УДК 616.12-008.1-092.4/.9 Печатается по решению

ББК 28.91 редакционно-издательского совета Я 90 Томского государственного

педагогического университета

Я 90 Яхонтов С.В., Кошкарева Г.М. Двухконтурная разгрузка сердца. Томск: Изд-во Томского государст венного педагогического университета, 2004, 104 с.

ISBN 5-89428-180-6

Описан опыт решения оригинальной научной задачи - циркуляторной разгрузки сердца при острой сердечной недостаточности путем управляемого ограничения притока крови к сердцу при контроле рабочей нагрузки левого желудочка, выполненной в лаборатории клинической и экспериментальной физиологии НИИ кардиологии СО РАМН в 1980 – 1987 годах.

Для биологов, физиологов, кардиологов, специалистов по теории управления, аспирантов, студентов биологических и медицинских вузов.

УДК 616.12-008.1-092.4/.9

ББК 28.91

Рецензенты: доктор медицинских наук Баскаков М.Б., СГМУ доктор биологических наук Долгин В.Н., ТГПУ

доктор технических наук Глухова Е.В., КемГУ

ISBN 5-89428-180-6 © С.В.Яхонтов, Г.М.Кошкарева 2004.

© ТГПУ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСТОРИЯ 4

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 11

1.1. Основные принципы и методы гемодинамической разгрузки сердца при острой сердечной недостаточности 12

1.2. Системные гемодинамические реакции на изменения притока крови к сердцу и тонуса артериального русла 19

1.3. Рабочая нагрузка левого желудочка и ее оценка. 27

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 34

2.1. Техника экспериментальных исследований 34

2.2. Определение динамических характеристик ЦРСК 35

2.3. Моделирование острых гемодинамических состояний при анализе рабочей нагрузки левого желудочка. 40

2.4. Регистрация гемодинамических параметров 41

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 52

3.1. Временные характеристики гемодинамических реакций в ЦРСК при изменении притока крови к сердцу и сопротивления изгнанию крови в аорту. 53

3.2. Гемодинамика "верхнего контура" сердечно-сосудистой системы при разобщении сердечно-сосудистой системы 68

3.3. Рабочая нагрузка левого желудочка при моделировании острых гемодинамических состояний. 77

3.4. Временная организация структуры сердечного цикла при моделировании острых гомодинамических состояний 86

3.5.Влияние ограничения притока крови к сердцу на параметры нагрузки левого желудочка 95

ГЛАВА 4. ЭМА 1-140 и АКАД 100

4.1. Алгоритм управляемой циркуляторной разгрузки сердца 102

4.2. Оценка пульсовых составляющих нагрузки сердца по кривой давления в аорте 106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116

ПОСЛЕСЛОВИЕ 119

БИБЛИОГРАФИЯ 120

ПРЕДИСТОРИЯ

В 1980 году в г.Томске был открыт Сибирский филиал всесоюзного кардиологического научного центра (СФ ВКНЦ АМН СССР), что вызвало приток научных кадров со всей России и возникновение оригинальных идей в решении кардиологических проблем. Основной состав лаборатории клинической и экспериментальной физиологии (КиЭФ) теоретического отдела НИИ кардиологии и хорошо оборудованной усилиями ее руководителя Е.Ф.Левицкого^[1], составили выпускники лечебного и медико-биологического факультетов Томского медицинского института^[2].

Рис.1 Общий вид операционной теоретического корпуса НИИК в начальный период ее деятельности (1981 год).

Перед коллективом лаборатории была поставлена задача по реализации оригинальной и смелой идеи аппаратно-медикаментозного лечения острого инфаркта миокарда^[3].

В то время решению проблемы гемодинамической разгрузки ослабленного инфарктом сердца было посвящено существенное количество научных исследований. Оригинальность же разрабатываемой идеи разгрузки сердца состояла в ее сущности – предлагалось механическим путем "разобщить" большой круг кровообращения на "верхний контур" и "нижний контур", оставив циркуляцию кровотока (до восстановления насосной функции сердца) только в малом круге кровообращения и в системе верхней полой вены (рис.2).

Рис.2. Принцип двухконтурной разгрузки сердца.

Сердечно-сосудистая система разобщалась на два контура – "верхний" и "нижний" - путем перекрытия просвета нижней полой вены и нисходящей части дуги аорты (отмечено встречными светлыми треугольниками).

Коррекцию метаболических нарушений в сосудах нижнего контура планировалось производить вено-артериальной перфузией с оксигенацией крови (ВАП).

В этом случае снижение нагрузки сердца по перекачиванию крови сердца достигалось путем максимально возможного ограничения притока крови к сердцу; сосудистый бассейн нижней полой вены на время разобщения предполагалось перфузировать с помощью АИКа^[4] с целью насыщения крови кислородом и нормализации метаболических нарушений. Тема исследования, после положительного решения головной организации (ВКНЦ), разрабатывалась под номером Гос. регистрации 01.83.0.010013 (шифр 007).

Первоначально полный план работы подразумевал разработку комплексного лечения кардиогенного шока на основе "двухконтурного метода" вспо­могательного кровообращения.

Как уже упоминалось выше, под термином "двухконтурный ме­тод вспомогательного кровообращения" подразумевался метод гемодинамической разгрузки сердца, осуществляемый путем полного перекрытия просвета нижней полой вены и нисходящей части дуги аорты. Иначе говоря, достижение цели разгрузки сердца виделось в практически полном разобщении сердечно-сосудистой систе­мы на два контура - верхний, включающий малый круг кровообращения и бассейн верхней полой вены, в котором на время разобщения сохранялся минимально необходимый для кровоснабжения сердца и головного мозга кровоток, и нижний, включающий артериальную и венозную систему ниже уровня диафрагмы. Как уже говорилось выше, коррекцию возникающих вследствие отсутствия циркуляции крови метаболических расстройств в нижнем контуре, подразумевалось корректировать известными к тому времени способами с использованием аппаратных (вено-артериальным шунтированием с оксигенацией крови) и медикаментозных средств.

Детализировать методическую сторону исследований в начале исследований было бессмысленно – для этого молодому коллективу не хватало ни знаний, ни опыта. Предстоял большой этап теоретического анализа и экспериментальных исследований.

На первом этапе работы внимание научной группы было сконцентрировано на решении проблемы управляемой объемной разгрузки сердца при контроле нагрузки левого желудочка при моделировании острого инфаркта миокарда и ос­трой сердечной недостаточности в эксперименте.

Результаты многочисленных исследований, опубликованных в научной литературе, убеждали в том, что гемодинамическая разгрузка сердца, нашедшая воплощение во многих методах вспомогательного кровообращения и медикаментозной разгрузки сердца (далее – МРС), являлась весьма эффективным методом лечения острой сердечной недостаточности и остро­го инфаркта миокарда.

