Известно [2, 13, 14, 18, 24], что рабочая нагрузка (постнагрузка, afterload) левого желудочка сердца недостаточно полно определяется величинами таких традиционных физиологических показателей, как артериальное давление или периферическое сопротивление. Объективная количественная оценка величины постнагрузки левого желудочка дается именно артериальным импедансом [13-18, 21]. В свою очередь, физиологическими детерминантами артериального импеданса являются эластическое, периферическое и инерционное сопротивления артериальной системы, из которых наименее исследовано именно инерционное сопротивление.

На важность учета инерционных эффектов в проблеме артериального импеданса указывалось в известных работах [2, 10, 19, 22, 23]. в которых подчеркивалась существенность инерционных явлений в крупных кровеносных сосудах, а в [21] авторы дополнительно показали значимость данных о динамике кровотока непосредственно в полости левого желудочка сердца.

Инерционное сопротивление артериальной системы у спортсменов начали изучать сравнительно недавно [5-7, 12]. Интерес к этому показателю стимулировался по мере накопления данных об артериальном импедансе, когда были получены факты, для объяснения которых информации о динамике периферического и эластического сопротивлений оказалось недостаточно. Особенно значительную роль инерционное сопротивление играет в формировании постнагрузки левого желудочка в условиях мышечной работы [8, 9, 20].

Вопрос о роли инерционных свойств кровотока в формировании артериального импеданса был решен теоретически [23], но на локальном уровне малого участка отдельного кровеносного сосуда. Оказалось [10], что инерционные эффекты играют в формировании сопротивления кровотоку основную роль в аорте и крупных артериях, а вязкостные свойства крови усиливают свое влияние на локальный импеданс по мере удаления от магистральных сосудов артериального дерева.

Экспериментальные исследования артериального импеданса у человека проводятся с начала 70-х годов. Было показано [13, 15-17], что входной импеданс артериальной системы может быть представлен не только спектром импедансных модулей, но также и двумя интегральными показателями: характеристическим импедансом аорты (Z_c) и периферическим сопротивлением (R). Однако основным методом получения артериального импеданса [2, 10, 13, 15-17] служит Фурье-анализ кривых потока крови и давления, синхронно регистрируемых с помощью катетеризации восходящей аорты. Поэтому данные об артериальном импедансе у человека имеют довольно ограниченный объем. Особенно они крайне малочисленны для условий выполнения мышечной работы.

В связи с использованием в спортивной медицине только неинвазивных методов исследования центральной гемодинамики был разработан [5, 6] новый подход к определению характеристического импеданса аорты. Общее определение Z_c было получено с помощью уравнения баланса механической работы левого желудочка и тепловых потерь на периферическом сопротивлении артериальной системы, происходящих в течение периода изгнания. Оно имеет следующий [7, 8] вид:

(1)

где r - плотность крови; A_s - внешняя механическая работа левого желудочка; W_R - тепловые потери на периферическом сопротивлении в течение периода изгнания; R_a - радиус входного сечения аорты; J_s - механический импульс ударного объема крови.

Определение (1) импеданса аорты [5-8] позволяет точно выделить в Z_c две составляющие - статическую (Z_p) и динамическую (Z_k):

Z_c = Z_p + Z_k (2)

Статическая составляющая определяется той частью внешней механической работы левого желудочка, которая идет на расширение упругих стенок АКК при депонировании диастолической порции сердечного выброса, а динамическая составляющая определяется кинетической энергией ударного объема крови.

С помощью теории АКК были получены формулы как для расчета импеданса (1) и его составляющих (2), так и для периферического, эластического и инерционного сопротивлений артериальной системы. В качестве количественной оценки величины инерционного сопротивления артериальной системы используется [7-9, 20] механический импульс J_s ударного объема крови.

Расчеты по формулам, определяющим импеданс Z_c и системные сопротивления [7-9], производятся по специальным компьютерным программам на базе неинвазивных измерений показателей центральной гемодинамики {P_s, P_d, Q_s} и фазовой структуры сердечного цикла {C, S, IC}. Комплекс соответствующих инструментальных методик развернут в лаборатории спортивной кардиологии РГАФК. Основой этого измерительного комплекса являются поликардиография (фазовый анализ сердечного цикла [12]) и капнография (метод возвратного дыхания [4, 12]). Эти методы применяются при углубленных медицинских обследованиях спортсменов в условиях покоя и при мышечной работе на велоэргометрах. Измерение радиуса входного сечения аорты R_a (1) производится эхокардиографически в условиях покоя. У каждого испытуемого определяется также величина показателя PWC170 [3].

