Znaczenie analizy zmienności rytmu

Analiza zmienności rytmu jest metodą diagnostyki mechanizmu regulacji wydajności krwiobiegu. Do mechanizmów tych należy też kontrola objętości krwi i oporu naczyń obwodowych, ale tylko zmienność rytmu serca umożliwia znaczną dynamikę wydajności – potrzebną w reakcji na szybko zmieniające się obciążenie organizmu. Ciągła modulacja częstości akcji serca rytmu zatokowego świadczy o aktywności centralnego systemu nerwowego i sprawności kontroli krwiobiegu. Przeciwnie - stabilizacja rytmu serca objawiająca się zmniejszonym zakresem zmian jest objawem patologicznym.

Ocena zmienności rytmu serca jest podstawową techniką umożliwiającą ocenę proporcji wpływu układu współczulnego (pobudzanie) i przywspółczulnego (hamowanie) na akcję serca (ang. sympathovagal balance). Ponieważ rola tych układów silnie zależy od stanu człowieka (sen, czuwanie), a podczas czuwania jest dodatkowo zakłócana przez podejmowaną aktywność fizyczną, dopiero analiza całodobowych zmian rytmu serca pozwala diagnozować poprawność tego współdziałania. Analiza zmienności rytmu serca opiera się na bieżących wartościach interwałów międzyuderzeniowych (odstępów RR). Z powodu braku związku pobudzeń generowanych przez zastępcze generatory rytmu z autonomicznym systemem nerwowym tylko pobudzenia rytmu wiodącego (zatokowego) są brane pod uwagę.

Najczęściej poruszane problemy

Analiza zmienności rytmu jest oparta na serii czasowej częstości akcji serca lub serii interwałów międzyuderzeniowych (tachogramu). Informacjom czasowym musi towarzyszyć znacznik morfologii ewolucji serca, w celu separacji pobudzeń zatokowych. Pomimo stosunkowo niewielkiego strumienia danych, tachogram jest jednym z ciekawszych sygnałów ze względu na nieregularny odstęp (interwał próbkowania) informacji o częstości akcji serca. Ponieważ w sygnale próbkowanym niejednorodnie klasyczne metody analizy sygnałów napotykają liczne ograniczenia, rozwinięte zostały liczne metody alternatywne liniowe (stosowane w codziennej praktyce klinicznej) oraz nieliniowe (używane przeważnie w badaniach naukowych).

Projektant przystępujący do implementacji procedury analizy HRV musi rozwiązać szereg problemów konstrukcyjnych. Należą do nich:

wybór metody (grupy metod) analizy z uwzględnieniem kompatybilności raportu z wymaganiami klinicznymi, rzetelnej reprezentacji wpływu układu współczulnego i przywspółczulnego i separacji pacjentów z punktu widzenia wybranych patologii,

rozstrzygnięcie, czy regularyzacja tachogramu (interpolacja i przepróbkowanie do jednorodnej serii czasowej) jest stosowana dla metod widmowych, a jeśli tak, to czy dotyczy także pozostałych metod analizy,

kompensacja chwilowego braku pobudzeń rytmu wiodącego (zatokowego) (np. na odcinkach arytmii), która nie powinna wnosić dodatkowego czynnika zmienności rytmu,

sposób wyboru przez użytkownika długości epok analizy statystycznej

wybór metody analizy widmowej (modelowanie ARMA, metody Fourierowskie z interpolacją tachogramu, periodogram Lomba),

wybór metody interpolacji tachogramu przed zastosowaniem transformacji Fouriera (liniowa, z użyciem funkcji sklejanych trzeciego stopnia lub inna),

wybór rozdzielczości metody widmowej uwzględniający parametry wyświetlania i wymagany zakres analizowanego widma (rozszerzony np. w analizie pediatrycznej),

wybór szerokości przedziału i sposobu interpolacji zboczy histogramu RR przy wyznaczeniu indeksu trójkątnego,

wybór sposobu prezentacji i parametrów uzyskiwanych z wykresu sąsiednich interwałów międzyuderzeniowych (Lorentza)

Wielka ilość możliwych rozwiązań jest przyczyną bardzo małej powtarzalności parametrów HRV pomiędzy implementacjami tej analizy wykonywanymi przez różnych producentów oprogramowania. Przeciwnie do innych typów analiz, nie ma dotychczas przyjętej na szeroką skalę bazy tachogramów i ich referencyjnych parametrów HRV, co utrudnia testowanie poprawności analizy przez nowo implementowane procedury.

