24.03.2021
Группа учёных СГУ совместно с коллегами из Саратовского ГМУ им. В.И. Разумовского разрабатывает новые подходы к динамической оценке тяжести нарушений процессов регуляции сердечно-сосудистой системы у человека с COVID-19 по биологическим сигналам. Для этого можно будет использовать даже устройства бытового уровня – фитнес-браслеты, умные часы и прочие портативные девайсы.
МАССОВЫЙ МОНИТОРИНГ СТАЛ АКТУАЛЬНЫМ ДЛЯ ВСЕХ
Эти методы разработали специалисты кафедры динамического моделирования и биомедицинской инженерии Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского совместно с учёными Саратовского филиала Института Радиотехники и Электроники им. В.А. Котельникова РАН и коллегами-медиками из Саратовского ГМУ им. В.И. Разумовского. Для решения поставленных задач исследователи работают на стыке нескольких научных направлений.
В последний год мы стали свидетелями того, что весь мир, с его мощнейшими эпидемиологическими и вирусологическими центрами, с передовой медициной, попал в ситуацию, когда потребовались новые подходы в лечении и диагностике коронавирусной инфекции и её осложнений. Проблема оперативного массового мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы, нарушения которой занимают важное место в развитии осложнений после Covid-19, стала актуальной как никогда.
Исследования в этой области появились как результат многолетних разработок учёных Саратовского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН и Института физики СГУ (большая научная группа под руководством бессменного – на протяжении более 30 лет – научного руководителя, доктора физико-математических наук, профессора Бориса Петровича Безручко). Еще в Советском Союзе они занимались радиофизическими приложениями, в том числе оборонными, решали задачи создания систем специальной связи (спутниковая связь, СВЧ-связь и др.). Но в 1990-е годы, когда ситуация изменилась, пришлось искать новое применение этим разработкам, и руководитель группы предложил переориентировать их на решение биомедицинских задач. Это открыло новые перспективы для разработок и стало основой долгосрочного сотрудничества с учеными-медиками из НИИ кардиологии (научный коллектив под руководством доцента, доктора медицинских наук Владимира Ивановича Гриднева) и нескольких кафедр Саратовского ГМУ им. В.И. Разумовского.
Новые методики появились как результат многолетних разработок учёных в направлении развития методов диагностики взаимодействия элементов системы кровообращения и математического моделирования динамики этих элементов [1–7].
ИСТОРИЯ ВОПРОСА ВПОЛНЕ РОМАНТИЧНАЯ
Как люди поняли, что нужно обращать внимание на работу систем вегетативной регуляции? Все началось с развития космической медицины. Когда Юрий Гагарин полетел в космос, техника позволяла установить в космическом корабле только один электрокардиограф, который регистрировал его электрокардиограмму. Когда эту уникальную запись первого человека в космосе стали изучать медики, они поначалу даже были разочарованы, так как увидели обычную электрокардиограмму здорового сердца. А как иначе, если учесть, что Юрий Алексеевич – здоровый и физически крепкий человек, лётчик-испытатель. Но такой ответ не удовлетворил специалистов, ведь очевидно, что с организмом в условиях невесомости и перегрузки происходят существенные изменения. Поэтому запись анализировали, как никакую другую на свете. И выяснилось, что хотя в целом форма электрокардиограммы не изменилась, существенно изменилось распределение между последовательностью моментов сердечных сокращений. Эти изменения были настолько разительны, такие четкие и радикальные относительно того, что наблюдается у людей в привычных «наземных» ситуациях, что стало понятно – именно в них, в этих интервалах между сердечными сокращениями, кроется информация о том, что происходит с организмом.
В этом направлении стал работать известный учёный, специалист по космической кардиологии Р.М. Баевский, основоположник теории взаимодействия систем вегетативной регуляции.
Как это ни парадоксально, но сердце здорового человека на самом деле работает не ритмично. Ритмично оно бьется только в случаях тяжелых патологий, психоэмоциональной или физической перегрузки. В этих состояниях организм должен обеспечить совсем иные потребности в кислороде и питательных веществах для мозга, и сердце должно заработать совершенно в другом режиме. В таких ситуациях для организма гораздо эффективнее поднять давление, чтобы прокачать необходимое количество крови. Этим занимаются так называемые механизмы регуляции кровообращения, они-то и регулируют тонус сосудов, ритм и силу сердечных сокращений. В стенках сосудов расположены сосудодвигательные мышцы и система подает сигналы, чтоб эти мышцы сжать и поднять давление. Другие регуляторные механизмы занимаются тем, что повышают или понижают при необходимости сердечный ритм, регулируя таким образом артериальное давление. И вот эти механизмы регуляции сердца и сосудов должны всё делать координированно.
КАК «ДОСТАТЬ» ИНФОРМАЦИЮ?
Цель разработки физиков СГУ заключается в том, чтобы научиться оценивать степень координации всех этих элементов регуляции кровообращения. Они придумали, как из различных биологических сигналов (электрокардиограмма, фотоплетизмограмма, дыхание и др.) «достать» информацию о работе контуров регуляции и оценить одной цифрой степень их взаимодействия.