В исследованиях принимали участие 97 спортсменов (мужчин) различных специализаций. Спортсмены были в возрасте от 18 до 34 лет, а их индивидуальная физическая работоспособность колебалась в пределах от 975 до 1940 кгм/мин, составляя в среднем 1339±217 кгм/мин. Измерения показателей кардио-гемодинамики производились в покое и при мышечной работе на велоэргометре.

1. Изменения артериального импеданса и сосудистых сопротивлений в покое и при мышечной работе

В табл.1 представлены средние величины инерционного, периферического и эластического сопротивлений артериальной системы, а также средние величины основных показателей центральной гемодинамики, полученные в условиях покоя и при выполнении мышечной работы с различными мощностями. Отметим, что с ростом мощности мышечной работы периферическое и эластическое сопро тивления артериальной системы претерпевают (табл.1) изменения известного характера [5-9, 12, 20].

Согласно данным табл.1, инерционное сопротивление артериальной системы прогрессивно возрастает с мощностью мышечной работы, увеличиваясь при 1000 кгм/мин в 3 раза по сравнению с покоем. Рост J_s прямо связан с увеличением минутного кровотока при тех же условиях в 4 раза. Инерционное сопротивление растет с нагрузкой практически линейно. Соответствующие средние данные (табл.1) хорошо аппроксимируются следующим выражением:

J_s = 220 + 0.48·N (3)

где N - мошность мышечной работы (кгм/мин).

Инерционное сопротивление, артериальный импеданс и другие показатели кардио-гемодинамики у спортсменов в покое и при мышечной работе (X± ).

Указанное трехкратное увеличение J_s при одновременном возрастании в 2 раза (табл.1) эластического сопротивления говорит об относительном росте в этих условиях вклада в постнагрузку левого желудочка именно инерционных эффектов по сравнению с влиянием упругости сосудистых стенок.

Факт существенности влияния инерционных эффектов также документирован выраженным возрастанием (табл.1) средних величин динамической составляющей Z_k импеданса от 26.6 дин·с·см^-5 в покое до 63.8 дин·с·см^-5 при мощности работы 1000 кгм/мин (рост в 2.4 раза), которое сопровождается падением Z_p ровно в 2 раза (соответственно от 51.5 до 25.7 дин·с·см^-5).

В то же время характеристический импеданс аорты претерпевает (табл.1) сравнительно незначительные изменения от 78.2 дин·с·см^-5 в покое до 89.5 дин·с·см^-5 при мощности работы 1000 кгм/мин, возрастая лишь в 1.14 раза (на 14.4%). Это, в свою очередь, указывает на проявление отмеченного в наших работах [7-9, 20] эффекта автостабилизации постнагрузки левого желудочка у спортсменов при выполнении мышечной работы непредельной мощности.

Характеристический импеданс аорты изменяется с ростом мощности работы не монотонно. Величина Z_c принимает свое минимальное значение при малых мощностях нагрузки, после чего (табл.1) наблюдается возрастание импеданса с увеличением мощности [7-9, 20].

С целью более детального изучения влияния инерционного сопротивления на Z_c, а также взаимосвязей J_s с другими показателями гемодинамики был использован корреляционный анализ данных (строго раздельно для данных покоя и каждого уровня мощности мышечной работы). Кроме того, в покое и на каждом уровне нагрузки интервал изменения J_s делился на несколько равных подинтервалов, а экспериментальные данные подразделялись на подгруппы в зависимости от того, в какой именно подинтервал попадала величина J_s. При таком подходе наряду со средними величинами показателей, отвечающих покою либо конкретной физической нагрузке, вычислялись также их интервальные средние в каждой из выделенных подгрупп.

2. Инерционные эффекты формирования постнагрузки левого желудочка сердца у спортсменов в условиях покоя

В табл.2 представлены интервальные средние инерционного сопротивления и совокупности импедансных показателей, отвечающих условиям покоя. Характеристический импеданс аорты достоверно понижается с ростом величины J_s. Разность между максимальной и минимальной интервальными средними Z_c составила 14.5 дин·с·см^-5 (18.5% по отношению к общей средней величине).