Uwagi praktyczne dotyczące wyznaczania parametrów HRV

Serie czasowe próbkowane niejednorodnie składają się zwykle z par wartości, z których jedna reprezentuje mierzoną wielkość, a druga interwał czasu, jaki upłynął od poprzedniego pomiaru. W przypadku tachogramu nie jest to konieczne – wartość interwału międzyuderzeniowego (RR) jest próbkowana w odstępach równych temu interwałowi (raz na ewolucję serca) obie wartości byłyby więc identyczne. Warto także zauważyć, że skumulowana wartość wszystkich próbek tachogramu łącznie z bieżącą reprezentuje odstęp bieżącej wartości od początku zapisu (indeks czasu).

Jeżeli analiza HRV przewiduje raportowanie w okresach czasu (np. godzinowych) wygodnie jest, aby całkowita ilość epok analizy statystycznej mieściła się w takim okresie. Jednocześnie długość epoki wyznacza rozdzielczość widma analizy częstotliwościowej (nie dotyczy metody ARMA) i powinna być dobrana z uwzględnieniem wymagań transformacji Fouriera (przedstawialna jako całkowita potęga liczby 2), zakresu prezentowanego widma oraz parametrów wyświetlania. Określenie długości epoki przez użytkownika powinno być wyborem z zamkniętej listy opcji.

Interpolacja brakującej sekwencji interwałów pomiędzy ewolucjami nadkomorowymi o zadanej długości może być dokonana iteracyjnie. Interpolacja powinna prowadzić do wstawienia tak dobranej liczby i wartości interwałów, aby zachować parametry zmienności obserwowane w sąsiedztwie brakującego odcinka. Jeżeli w celu analizy widmowej wykonywana jest interpolacja i przepróbkowanie tachogramu do jednorodnej serii czasowej, można wykonać analizę statystyczną przepróbkowanego tachogramu.

Termin "analiza HRV" może oznaczać prostą obliczeniowo analizę statystyczną surowej serii interwałów w epoce trwającej ustalony czas (np. 5 minut, co odpowiada najwyżej 1000 interwałów). W tym przypadku metoda wyznaczania danego parametru sprowadza się do implementacji wzoru matematycznego w formie kodu wybranego języka programowania. Jednocześnie, wyznaczenie parametrów widmowych (zwłaszcza w zapisie okołodobowym) wymaga znacznych nakładów obliczeniowych i to zarówno w metodzie autoregresyjnej (ARMA) jak i w metodzie Fourierowskiej z interpolacją tachogramu. Szczęśliwie, transformacja Fouriera i interpolacja funkcjami sklejanymi trzeciego stopnia są dostępne w postaci procedur (lub bibliotek funkcji) bezpłatnych do użytku niekomercyjnego.

Analizy częstotliwościowe i geometryczne prowadzone dla sygnału okołodobowego, a także w interwałach godzinowych i w epokach o zadanej długości wymagają znacznych zasobów pamięci zmiennych. Wymagane jest bowiem wyznaczenie i przechowanie reprezentacji graficznej (np. widma i punktów wykresu Lorentza) dla każdego z analizowanych przedziałów. Warto ponadto zwrócić uwagę, że parametry wyświetlania mogą uniemożliwić poprawną prezentację tachogramu. Przykładowo okołodobowy wykres złożony z 1000 punktów będzie wymagał uśrednienia interwałów RR w grupach po 100 (co odpowiada 1,5 minuty) i powoduje zgubienie informacji o wartościach ekstremalnych. W takim przypadku celowe jest zatrzymanie w towarzyszących zmiennych wartości minimalnej i maksymalnej w przedziale, w którym przeprowadzono uśrednianie.

Dodatkowe informacje