Суть гемодинамической разгрузки сердца, отраженная в ее названии, заключалась в снижении работы сердца по перекачиванию крови. В принципе, этого можно было достичь, уменьшая сопротивление потоку крови в период ее изгнания из левого желудочка в аорту. Такой вид разгрузки сердца осуществлялся известными к тому времени средствами как в экспериментальной, так и клинической практике, путем снижения тонуса артериальных стенок медикаментозными средствами (внутрисосудистым введением вазодилататоров), либо механическим расширением просвета аорты в момент изгнания крови (методами контрпульсации).

Эффективность методов разгрузки сердца путем снижения сопротивления выбросу оказалась довольно высокой, что объяснялось прямой зависимостью потребности миокарда в кислороде от механического напряжения стенок желудочков в систолу.

С другой стороны, уменьшить работу сердца возможно и путем его разгрузки "по входу" - уменьшением притока поступающей к сердцу крови.

В литературе нашлось множество подтверждений высокой эффективности такого подхода к разгрузке сердца в острых ситуациях, вызванных снижением сократительной способности желудочков, сопровождающихся ростом остаточного объема крови в их полостях и возникновением объемной перегрузки полостей сердца.

Экспериментальные и клинические исследования показывали значительное улучшение кровоснабжения всех слоев миокарда при уменьшении объема кровенаполнения желудочков в диастолу. Это улучшение объяснялось меньшей степенью сжатия стенок желудочков за счет сниженного объема поступающей в камеры сердца крови.

Эффективность снижения притока крови к сердцу при лечении острой сердечно-сосудистой недостаточности была доказана и в кардиологической клинике – частичное перекрытие просвета нижней полой вены баллонным катетером у боль­ного острым инфарктом миокарда за 20 минут ликвидировало внезапно возникший отек легких.

Тем не менее, разработка методов вспомогательного кровообращения и МРС путем дозированного управляемого притока крови к сердцу при коррекции возникающего при этом снижения артериального давления оставалась мало исследованной и сложно разрешимой проблемой.

В одной стороны, эти проблемы являлись следствием технической сложности методов вспомогательного кровообращения (веноартериальной перфузии, внутриаортальной контрпульсации и др.), с другой стороны – малой терапевтической широтой лекарственных средств, применяемых при медикаментозной разгрузке сердца.

Ситуация осложнялась и тем, что осуществлять гемодинамическую разгрузку сердца при острой сердечной недостаточности приходилось на фоне патологических компенсаторных реакций сердечно-сосудистой системы и смешанного воздействия сильнодействующих лекарственных средств. Несогласованные изменения сокра­тимости миокарда, тонуса артериального русла и притока крови к серд­цу могли непредсказуемым образом изменять конечно-диастолический объем крови в желудочках и сопротивление изгнанию крови в аорту, влияя на системную гемодинамическую ситуацию и нагрузку сердца. Обеспечить минимальное сопротивление изгнанию крови из левого желудочка в этих условиях было непростой задачей, и ее решение было возможно лишь при точном анализе конкретной гемодинамической ситуации в аорте, определяющей рабочую нагрузку сердца.

В принципе, суммарную нагрузку левого желудочка можно было оценить по средним значениям кровотока и давления в аорте, однако, оценить вклад пульсовых составляющих нагрузки, который определялся согласованностью параметров сокращения левого желудочка и тонуса артериального русла, было очень непросто (W.P.Milnor, 1985; J.P.Murgo, J.P.Giolma, S.A.Altobelli, 1981).

Становилось очевидным, что решение проблемы управления объемом притекающей к сердцу крови, было неразрывно связано с проб­лемой регулирования диастолического давления в аорте при непрерывном контроле пульсовых составляющих рабочей нагрузки левого желудочка (за каждый сердечный цикл).

Проведенный патентный и аналитический поиск на глубину 15-20 лет не дал достаточных ответов на эти вопросы. Для обоснованного планирования экспериментальной работы данных литературы было явно недостаточно. К тому же оказалось, что и проблема согласованности изменений параметров сокращения желудочков с изменениями притока крови к сердцу и тонуса артериального русла при переходных процессах в сердечно-сосудистой системе, также практически не исследована.

С целью прояснения ситуации и планирования дальнейшего хода исследований перед научной группой определились следующие рабочие задачи:

• изучить переходные характеристики (временные и сило-скоростные параметры) гемодинамических реакций, возникающих в центральном регионе системы кровообращения^[5] при моделировании изменений притока крови к сердцу и сопротивления изгнанию крови в аорту;
• изучить саму принципиальную возможность функционирования верхнего контура^[6] сердечно-сосудистой системы при ее разобщении^[7] ;
• провести анализ изменений пульсовых составляющих нагрузки левого желудочка при моделировании рассогласования параметров его сокращения с тонусом артериального русла;
• изучить влияние изменений притока крови к сердцу на пульсовые составляющие рабочей нагрузки левого желудочка;
• разработать алгоритм управляемой циркуляторной разгрузки сердца путем снижения притока крови к сердцу во взаимосвязи с изменениями диастолического давления в аорте и при контроле параметров рабочей нагрузки сердца в эксперименте.

Разработка теоретических аспектов гемодинамической разгрузки сердца при острой сердечной недостаточности сопровождалась усилиями коллектива лаборатории по приданию работе практической направленности, тем более, что патентно-литературный поиск свидетельствовал о приоритетности данного направления работы и ее перспективности.

В конечном итоге эти надежды были в некоторой степени оправданы – результаты исследований послужили основой разработки системы управляемого сосудистого кровотока в эксперименте (а.с. №1107849), а также микропроцессорного анализатора нагрузки сердца (АКАДа).

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Планирование экспериментальных исследований требовало серьезного анализа существующего положения дел в рассматриваемой области на основе глубокого патентно-информационного исследования. Этот этап работы включал определение регламента поиска, проведение самого поиска, отбор патентной и научно-медицинской информации, систематизацию и анализ отобранной литературы с последующим обобщением и составлением отчета о поиске. Сам поиск проводился в течение 1987 года по фонду НИИ кардиологии и Томского ЦНТИ.

