherence je znakem poruchy funkce baroreflexu – nervové dráhy nepřenáší informaci z SBP do RR •Koherence se zvyšuje během ortostatické zátěže, kdy baroreflex aktivní (Snížená koherence během ortostatické zátěže předchází synkopě) •Dostatečná koherence je podmínkou validity BRS •Je citlivá na poruchu regulace tam, kde BRS není (není tak závislá na RR intervalu jako BRS) •Snížená koherence je znakem baroreflexní desynchronizace, rozpojení regulační smyčky LF koherence 0.5 0.4 0.3 0 0.1 0.2 0 0,5 1 Koherence během ortostatické zátěže Krevní tlak Srdeční frekvence baroreflex šum šum Krevní tlak Srdeční frekvence baroreflex Variabilita srdeční frekvence je vysoká, ale jen málo z variability je dáno baroreflexem – nízký přenos informace baroreflexem - nízká koherence Variabilita srdeční frekvence je nízká, ale z většiny dána baroreflexem – zvýšený přenos informace baroreflexem - vysoká koherence („baroreflex musí pracovat a srdce nemá čas na hlouposti, tzn. šum“) Nevýhody všech těchto metod •Rytmus musí být sinusový, bez extrasystol (což je u starších problém) •Záznam musí být dostatečně dlouhý (beat-to-beat signál alespoň 5 minut dlouhý) •V případě analýzy funkce baroreflexu je hodnocena jen srdeční větev, chybí informace o variabilitě periferní rezistence •Zanedbání kauzality baroreflexního a nebaroreflexního přenosu variability •Stacionarita signálu (1) Co si pamatovat? •Variabilita oběhových rytmů podává informaci o regulaci kardiovaskulárního systému •Hodnocené parametry (časové řady): •Nejčastěji hodnocený: beat-to-beat srdeční frekvence (nebo RR intervaly) – snadné měření (EKG) •Druhý často hodnocený: sekvence systolického tlaku (lehce těžší měření, Peňázova metoda) •Hlavní metody hodnocení variability jednoho signálu •Variace na směrodatné odchylky (někdy se v klinice i používají a některé přístroje je mají implementované) •Spektrální analýza •Hlavní metody hodnocení vztahu dvou signálů •Citlivost baroreflexu (definice: změna RR vyvolaná změnou SBP o 1 mmHg) •variabilita srdeční frekvence (HRV) – hodnocení ANS •Vysoká – dobrá regulace KVS •Nízká – zvýšené kardiovaskulární riziko •Variabilita krevního tlaku •Nízká – dobrá regulace KVS •Vysoká – zvýšené kardiovaskulární riziko •Citlivost baroreflexu (BRS) •Dostatečná (> 4 mmHg) – baroreflexní regulace asi OK •Snížená (< 3 mmHg) – zvýšené kardiovaskulární riziko •u hypertenze, srdečního selhání, diabetu, ve stresu •Prediktory náhlé srdeční smrti: téměř nulové hodnoty HRV a BRS •Spektra RR a SBP •Frekvenční pásma (VLF, LF a HF), co znamenají •HF (0.15-0,5Hz): parasympatikus, dýchání •LF (kolem 0,1 Hz): sympatikus/paras., baroreflex •VLF (menší než 0,03): pomalé KVS změny (hormony, TPR, …) (2) Co si pamatovat? Kdo pochopil přednášku, zvedne ruku