Статическая составляющая импеданса, судя по интервальным средним (табл.2), изменялась аналогично Z_c, достоверно уменьшаясь с ростом инерционного сопротивления артериальной системы. Относительная амплитуда изменения интервальных средних составляющей Z_p оказалась довольно значительной (57.3%). Этот факт говорит о том, что статическая составляющая импеданса Z_p [7-9] в основном определяется не инерционными эффектами, а влиянием эластического и периферического сопротивлений артериальной системы.

Динамическая составляющая импеданса в условиях покоя строго возрастала с увеличением инерционного сопротивления артериальной системы. Минимальная интервальная средняя Z_k соответствует максимальной интервальной средней статической составляющей, которая превышает ее в 3.4 раза. Максимальная интервальная средняя Z_k составляет уже 92% от соответствующей ей минимальной интервальной средней Z_p (табл.2). Такие взаимоотношения между Z_p и Z_k говорят о преобладании в условиях покоя влияний на Z_c со стороны периферического и эластического механизмов формирования постнагрузки левого желудочка сердца [7].

Корреляция инерционного сопротивления с Z_c оказалась довольно выраженной (r = -0.751) - импеданс достоверно (p < 0.001, [1]) уменьшается с ростом интенсивности сердечного выброса (J_s), что также документировано данными табл.2. Корреляционные взаимоотношения J_s с составляющими импеданса также вполне значимы: для Z_p коэффициент корреляции r = -0.889, для Z_k - r = 0.914. Сравнительная малость относительного размаха (18.5%) изменения интервальных средних артериального импеданса (8) обусловлена именно строгой разнонаправленностью (r = -0.922) и взаимодерминированностью [7, 8] изменений статической и динамической составляющих характеристического импеданса (табл.2).

В свою очередь, инерционное сопротивление достоверно возрастает с увеличе-нием ударного объема крови (r = 0.669), хотя влияние Q_s на величину Z_k оказалось менее выраженным (r = 0.330), но все же статистически достоверным (p<0.001). Корреляционные взаимоотношения ударного объема крови с остальными импедансными показателями (r = -0.468 для Z_c; r = -0.437 для Z_p) имеют одинаковую отрицательную направленность, указывая на статистически достоверное понижение (p < 0.001) Q_s с ростом постнагрузки левого желудочка в условиях покоя. Показатели Z_c, Z_p значимо коррелируют с эластическим сопротивлением артериальной системы E_o (r > .900), рост которого в определенной мере (r = -0.447 для Q_s) препятствует в покое увеличению ударного объема крови. Эти данные подчеркивают существенность влияния эластического сопротивления артериальной системы на величины импедансных показателей.

Корреляционные взаимоотношения J_s с эластическими свойствами (E_о) АКК у спортсменов в условиях покоя оказались значимыми (r = -0.879). При усреднении величин E_о по интервалам инерционного сопротивления (табл.2) минимальным значениям J_s отвечает E_о = 1381±134 дин·см^-5, а максимальным - E_о = 738±44 дин·см^-5. Судя по приведенным коэффициентам корреляции с E_о, уровень жесткости стенок аорты и крупных артерий оказывает демпфирующее влияние на динамику сердечного выброса в условиях покоя даже в большей степени, чем непосредственно на саму величину ударного объема крови.

Инерционное сопротивление, артериальный импеданс и другие показатели кардио-гемодинамики у спортсменов в покое (X± ).

3. Инерционные эффекты формирования постнагрузки левого желудочка сердца у спортсменов при мышечной работе

Влияние инерционных эффектов на величину Z_c у спортсменов при выполнении мышечной работы принципиально отличается от наблюдаемых в условиях покоя. В табл.3 представлены интервальные средние инерционного сопротивления и совокупности импедансных показателей, отвечающих выполнению спортсменами мышечной работы с мощностью 1000 кгм/мин. Качественно поведение импедансных показателей и основных показателей центральной гемодинамики при всех рассмотренных мышечных нагрузках оказалось довольно схожим. Поэтому соответствующие другим мощностям нагрузок табличные данные не приводятся.

Согласно данным табл.3, относительный размах изменений интервальных средних инерционного сопротивления артериальной системы составил 61.8%, что ниже, чем в покое (84.7%), за счет возрастания (табл.1) общей средней величины J_s. Причем минимум интервальных средних при нагрузке 1000 кгм/мин значительно превосходит интервальный максимум J_s для условий покоя (табл.2). Это детерминировано резко усиливающейся (с увеличением мощности мышечной работы) нейрогуморальной стимуляцией миокарда левого желудочка, обеспечивающей эффективный выброс увеличенного ударного объема крови (табл.1) за уменьшившееся время изгнания.