Предметом поиска являлись способы функциональной разгрузки сердца при острой сердечной недостаточности и способы оценки функционального состояния желудочков при острых гемодинамических состояниях. Поиск информации проводился на глубину 15-20 лет по научным материалам основных стран мира - СССР, США, ФРГ, Великобритании, Франции, Японии, по классификационным индексам А 61В 5/00 и А 61В 5/02. Конкретными источниками информации являлись:

1. Официальный бюллетень Госизобретений СССР "Открытия, изобретения" (за период с 1967 по 1987 г.).
2. "Изобретения стран мира" ("Изобретения в СССР и за рубежом") (с 1972 по 1987 г.).
3. Журналы "Кардиология", "Физиологический журнал СССР", "Бюллетень экспериментальной биологии и медицины" (с 1968 по 1987 г.).
4. МРЖ ВНИИМИ, серия "Кардиология" (с 1975 по 1987 г.).
5. РЖ ВИНИТИ, серия "Физиология и морфология человека и животных" и "Бионика, биокибернетика, биоинженерия" (с 1972 по 1987 г.).
6. Большая медицинская энциклопедия.
7. Сборники научных трудов.
8. Монографии (советские и зарубежные).
9. Руководства по кардиологии и физиологии.
10. Диссертации и авторефераты диссертаций (с 1968 по 1987 г.).
11. Сборник Госкомизобретений "Внедрение изобретений".

Патентно-информационный анализ позволил убедиться в главном - подобным образом рассматриваемая проблема не решалась нигде.

1. Основные принципы и методы гемодинамической разгрузки сердца при острой сердечной недостаточности

Основными целями гемодинамической разгрузки сердца при острой сердечной недостаточности является снижение работы желудочков сердца по перекачи­ванию крови, уменьшение энергозатрат миокарда в период изгнания и улучшение его кровоснабжения, осуществляемое в диастолический период сердечного цикла.

Многочисленные экспериментальные и клинические исследования (А.В.СамойленкоА.В., В.И.Ткаченко, 1970, 1983, 1996; В.И.Шумаков, В.Е.Толпекин с соавт., 1972, 1976, 1980; Ю.В.Белов, 1982; Л.С.Алеев с соавт., 1985; С.В.Альбертин, Н.Л.Войлокова 1993; J.Pierpant, K.A.Halt et al., 1970; E.A.Palank, 1977; N.Jaira et.al., 1980, и др.) показывали высокую эффективность двух подходов к разгрузке сердца, осуществляемых либо уменьше­нием объема притекающей к сердцу крови (1), либо снижением сопротивления выбросу изгнанию крови в аорту (2).

Эффективность этих подходов по отношению к энергозатратам желудочков оказалась неравнозначной - изменение сопротивления изгнанию крови из левого желудочка значительно в большей степени влияло на потреб­ление кислорода миокардом, чем изменение кровенаполнения желудоч­ков в диастолу.

Так, В.И.Шумаковым и В.Е.Толпекиным в 1980 г. было показано, что увеличение работы левого желудочка на 78% за счет повышения давления в аорте увеличивало потребление кислорода миокардом на 75%, а повышение внешней работы сердца в 7 (!) раз за счет увеличе­ния диастолического наполнения желудочков сопровождалось увеличе­нием потребления кислорода всего лишь на 53%.

Потребность миокарда в кислороде определялась не столько величиной диастоли­ческого давления в аорте, сколько напряжением стенки желудочков в систолический период. По данным С.С.Григоряна, В.Я.Изакова, В.С.Мархасина, А.К.Цатуряна (1983), коэффициент корреляции между потреблением кислорода и меридиональным напряжением стенки левого желудочка оказался значительно выше, чем с величи­ной диастолического артериального давления (г=0,99 и 0,42 соответственно). К тому же, ранее, Р.Фоксом (R.H.Fox, 1961) с соавторами, была установлена прямая зависимость между по­треблением кислорода миокардом и площадью под кривой в координа­тах «систолическое давление - объем крови в левом желудочке», причем, корреляционные отношения сохранялись независимо от вида нагрузки желудочков.

С другой стороны, выраженная зависимость энергопотребления миокарда желудочков сердца от напряжения его стенок по­казывала, что разделение разгрузки желудочков объемом и давлением оказалось несколько условным, так как напряжение стенки левого желудочка определялось не только противодавлением крови в аорте, но и объемом заполнения камер сердца в диастолу. Фактором, объединяющим оба вида циркуляторной разгрузки сердца ("по входу" и "по выходу"), являлось также и то обстоятельство, что изменение силы сокращения желудочков происходит по механизмам саморегуляции сердца, влияющим на параметры сокращения желудочков как со стороны поступления крови ("входа"), так и со стороны противодавления изгнанию крови ("выхода").

Эти положения легли в основу многих методов вспомогательного кровообращения (ВК), объединяющих оба способа воздействия на желудочки и осуществляющих гемодинамическую разгрузку сердца путем снижения диастолического наполнения кровью полостей желудочков с одновременным уменьшением сопротивления изгнанию крови в аорту.

Наиболее широкое распространение из методов ВК в 80-е годы получил метод внутриаортальной баллонной контрпульсации, описанный в публикациях В.И.Шумакова, В.Е.Толпекина, С.П.Дергачева (1972), В.И.Бураковского, В.Г.Барынь (1976), M.J.Williams (1980). Целью этого метода являлось снижение механическим путем сопротивления изгнанию крови из левого желудочка и, как следствие, улучшение кровоснабжения миокарда. Суть метода контрпульсации заключалась в изменении просвета аорты баллонным катетером, подключенным к компрессору и схеме управления, синхронизирующей подачу сжатого воздуха в баллон с фазами сердечного цикла. Резкий сброс давления в баллоне, установленного в грудной аорте, в момент изгнания крови из левого желудочка, обеспечивал низкое сопротивление выбросу крови. Быстрое расширение баллона в период заполнения сердца кровью, сопровождаясь возникновением обратного тока крови в аорте, обеспечивало необходимый для кровоснабжения миокарда и головного мозга уровень диастолического давления.

Результаты клинического применения вспомогательного кровообращения при острой сердечной недостаточности подтвердили высокую эффективность циркуляторной разгрузки сердца путем снижения сопротивления выбросу крови из левого желудочка.

Другие (не контрпульсационные) методы разгрузки желудочков – методы "обхода" (шунтирования) сердца, самым доступным из которых, по всей видимости, оказался способ вено-артериальной перфузии сосудистого русла с оксигенацией крови, описанные в монографии В.И.Шумакова и В.Е.Толпекина (1980), позволяли в широких пределах из­менять степень гемодинамической разгрузки сердца в зависимости от его функционального состояния.

Однако, сложность тех­нических и медико-биологических проблем ограничила клиническое применение методов вспомогательного кровообращения с использованием сложных технических устройств, осуществляющих оба вида разгрузки сердца - по "входу" (снижением притока крови к сердцу), и по "выходу" (уменьшением сопротивления изгнанию крови в аорту).