Оказалось, что у людей, перенесших инфаркт миокарда, степень координации регуляторных систем показывает тяжесть поражения сердца и сосудов и позволяет персонифицировано выбрать медикаментозную терапию, что очень важно на ранних стадиях инфаркта. Та же методика показала себя при диагностике артериальной гипертензии. Еще был создан целый ряд приложений. Учёные работали и с новорождёнными детьми, есть ряд интересных результатов фундаментального характера. Появились перспективы с помощью нового метода оценивать степень «зрелости» этих элементов регуляции, ведь специфические нарушения у новорождённых могут вызвать проблемы со здоровьем.
Был разработан комплекс разных систем, подготовлены компьютерные программы, которые реализуют эти методы, они работают в комплексе со стандартными, сертифицированными и серийными медицинскими регистраторами. Есть направление, где учёные СГУ разрабатывают собственные устройства, в том числе малогабаритные, которые могут считывать подобные индексы в режиме длительного мониторирования. Такие прототипы уже созданы, это направление осваивают аспиранты.
МОЛОДЕЖЬ СФОКУСИРОВАНА НА ОБРАБОТКЕ ДАННЫХ
«В исследованиях активно участвуют молодые учёные и аспиранты, – рассказывает аспирантка кафедры динамического моделирования и биомедицинской инженерии Виктория Сказкина. – Мы сотрудничаем со специалистами-медиками, они помогают нам получать сигналы пациентов и интерпретировать результаты наблюдений. Нам крупно повезло, так как мы встретили коллег-медиков, с которыми у нас сложились товарищеские отношения, мы научились эффективно взаимодействовать в рамках междисциплинарных исследований. Когда появилась сама идея новых методов скрининга, мы выиграли два молодёжных гранта, и лично я – стипендию Президента РФ».
В правительственных структурах заинтересовались развитием методов скрининг-диагностики состояния пациентов с Covid-19, которую развивают саратовские физики, а на практике апробируют медики.
В направлении диагностики связей между элементами сердечно-сосудистой системы у саратовских учёных есть целый ряд достижений мирового уровня. А по некоторым из них они «впереди планеты всей». Учёные СГУ тесно взаимодействуют с зарубежными специалистами. В 2017 году аспирант, ассистент Института физики Виктория Сказкина выиграла первый грант Фонда содействия инновациям для работы над проектом «Разработка методики оценки степени взаимодействия контуров регуляции дыхания и кровообращения новорождённых для диагностики вегетативных нарушений». В 2019 году она полгода стажировалась в Германии (Потсдам) в рамках проекта, финансируемого министерством высшего образования и науки РФ и DAAD.
ФИЗИКО-МЕДИЦИНСКИЙ СОЮЗ
Доктор физико-математических наук, профессор кафедры динамического моделирования и биомедицинской инженерии Анатолий Сергеевич Караваев рассказал, что за два последних десятилетия сотрудничество с коллегами из Саратовского государственного медицинского университета и Саратовского НИИ кардиологии СГМУ (группа доцента, доктора медицинских наук В.И. Гриднева и доцента, доктора медицинских наук А.Р. Киселева) позволило сформировать мощный задел в изучении состояния вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы и разработке биомедицинских приложений. Физики предложили врачам несколько методов анализа индивидуальной и коллективной динамики контуров вегетативной регуляции сердца и сосудов, состояние которой является чувствительным индикатором общего состояния организма.
«Мы разработали комплекс методов, которые ориентированы на диагностику тяжелых патологий сердечно-сосудистой системы, – продолжил учёный. – Это восстановление после инфарктов, диагностика тяжести состояния артериальной гипертензии. В результате вышли на решение задач персонифицированной терапии. Наш подход позволит в ряде случаев индивидуально подбирать тип и дозировку препаратов, что считается сейчас весьма перспективным и важным направлением современной медицины. На базе этих разработок мы решили двигаться дальше, так как Covid-19 внес свои коррективы, эпидемия буквально заставила решать новые задачи.
Мы начали активно взаимодействовать с коллегами-медиками из Саратовского ГМУ им. В.И. Разумовского весной 2020 года, как только стало понятно, что проблема весьма существенна и начались первые ограничения в нашей стране и в мире. За год нам удалось накопить серьёзную базу экспериментальных записей и разработать методику, которая позволяет их анализировать. Сегодня мы активно сотрудничаем с научным коллективом доктора медицинских наук Александра Валерьевича Кулигина в части изучения особенностей нарушений физиологии кровообращения у разных категорий пациентов с Covid-19 и научной школой под руководством доктора медицинских наук, профессора-кардиолога Юрия Григорьевича Шварца в части анализа особенностей течения сердечно-сосудистых заболеваний при Covid-19».
В ЧЁМ ИНТРИГА?
По утверждению А. С. Караваева, интрига такова: оказывается, агенты-вирусы поражают некоторые специфические белки ACE-2, которые влияют на работу систем вегетативной регуляции сердца. Системы чувствуют поражение белков вирусом и начинают работать по-другому.