Интервальные средние импеданса Z_с выражено возрастают с увеличением J_s (табл.3). Как абсолютный, так и относительный (38.4%) размах изменений величин интервальных средних импеданса значительно возросли по сравнению с данными покоя (табл.2). Такое положение связано с усилением роли инерционного механизма в формировании величины постнагрузки левого желудочка в этих условиях. С ростом J_s интервальные средние Z_k все более значимо превосходят соответствующие величины Z_p. Отношение Z_k к Z_p возрастает по данным табл.3 от 1.52 до 5, что принципиально отличается от результатов, полученных в покое (табл.2). При этом Z_k прогрессивно растет, а Z_p довольно плавно уменьшается (табл.3). Следовательно, усилия левого желудочка при выполнении спортсменом мышечной работы большой интенсивности в основном затрачиваются не на увеличение объема АКК, а на приведение в движение ударного объема крови.

Согласно полученным данным, взаимосвязь между инерционным сопротивлением артериальной системы и ударным объемом крови при мышечной работе несколько видоизменяется по сравнению с условиями покоя. Оказалось, что рост J_s статистически достоверно сопряжен с определенным уменьшением ударного объема (r = -370, p < 0.001). Причем именно такая же корреляционная связь наблюдается и во взаимоотношениях между инерционным сопротивлением и показателем индивидуальной физической работоспособности PWC170 (r = -395).

У спортсменов с повышенными величинами PWC170 (табл.3) уровень минутного кровотока адекватный данной мощности работы обеспечивается при несколько сниженных значениях частоты сердечных сокращений и при возросшем ударном объеме крови.

Инерционное сопротивление, артериальный импеданс и другие показатели кардио-гемодинамики у спортсменов при работе с мощностью 1000 кгм/мин (X±).

Поэтому выброс такого ударного объема происходит с меньшей интенсивностью, что и документируется уменьшенными в среднем величинами импеданса Z_c и его составляющей Z_k при соответствующем снижении J_s (табл.3). Следовательно, у спортсменов с повышенной физической работоспособностью при выполнении ими мышечной работы непредельной мощности постнагрузка левого желудочка сердца минимизирована, обеспечивая энергетически более экономичный режим работы миокарда левого желудочка [11].

Как и в условиях покоя корреляционный анализ экспериментальных данных, полученных при работе с мощностью 1000 кгм/мин, показал наличие эффекта автостабилизации импеданса Z_c. Действие механизма автостабилизации постнагрузки левого желудочка проявляется в весьма жесткой корреляционной связи (r = -0.906) между составляющими Z_p и Z_k артериального импеданса, за счет которой рост Z_c при малых и средних для данной физической нагрузки величинах инерционного сопротивления (табл.3) сравнительно незначителен. Однако, судя по соответствующим интервальным средним, влияние этого механизма понижается при Js > 900 мН·с. Наблюдается довольно резкое возрастание Z_c и Z_k в этой зоне изменения инерционного сопротивления. Такое поведение показателей Z_c и Z_k (табл.3), по-видимому, объясняется тем, что у определенной части спортсменов с J_s > 900 мН·с величина PWC170 (как граница зоны эффективной адаптируемости сердечно-сосудистой системы к мышечной работе) весьма близка к мощности данной физической нагрузки (1000 кгм/мин).

Полученный результат позволяет сформулировать новый критерий выделения границы зоны адаптивности спортсменов по величине той мощности физической нагрузки, при которой у испытуемого начинается резкое возрастание величин Z_c и Z_k при одновременной максимизации инерционного сопротивления.

В условиях покоя у спортменов влияние инерционного сопротивления на постнагрузку левого желудочка сердца менее существенно, чем со стороны периферического и эластического сопротивлений артериальной системы. Минимизация Z_c в покое связана с ростом инерционного сопротивления, а при мышечной работе уменьшение постнагрузки левого желудочка сердца у спортсменов в среднем происходит при снижении инерционного сопротивления, что в обоих случаях наблюдается у спортсменов с повышеннми значениями показателя PWC170.

1. Иберла К. Факторный анализ. - М.: Статистика. 1980. - 398 с.

2. Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. - М.: Мир. 1981. - 624 с.

3. Карпман В.Л., Белоцерковский З.Б., Гудков И.А. Тестирование в спортивной медицине. - М.: ФиС. 1988. - 208 с.

4. Карпман В.Л., Любина Б.Г. Динамика кровообращения у спортсменов. М.: ФиС. 1982, 135 с.

5. Карпман В.Л., Орел В.Р. Импеданс артериальной системы и сердечная деятельность // Физиология человека. 1985, N°4, С.628-633.

6. Карпман В.Л., Орел В.Р. Исследование артериального импеданса у человека // В сб: Кардиореспираторная система. Количественные характеристики. Таллинн: "Валгус". 1986, С.42-80.

7. Карпман В.Л., Орел В.Р. Артериальный импеданс у спортсменов // Труды ученых ГЦОЛИФК. - М.: ГЦОЛИФК. 1993, С.262-271.

8. Карпман В.Л., Орел В.Р. Исследование входного импеданса артериальной системы у спортсменов // В сб.: Клинико-физиологические характеристики сердечно-сосудистой системы у спортсменов. - М.: РГАФК, 1994, С.92-116.

9. Карпман В.Л., Орел В.Р., Богданов В.Л., Лиошенко В.Г. Особенности артериального импеданса и инерционного сопротивления у спортсменов // Отчет по НИР. - N° 0295 0002694 - М.: РГАФК. - 1994. - 29 c.

10. Лайтфут Э. Явления переноса в живых системах. - М.: Мир. 1977. - 520 с.

11. Орел В.Р., Богданов В.Л., Лиошенко В.Г., Никитина С.С. Артериальный импеданс и сосудистые сопротивления у спортсменов различной тренированности // В сб.: Клинико-физиологические характеристики сердечно-сосудистой системы у спортсменов. - М.: РГАФК, 1994, С.130-134.

12. Karpman V.L. Cardiovascular system and physical exercise. Boca Raton, FL.: CRC Press Inc. 1987. - 196 p.

13. Laskey W.R., Russmaul W.C., Martin J.L. et al. Characteristics of vascular hydraulic load in patients with heart failure // Circulation, 1985, V.72, P.61-71.

14. Milnor W.R. Arterial impedance as ventricular afterload // Circ.Res., 1975, V.36, P.365-370.

15. Murgo J.P., Westerhof N., Giolma J.P., Altobelli S.A. Aortic input impedance in normal man: Relationship to pressure waveshapes // Circulation, 1980, V.62, P.105-116.

16. Nichols W.W., Pepine C.J. Left ventricular afterload and aortic input impedance: Implications of pulsatile blood flow // Progr.Card.Dis., 1982, V.24, P.293-306.

17. Nichols W.W., Pepine C.J., Geisner E.A., Conti C.R. Vascular load defined by the aortic input impedance spectrum // Fed.Proc., 1980, V.39, P.196-201.

18. Noble M.I. Left ventricular load arterial impedance and their relationships // Cardiovasc.Res., 1979, V.13, P.183-198.

19. Noordergraaf A. Hemodynamics // In: Biological engineering, V.9, Ed.: H.P.Schwan. - N-Y: McGraw-Hill, 1969, P.391-545.

20. Orel V.R. Arterial impedance and muscular work // XVII European Congress on NI CVD - Book of abstracts. - Ljubljana, 1995, P.70.

21. Paulus W.J., Claes V.A., Brutsaert D.L. Physiological loading of isolated cardiac muscle // Circ.Res.,1979, V.44, P.491-497.

22. Spencer M.P., Greiss F.C. Dynamics of ventricular ejection // Circ.Res., 1962, V.21, P.975-990.

23. Womersly J.R. Method for the calculation of velocity, rate of flow and viscous drag in arteries when the pressure gradient is known // J.Physiol.(Lond.), 1955,V.127, P.553-563.

24. Yamacoshi K.J. Interaction between heart as a pump and artery as a load // Japan Circul.J., 1985, V.49, N 2, P.195-206.

При любом использовании данного материала ссылка на первоисточник обязательна!

Инерционное сопротивление артериальной системы и постнагрузка левого желудочка сердца у спортсменов / Карпман В.Л. [и др.] // Юбилейн. сб. тр. учен. РГАФК, посвящ. 80-летию акад. - М., 1998. - Т. 5. - С. 179-190.