Противопоставлением аппаратным методам являлась медикаментозная разгрузка сердца (МРС) с при­менением сосудорасширяющих средств - периферических вазодилататоров, нашедшая широкое распространение при лечении острой и хро­нической сердечной недостаточности (Н.А.Грацианский, Ю.А.Карпов, М.Я.Руда, 1980; И.Г.Кравченко, 1981; E.A.Palank, 1977; P.K.Shah, 1977; J.Scino et al., 1982; W.Urbaszek, D.Modersohw,1980 и др.).

Применение сосудорасширяющих средств при сердечной недостаточности было основано на умень­шении энергозатрат миокарда вследствие снижения сопротивления ар­териального русла. Наибольшее распространение при МРС получили ни­траты, основными представителями которых являлись нитропруссид натрия и нитроглицерин (В.Д.Вахляев с соавт., 1982; Л.С.Алеев с соавт., 1986; J. Pierpont, 1970; W.R.Machae et al., 1980; R.M.Prewitt, D.U.Wood, 1981). Применение наиболее популярного вазодилататора - нитропруссида натрия - оправдывалось малым периодом его полураспада (около 3 минут), вследствие чего его действие оказалось хорошо управ­ляемым. Эффект расширения артериального русла при введении нитропруссида натрия зависел от дозы вводимого препарата и при прекращении введения быстро проходил.

Применение вазодилататоров при острой сердечной недостаточности позволяло быстро снижать системное давление в артериях без существенных изменений частоты пульса и кровотока (Н.А.Грацианский, Ю.А.Карпов, Н.Я.Руда, 1980), нормализовать давление в малом круге кровообращения, добиваясь снижения давления за­клинивания в легочной артерии более, чем в 1,5 раза, при возрастании сердечного индекса (В.Д.Вахляев с соавт., 1982; J.Pierpont et al., 1970). Следствием МРС являлось уменьшение застойных явлений в ма­лом круге кровообращения, ликвидация отека легких и уменьшение потребности миокарда в кислороде.

Несмотря на то, что применение сосудорасширяющих средств при сердечной недостаточности было оправдано благоприятным эффектом от снижения сопротивления изгна­нию крови в аорту, значительный вклад в эффективность гемодинамической разгрузки сердца оказывало и выраженное действие многих сосудорасширяющих средств на приток крови к сердцу.

Так, было установлено, что применение нитроглицерина и нитропруссида натрия в качестве вазодилататоров, сопровождалось снижением тонуса вен, приводящее к уменьшению притока крови к сердцу (Н.М.Мухарлямов с соавт., 1982; Е.Б.Новикова, 1973; N.Jaira et al., 1980), тогда как использование препаратов, обладающих избирательным артериодилатирующим действием (верапамила, SKEF-24260, гидралазина), на величину диастолического наполнения желудочков оказывало значительно меньшее влияние.

Приведенные данные позволяли заключить, что благоприятный эффект медикаментозной разгрузки сердца был обусловлен не только снижением сопротивления изгнанию кро­ви в аорту, но и уменьшением притока крови к сердцу, хотя артериодилатирующее действие при этом являлось пре­обладающим.

Недостатком медикаментозной разгрузки сердца оказалось то, что диапазон между желаемым ле­чебным эффектом вазодилататоров и неблагоприятным влиянием МРС, был не­велик, вследствие чего существовала реальная опасность критического снижения притока крови к сердцу с уменьшением коронарной перфузии и сердечного выброса (W.Urbaszek et al., 1980).

Избежать крити­ческих ситуаций при МPC позволяла автоматизация введения лекарственных средств с применением ЭВМ. Известные автоматизированные системы, предназначенные для управления величиной системного артериального давления, к тому времени довольно успешно функционировали как в эксперименте, так и в клинике (Е.В.Майстрах, Ю.С.Вайль, 1978; В.А.Воронцов с соавт., 1972; J.B.Slate, B.S.Sheppard, 1982; R.J.Stone, B.Widrow, M.A.Jelderman, 1982). Управление величиной артериального давления осуществлялось введением вазоактивных средств в артериальное русло автоматическими дозаторами-инъекторами, по величине отклонения истинного значения артериального давления от заданно­го, с использованием средств вычислительной техники. Достигнутая точность поддержания диастолического артериального давления на задан­ном уровне была достаточно высока – его отклонение от заданного значения не превышало 7-10 мм рт. ст. (С.В.Альбертин, Н.Л.Войлокова, 1983; A.J.Koivo et al., 1981).

Интерес к реализации различных видов разгрузки сердца объяснялся не только их влиянием на энергопотребление миокарда. Интерес к управляемому снижению притока крови к сердцу в большой степени был обусловлен и тем, что, помимо умень­шения потребности миокарда в кислороде, снижение диастолического кровенаполнения желудочков позволяло существенно улучшить кровоснабжение миокарда за счет умень­шения сдавливания эндокардиальных слоев в диастолу. Было показано, что положительный эффект медикаментозной разгрузки сердца с применением нитроглицерина объяснялся именно воздействием на притоксв крови к сердцу (Н.М.Мухарлямов с соавт., 1982). При этом было установлено, что "...снижение нагрузки объемом...может приводить не к простому усилению сокращений ишемизированного миокарда, а даже к восстановлению его сократительной способности до нормальных величин" (О.П.Шевченко, В.С.Гасилин, 1978).

Результаты исследований прямого действия редуцированного притока крови к сердцу на функциональное состояние ишемизированного миокарда приведены, в частности, в работах Ю.В.Белова (1980, 1981, 1982). Было установлено, что ограничение притока крови к сердцу снижает проявление фазового синдрома гиподинамии, приводит к возникновению синдрома разгрузки объемом правого желудочка, улучшает показатели внутрисердечной гемодинамики. Объемная разгрузка сердца способствовала восстановлению электрической активности миокар­да, уменьшению размеров периинфарктной зоны, ликвидации застойных явлений в малом круге кровообращения. Аналогичные выводы содержались и в работе А.С.Абрамяна (1980), показывающей ухудшение функционального состояния сердца при объемной его нагрузке, и положитель­ное влияние умеренного снижения объема циркулирующей крови на состояние желудочков.

В правильности направления поиска научную группу КиЭФ убедила и публикация одной из статей в журнале Circulation, от которой был получили заряд уверенности и огромный стимул к дальнейшим исследованиям – как было иначе реагировать на то обстоятельство, что в этой статье был описан клинический случай высокой эффективности прямого ограничения притока крови к правому сердцу баллонированием нижней полой вены! Острый отек легких, происшедший у больного с острым инфарктом миокарда после введения изоптина, был купирован через 20 минут с нормализацией гемодинамических параметров путем введения баллонного катетера в нижнюю полую вену для ограничения притока крови к сердцу. При этом наблюдалась четкая связь между ограничением притока крови по нижней полой вене и улучшением сос­тояния больного - восстановление просвета нижней полой вены через несколько минут после ее окклюзии баллонным кате­тером, сразу же приводило к резкому ухудшению системных гемодинамических по­казателей.