Достижение саратовских учёных заключается в том, что они первыми придумали и научились количественно определять степень взаимодействия этих систем регуляции. А это косвенный признак степени вредоносного воздействия вирусной инфекции на организм человека – изменения в системе вегетативной регуляции считаются очень чувствительным маркером различных патологий.
С помощью этих подходов удалось диагностировать достаточно выраженное отличие степени взаимодействия между системами регуляции у пациентов с Covid-19 и у здоровых сопоставимого возраста. Также получены интересные данные по особенностям вегетативной дисфункции у пациентов с Covid-19 и сопутствующей сердечно-сосудистой патологией.
Новые методики могут оказаться очень полезными для решения задач массового скрининга. Разработка заключается в том, что по записанным сигналам тех же электрокардиограмм, которые легко пишутся дешёвыми устройствами с поверхности тела, и даже с помощью смартфонов, смарт-часов, браслетов, можно регистрировать сигналы, интересующие специалистов.
В настоящее время учёные СГУ занимаются совершенствованием методики, реализуют её в виде компьютерных программ, которыми в дальнейшем смогут пользоваться медицинские специалисты, применяя известные приборы или те устройства, которые создают физики.
Как это выглядит на практике? Вот один из вариантов. Человек с Covid-19 на дому регистрирует сигналы сердечно-сосудистой системы, пересылает их в центр обработки данных в поликлинику, где компьютерная программа обрабатывает эти сигналы и мгновенно выдает результат об общей выраженности нарушений в сердечно-сосудистой системе. Конечно, пока это только красивая идея, но она вполне может быть реализована в ближайшее время на практике. В настоящий момент завершается стадия лабораторного тестирования, учёные готовят публикации по текущим результатам. В перспективе – внедрение новых методов и проведение клинических испытаний на клинической базе Саратовского ГМУ им. В.И. Разумовского.
Важно, что разрабатываемый подход применим не только к Covid-19, но и другим заболеваниям. А это значит, что и по завершении нынешней эпидемии метод будет полезен, им можно будет эффективно пользоваться и для решения других клинических задач.
Достижение саратовских ученых заключается в том, что они первые придумали и научились количественно определять степень взаимодействия систем регуляции. А непрерывная череда прорывов в области техники и технологий позволила создавать малогабаритные бытовые устройства типа смарт-часов, в которые можно внедрить полноценный компьютер или очень чувствительные датчики – всё то, что раньше умещалось в кабинете врача и требовало специального оборудования и персонала.
Текст: Тамара Корнева
Фото: Геннадий Савкин
Статьи с описанием основного метода:
- Karavaev A.S., Ishbulatov Yu.M., Prokhorov M.D., Ponomarenko V.I., Kiselev A.R., Runnova A.E., Hramkov A.N., Semyachkina-Glushkovskaya O.V., Kurths J., Penzel T. Simulating dynamics of circulation in the awake state and different stages of sleep using non-autonomous mathematical model with time delay // Frontiers in Physiology. 2021. V. 11. P. 612787.
- Ishbulatov Yu.M., Karavaev A.S., Kiselev A.R., Simonyan M.A., Prokhorov M.D., Ponomarenko V.I., Mironov S.A., Gridnev V.I., Bezruchko B.P., Shvartz V.A. Mathematical modeling of the cardiovascular autonomic control in healthy subjects during a passive head-up tilt test // Scientific Reports. 2020. V. 10. P. 16525
- Kiselev A.R., Borovkova E.I., Shvartz V.A., Skazkina V.V., Karavaev A.S., Prokhorov M.D., Ispiryan A.Y., Mironov S.A., Bockeria O.L. Low-frequency variability in photoplethysmographic waveform and heart rate during on-pump cardiac surgery with or without cardioplegia // Scientific Reports. 2020. V. 10. P. 2118
- A.S. Karavaev, M.D. Prokhorov, V.I. Ponomarenko, A.R. Kiselev, V.I. Gridnev, E.I. Ruban, and B.P. Bezruchko Synchronization of low-frequency oscillations in the human cardiovascular system // Chaos 19, 033112 (2009).
- Karavaev A.S., Ishbulatov J.M., Ponomarenko V.I., Prokhorov M.D., Gridnev V.I., Bezruchko B.P., Kiselev A.R. Model of human cardiovascular system with a loop of autonomic regulation of the mean arterial pressure // Journal of the American Society of Hypertension. 2016. V. 10. Iss. 3. P. 235-243.
- Kiselev A.R., Mironov S.A., Karavaev A.S., Kulminskiy D.D., Skazkina V.V., Borovkova E.I., Shvartz V.A., Роnomarenko V.I., Prokhorov M.D. A comprehensive assessment of cardiovascular autonomic control using photoplethysmograms recorded from earlobe and fingers // Physiological Measurement. 2016. V. 37. P. 580-595.
- Karavaev A.S., Skazkina V.V.,Borovkova E.I., Kiselev A.R., Ponomarenko V.I., Kulminskiy D.D.,Gridnev V.I., Prokhorov M.D., Bezruchko B.P. Statistical properties of the phase synchronization index of cardiovascular autonomic control contours // Russian Open Medical Journal. 2018. V.7. I.4. e0403. (DOI: 10.15275/rusomj.2018.0403)