В целом, экспериментальные и клинические данные, приведенные в литературе, однозначно указывали на высокую эффективность объемной раз­грузки сердца при острой сердечной недостаточности путем дозированного снижения притока крови к сердцу.

Однако, эти же данные убедили и в том, что ответы на множество вопросов по проблеме управляемого снижения притока крови к сердцу надо было искать в собственных экспериментальных исследованиях.

2. Системные гемодинамические реакции на изменения притока крови к сердцу и тонуса артериального русла

Приток крови к сердцу является исключительно важным фактором, участвующим в формировании основных параметров системного кровотока. Определяя кровенаполнение полостей сердца и состояние тока крови в малом круге кровообращения, венозный возврат к сердцу, наряду с тонусом артериального русла и частотой сердечных сокращений, является одним из основных факторов стабильности артериального давления (Г.П.Конради, Л.И.Осадчий, 1972; А.В.Самойленко, В.И.Ткаченко, 1970; Б.И.Ткаченко, 1975, 1979).

Существенное влияние венозного возврата на системные реакции кровотока обусловлено тем, что к сердцу возвращается фактически вся циркулирующая в организме кровь. Именно поэтому изменение притока крови к сердцу сопровождается выраженными реакциями регионарного и системного кровообращения, направленными на компенсацию этих реакций. Приток крови к сердцу влияет не только на величину выброса крови из желудочков, но и тонус артериальных и венозных сосудов, следствием чего является влияние венозного возврата не только на уровень систем­ного артериального давления, но и длительности его изменений (А.Гайтон, 1969; Б.И.Ткаченко, Д.П.Дворецкий, В.И.Овсянников, 1971; В.П.Конради, Л.И.Осадчий,1976; В.И.Шумаков, В.Е.Толпекин, 1980; С.В.Яхонтов, 1999).

Насколько согласованы изменения, происходящие в различных звеньях сердечно-сосудистой системы, при переходных процессах? Таких звеньев можно вычленить по крайней мере четыре – это желудочки сердца с изменяющимися в результате хроно- и инотропных воздействий частотой и силой сокращений, артериальное русло с изменяющимся тонусом артериальных стенок, это венозное русло со своими механизмами регуляции притока крови к сердцу, и, наконец, прекапилляры микроциркуляторного русла, в существенной мере влияющие на уровень диастолического артериального давления.

Многочисленными исследованиями было выявлено, что сложность, многофакторность и определенная разобщенность местных и системных регуляторных механизмов в сердечно­-сосудистой системе, во многих случаях являлась причиной нарушения взаимосвязей между изменениями венозного возврата с тонусом артериаль­ного русла, приводя к синфазности реакций емкостного и резистивного русла при переходных процессах (О.А.Ковалев, С.А.Шереметьевская, 1981; В.А.Воронцов, М.А.Долгов, 1981). Можно считать установленным тот факт, что изменение тонуса артериального русла влияет лишь на стабилизацию системного артериального давления. Другие же параметры кровеносной системы (величина кровотока, венозное давление, давление в сосудистом русле малого круга кровообращения), а также изменения, вызванные изменением объема крови, не могут быть скорректированы изменением тонуса резистивных сосудов (А.С.Абрамян, 1980).

Влияние тонуса артериального русла на сердечную деятельность в основном оп­ределяется феноменом Анрепа (гомеометрической регуляци­ей сердечной деятельности), который проявляется изменением силы сокраще­ния миокарда в ответ на изменение диастолического давления в аорте при условии постоянства венозного воз­врата (Н.М.Амосов, В.А.Лищук, Б.Л.Палец, 1970; Г.П.Конради, 1980; О.И.Лиссова, Б.Л.Палец, Б.А.Береговский, 1977; Н.М.Амосов с соавт, 1969; S.J.Sarnoff, J.H.Mitolull, 1961). Возросшее диастолическое давления в аорте, вызывая снижение фракции изгнания, вначале сопровождается ростом конечно-диастолического давления в левом желудочке. После кратковременного переходного процесса, составляющего в норме несколько сердечных циклов (Г.П.Иткин с соавт., 1983), сила сокращения желудочков повышается, происходит рост ударного объема, и значение артериального давления стабилизируется на новом, более высоком уровне.

Исследования Н.П.Строгановой и В.И.Коваленко (1986) показали, что комплекс изменений, происхо­дящих при повышении сопротивления изгнанию крови в аорту обеспечива­ет эффективное приспособление функции сердца к изменившимся услови­ям циркуляции кровотока. Эффективность этих приспособительных реакций объясняется согласованными и пропорциональными изменениями параметров сокращения левого желудочка, ударного объема крови и тонуса артериального русла.

На сердечную деятельность оказывают влияние и окружающие его органы. Сердце, находясь (по выражению J.Butler, 1983) "в добрых ладонях" легких, естественно, испытывает влияние дыхательных движений на работу желудочков. Оказывают влияния на работу сердца и другие органы, анатомически расположенные рядом – перикард, диафрагма. При анализе переходных процессов в сердечно-сосудистой системе нельзя было игнорировать и влияние межжелудочковой перегородки на перераспределение крови в системах низкого (полые вены, правые отделы сердца, легкие, левое предсердие) и высокого (левый желудочек и дуга аорты) давлений. Анализ литературы по этим вопросам позволил выяснить следующее.

Сдавливающее действие сокращающейся при дыхании диафрагмы оказалось незначительным, и, как показали исследования J.C.Lloyd, J.A.Coopwer (1983), не оказывало заметного влияния на внутрисердечную гемодинамику.

Влияние органов средосте­ния на системный кровоток отмечалось лишь в случае положительного давления в легких, возникающего при искусственной вентиляции и вызывающего уменьшение объемов желудоч­ков со снижением величины выброса крови из левого желудочка (S.M.Shart, 1981).

Влия­ние перикарда на кровенаполнение желудочков и связанное с этим из­менение их сократимости было описано в ряде работ. Так, D.J.Margano (1980), по результатам измерения центрального ве­нозного давления при ортостатическом воздействии до и после перикардиотомии, показал отсутствие влияния перикарда на сократительную функцию желудочков.

Однако, результаты других исследователей убеждали в обратном. В работе M.H.Chanford с соавт. (1983) было обнаружено достоверное уве­личение конечно-диастолического объема правого желудочка после перикардэктомии более, чем в 1,5 раза. Повышенный, вследствие удаления перикарда, объем кровенаполнения камер сердца, сопровождался ростом максимальной скорости сокращения желудочков при неизменном центральном венозном давлении.

Исследование влияния перикардиотомии на характер зависимости силы сокращения желудочка от объема его заполнения, позволило Linderei J. с соавт. (1983) выявить изменение этой зависимости, вызванный ограничительными свойствами перикарда. Работы других исследователей также указывали на то, что характер зависимости "конечно-диастолическое давление – конечно-диастолический объем" в желудочках сердца, помимо механических свойств миокарда, определялся и влиянием перикарда при объемной пе­регрузке желудочков (E.L.Frey, 1968; H. Refsum et al., 1981; M.Le Winter, R.Pavelic, 1982).

Если влияние диафрагмы, легких и перикарда на внутрижелудочковую гемодинамику оказалось не столь велико, чтобы принимать их во внимание при анализе динамических свойств сердечно-сосудистой системы, то влияние межжелудочковой перего­родки (вследствие ее перемещения) на соотношение объемов желудочков сердца игнориро­вать было нельзя. На влияние этого фактора указывал ряд работ. Так, в экспериментах J.S.Asen с соавт. (1983), окклюзия легочной артерии у собак приводила к смещению межжелудочковой перегородки в сторону левого желудочка вследствие большого увеличения ко­нечно-диастолического и систолического давлений в правом желудочке; растяжение левого желудочка при этом уменьшалось. В публикации F.R.Badke (1982) описано выраженное смещение межжелудочковой перегородки, которое происходило при повышении систолического давления в правом желудочке до 70-80 мм рт. ст. Сужение просвета аорты (L.Reich с соавт., 1970), приводило к увеличению конечно-диастолической длины участка межжелудочковой перегородки вдоль оси сердца, а также длины свобод­ной стенки левого желудочка, при этом конечно-диастолическая длина участка свобод­ной стенки правого желудочка уменьшалась.

В общем случае, влияние межжелудочковой перегородки проявлялось в уменьшении объема одного из желудочков при увеличении объема другого (M.Molang, 1982, 1983). Анало­гичные выводы содержались и в работе V.S.Banka, J.B.Adarwal (1981). Смещение межжелудочковой перегородки оказывало влияние не только на характер гемодинамических изменений при переходных процессах в сердечно-сосудистой системе, но и на пе­рераспределение кровотока в установившемся режиме.

Характер системных гемодинамических реакций, возникающих при изменениях притока крови к сердцу и тонуса артериального русла, находит свое отражение и в изменении времени цир­куляции кровотока через малый круг кровообращения.

Сосудистое рус­ло легких, образующее последовательное сопротивление между желудоч­ками сердца, играет роль своеобразного буфера, смягчающего резкие изменения кровотока в системах низкого и высокого давлений. Высокая эластич­ность артерий малого круга кровообращения, способность сосудистого русла легких к депонированию некоторого количества крови, а также большой диапазон изменений кровотока через малый круг кровообращения, являются причинами значи­тельного изменения времени циркуляции легочного кровотока, которое, по данным В.Г.Аматуняна (1958), В.В.Парина, Ф.З.Меерсона (1965), может изменяться от 2-х до 12-ти секунд. При проведении исследований это время зависело от объема циркулирующей крови и величины кровотока. Рост частоты пульса приводил к возрастанию кровотока и, как следжствие, значительному укорочению времени циркуляции крови через легкие. Так, при увеличении давления в легочной артерии в 2 раза вследствие возрастания минутного объема крови, время циркуляции крови через малый круг кровообращения уменьшалось более, чем в 3 раза (W.W.Wagner с соавт., 1982). Выявленная зависимость времени циркуляции кровотока через малый круг кровообращения от активности желудочков сердца, легла в основу использования этого времени в качестве показателя функциональ­ного состояния центральных отделов кровеносной системы (А.В.Виноградов с соавт., 1983).

В работах Р.Д.Григоряна (1982, 1983), Б.Л.Палец (1983), W.W. Von Maltrahn, W.R.Osborn (1982) описано влияние барорефлекторных регуляторов гемодинамики на перераспределение кровотока в системах низкого и высокого давлений при изменении притока крови к сердцу или тонуса артериального русла.

Была установлена чрезвычайно важная роль барорецепторов в сглаживании колебаний артериального давления при переходных процессах в сердечно-сосудистой системе. Моделирование в экспериментах изменений активности рецепторов каротидного синуса и аорты сопровождалось разнонаправленными изменениями кровотока, преследующими цель стабилизации артериального давления (В.В.Братусь, 1968; Г.П.Конради, 1980; L.Granata, 1966). Влияние барорецепторов проявлялось спустя десятки секунд с момента изменения гемодинамической ситуации, в начале которой ведущая роль в динамике переходного процесса принадлежала гемодинамическим факторам и механизмам саморегуляции сердца (Н.М.Амосов, В.А.Лищук, Б.Л.Палец, 1970; О.И.Лиссова, Б.Л.Палец, Б.А.Береговский, 1977).

Изменения центральной гемодинамики и характер переходных процессов при изменении возврата крови к сердцу наиболее полно изуче­ны при ортостатическом воздействии и создании отрицательного давления на нижнюю половину тела (ОДНТ), которые используются в качестве функциональных проб при исследованиях сердечно-сосудистой системы в авиакосмической и спортивной медицине (Л.Я.Андрияко с соавт., 1977; И.В.Арсентьева, 1981; Г.С.Белкания, 1978, 1981; L.D.Montgomery с соавт., 1977; M.Shemizu с соавт., 1979; R.A.Slutsky с соавт., 1982).

Многочисленные исследования показали, что ОДНТ вызывает снижение центрального объема крови и величины выброса из левого желудочка, повышение частоты сердечных сокращений, падение систолического и пульсового артериального давления, возрастание тонуса периферических и центральных сосудов, а также перестройку фазовой структуры сердечного цикла (Л.Я.Андрияко с соавт., 1977; В.Г.Волошин, Л.Я.Дивина, 1973).

В результате перемещения части крови в венозное русло нижней половины тела, обладающее большой емкостью, ОДНТ снижало приток крови к сердцу, уменьшало кровенаполнение сердца и сердечно-легочной области. Эти изменения приводили не только к изменению системной гемодинамической ситуации, но и к возникновению ряда ответных гемодинамических реакций, направленных как на увеличение цент­рального объема крови (вследствие повышения тонуса артериальных сте­нок), так и на дополнительное перераспределение объема крови по ме­таболическому градиенту (Г.С.Белкания, 1978; А.Д.Егоров, А.П.Полякова, 1983).

Приток крови к сердцу оказался очень чувствительным к ОДНТ. Снижение венозного возврата, наступающее при ОДНТ, сопровождалось наибольшим уменьшением центрального венозного давления уже в начале воздействия даже при малой степени декомпрессии (В.Е.Катков с соавт., 1981), вследствие чего происходило заметное снижение выброса крови в аорту (Е.И.Воробьев с соавт., 1976, 1981). Дальнейшая декомпрессия сопровождалась замедленным изменением параметров центральной гемодинамики.

Одна из самых известных и широко распространенных функциональных проб, механизм воздействия которой основан на снижении притока крови к сердцу (ортостатическая проба), осуществляемая переводом положения тела из горизонтального положения в вертикальное, вызывает аналогичные изменения в сердечно-сосудистой системе. Результат ортостаза проявляется депонированием 300-800 мл крови в сосудах, расположенных ниже сердца, снижением на 20% центрального объема крови, следствием чего является уменьшение минутного объема крови. Исходные значения частоты пульса и артериального давления не в этой ситуации имеют значения, и не оказывают влияния на степень их изменений при ортостазе. Изменения в фазовой структуре сердечного цикла при ортостазе сводились к увеличению длительности фазы изометрической систолы, индекса напряжения миокарда и межфазового коэффициента.

Обратное воздействие на сердце в виде увеличения венозного возврата, происходящее при антиортостазе, или сбросе ОДНТ, сопровождалось относительным удлинением периода изгнания крови, укорочением изометрической систолы и снижением ин­декса напряжения миокарда (Л.Я.Андрияко, В.Г.Волошин, В.А.Дегтярев, 1982). Давление в правом предсердии и легочной артерии при этом быстро увеличивалось и в течение коротко­го времени (30 секунд) достигало исходного уровня, несколько пре­вышая его. Последующие гемодинамические сдвиги дополнялись включением рефлекторных влияний с синокаротидной и аортальной рефлексогенных зон, а также устья полых вен. Эти воздействия, регулирующие кровообра­щение по типу кардио-кардиальных и висцеро-кардиальных рефлексов, способствовали стабилизации кровотока в сердечно-сосудистой системе по окончанию переходного процесса на необходимом уровне.

Снижение притока крови к сердцу при ортостазе и ОДНТ происходит за счет уменьшения центрального объема крови вследствие активного ее депо­нирования в венозные сосуды периферии. Изучение же системных гемодинамических реакций, возникающих в ответ на избирательное изменение притока крови к сердцу, исключающее дополнительные влияния на звенья кровеносной системы, проводилось лишь в единичных случаях (M.L.Weisfeldt с соавт.. 1974). Проведенный патентно-информационный поиск не выявил систематизированных данных о переходных процессах, происходящих в сердечно-сосудистой системе при изолированных (селективных) изменениях возврата крови к сердцу или тонуса артериального русла.

Между тем, без знания динамических свойств центрального региона системы кровообращения решение задачи управ­ляемой объемной разгрузки сердца не представлялось возможным.

3. Рабочая нагрузка левого желудочка и ее оценка.

Под термином "рабочая нагрузка" мы понимали тот уровень нагрузки, которую приходится преодолевать левому желудочку (ЛЖ) при изгнании крови в аорту. В кардиологии аналогом этого термина являются термины "нагрузка сопротивлением", или "постнагрузка".

Рабочая нагрузка левого желудочка в значительной степени зависит от параметров системной гемодинамики и определяет потребность миокар­да в кислороде (J.Vinter-Johanson с соавт., 1982). Преодоление левым желудочком сопротивления изгнанию крови в аорту начинается с момента от­крытия аортальных клапанов, после превышения давления в полости левого желудочка диастолического давления в аорте (Т.Педли, 1983).

Работа по преодолению этого сопротивления складывается из многих компонент; в целом же можно принять, что нагрузка ЛЖ определяется непульсирующей ("активной") и пульсирующей ("реак­тивной") составляющими кровотока. Активная составлявшая нагрузки определяется объемом перекачиваемой крови и уровнем диастолического артериального давления^[8]. Сопротивление же пульсирующей компоненте кровотока (реактивная составляющая нагрузки ЛЖ) оказалось зависимым от частоты пульсаций - повышение ЧСС или возникновение волн кровотока с частотой выше основных колебаний затрудняло прохождение пульсовой волны по артериальному руслу и, сле­довательно, повышало нагрузку ЛЖ (B.M.Anliker с соавт., 1968; W.R,Milnor, 1975).

На уровень рабочей нагрузки ЛЖ оказывают влияние многие факторы – конусность аорты, наличие ретроградных волн кровотока, частота пульсаций, объем перекачиваемой крови, тонус артериальных стенок и т.д., вследствие чего сопротивление артериального русла представляет для левого желудочка не постоянную, а изменяющуюся в процессе изгнания, динамическую нагрузку (Т.Педли, 1983; С.Регирер 1993).

В 1975 году W.R.Milnor предложил использовать в ка­честве показателя рабочей нагрузки левого желудочка значение суммарного сопротивления аорты (входной импеданс). В проводимых W.Milnor исследованиях, импеданс аорты определялся как отношение мгновенных значений пульсового давления к скорости кровотока в аорте. Вследствие причин биологического и гидромеханического характера, изменения этих параметров во времени далеки от синусоидальных, вследствие чего вклад составляющих кровотока в суммарную нагрузку левого желудочка приходилось оценивать путем разложения значений импеданса аорты на гармонические составляющие путем их преобра­зования по Фурье (спектральным анализом кривой входного импеданса аорты) (D.H.Bergol, W.R.Milnor, 1965; J.P.Murgo с соавт., 1981; R.S.Elkins, W.R.Milnor, 1971; H.Piene, J.Sund, 1982).

Увеличение сопротивления артериального русла, моделируемое в экспериментах внутрисосудистым введением норадреналина или сужением просвета аорты, закономерно изменяло спектр входного импеданса аорты, увеличивая амплитуду «высокочас­тотных» составляющих пульсирующего кровотока. Сердечная недостаточность, проявляющаяся снижением сократимости желудочков и компенсаторным повышением тонуса артериального русла, сопровождалась возрастанием импеданса с появлением мак­симумов спектра на частотах 6-8 Гц, при отсутствии таковых в норме.

Литературные данные наводили на мысль о том, что величина суммарной нагрузки сердца в целом, и левого желудочка в частности, во многом определялась согласованностью изменений притока крови к сердцу, параметров сокращения желудочков и тонуса артериального русла, а не значением какого-либо изолированного параметра.

Многочисленные исследования по этому поводу показывали, что согласованность изменений венозного возврата, силоскоростных характеристик желу­дочков и тонуса артериального русла в норме очень высока (В.Г.Левадный, 1982; W.Lochner, 1952; S.Nutry с соавт., 1981; K.Campbell, J.Ringo, C.Netti, 1983). Регуляторные механизмы, влияющие на величину притока крови к сердцу, параметры сокращения желудочков и тонус артериальных стенок, обеспечивают минимум энергозатрат желудочков сердца при выполнении им насосной функции (В.Г.Левадный, 1982). В физиологическом диапазоне изменений параметров центральной гемодинамики обеспечивается минимальное значение вход­ного импеданса аорты (J.Li, J.Meblin, A.Noordergraaf, 1982), причем, это положение оказалось справедливым как для ле­вого, так и для правого желудочков (D.H.Bergol, W.R.Milnor, 1965; R.S.Elkins, W.R.Milnor, 1971).

И все же, согласованность взаимодействия звеньев сердечно-сосудистой системы при переходных процессах наблюдалась не всегда.

В частности, при определенных условиях сопротивление изгнанию крови в аорту оказывает фиброзное кольцо аортального клапана. Ве­личина этого сопротивления в исследованиях оценивалась разницей давлений в полости левого желудочка и аорте в процессе изгнания. В подавляющем большинстве случаев это сопротивление минимально – исследования показали, что выброс крови из левого желудочка происходил при незначитель­ном перепаде давлений "ЛЖ – аорта", с максимумом этого перепада в первой трети периода изгнания (А.Д.Смирнов с соавт, 1981; M.J.M.Noble, 1968).

Иная ситуация наблюдалась при увеличении скорости изгнания (более 2 м/с для собак). В этом случае сопротивление клапанного аппарата аорты резко повышалось, о чем свидетельствовало воз­растание градиента давлений "ЛЖ –аорта" в 8-9 (!) раз с перемещением мак­симума в середину периода изгнания (Т.Педли, 1983).

Зависимость параметров нагрузки левого желудочка от конечно-диастолического объема крови в полостях сердца хорошо известна. Этот объем (при неизменной сократимости миокарда) определяет скорость и ве­личину выброса по двум механизмам саморегуляции сердечной деятельности - механизму Франка-Старлинга и механизму активации внутрисердечной нервной системы (С.С.Григорян с соавт., 1983; Г.И.Косицкий, 1987).

В свою очередь, на скорость и величину наполнения желудочков существенное влияние оказывает и диастолическая активность желудочков (J.Hirota, 1982), связанная с сократительной активностью миокардиальных волокон (Ф.З.Меерсон, В.И.Капелько, 1973). По всей видимости, эта взаимосвязь, обусловленная единством механизма развития сокращения и расслабления миофибрилл, отражает природно-обусловленное единство структурной организации сердечного цикла (В.Д.Цветков, 1982, 1984; M.L.Weisfeldt с соавт., 1974).

Впрочем, как уже указывалось выше, это единство наблюдалось далеко не всегда. Так, рост диастолической активности ЛЖ может сопровождаться возникно­вением выраженного присасывающего действия в ранний диастолический период (M.Hori, E.L.Gellin, 1982; H.N.Sabbah, P.D.Stein, 1981). Росту присасывающего эффекта, наряду с активным сокращением наружного косого и внутреннего прямого слоев миокарда желудочков сердца в фазы релаксации и быстрого наполнения, способствовало смещение предсердно-желудочковой перегородки (В.Н.Фатенков, 1982). Появление при этом пиков отрицательного давления в желудочках в конце диастолы рассматривалось В.И.Астафьевым (1982) как признак несогласованности работы систем низкого и высокого давлений, свидетельствуя, по его мнению, о недостаточности венозного возврата.

Возникновению рассогласования параметров сокращения ЛЖ и тонуса артериального русла способствует то обстоятельство, что сопротивление изгнанию крови в аорту не постоянно, а является переменной величиной, определяясь изменением внутреннего сопротивления (импеданса) левого желудочка и входного импеданса аорты (П.Джонсон, 1982). В начале периода изгнания импеданс левого желудочка, рассматриваемого в качестве генератора тока крови, составлял величину, примерно в 6 раз меньшую входного импе­данса аорты. В процессе дальнейшего изгнания крови значения импедансов желудочка и аорты выравнивались.

Если в начале изгнания скорость сокращения миокарда определяется собственным механизмом ограничения скорости его сокращения (кинетикой кальциевой активации миофибрилл), то в процессе изгнаний крови роль сопротивления артериального русла в формировании нагрузки левого желудочка значительно возрастает. Оценить вклад артериального русла в суммарную нагрузку левого желудочка в процессе изгнания довольно затруднительно. Этого можно было достигнуть лишь технически сложным путем определения динамики давления и объема крови в аорте и полостях сердца. Тем интересней с практических позиций оказалось то обстоятельство, что изменение вкла­да сердечного и сосудистого компонентов в нагрузку левого желудочка в процессе изгнания нашло свое отражение в динамике пульсового давления в аорте.

Анализ этой взаимосвязи проводился в единичных рабо­тах того времени (J.P.Murgo с соавт., 1980, 1981). Было установлено, что повышение со­противления артериального русла (характеристического импеданса аорты), сопровождается подъемом пуль­сового давления в аорте во вторую фазу изгнания за счет возникновения отраженных волн кровотока.

Очевидно, что изучение механизмов взаимодействия артериального русла и левого желудочка в процессе изгнания крови, а также установление связи этих механизмов с формой пульсового аортального давления имело практичес­кий смысл – кривые давления в аорте значительно более доступны для регистрации и анализа, чем регистрация объемно-силовых соотношений параметров кровотока или спектральный анализ входного импеданса аорты.

С другой стороны, поиск критериев оценки насосной функции левого желудочка осуществлялся и по другим направлениям. В ряде работ (Ц.Р.Орлова, 1982; Г.П.Иткин с соавт., 1983;) описаны найденные зависимости между различными составля­вшими кровотока и давления в период изгнания крови в аорту.

Малая зависимость скорости сокращения миокарда от сопротивления артериального русла предоставила возможность использования скорости нараста­ния пульсового АД (+dp/dt Ао) в качестве показателя насосной функции сердца, имеющего самостоятельное значение (J.P.Dubrel, Skowkonska-Oleksik, 1983; M.A.Quinones, W.H.Gaasch, J.K.Alexander, 1976). Наиболее высокая корреляция обнаружилась между нормированными значениями скорости нарастания пульсового давления в аорте и скорос­ти изоволюмического сокращения левого желудочка. Ясно, однако, что использование такого показателя давало ограниченные сведения о сократительных свой­ствах желудочков, так как скорость нарастания давления в аорте зависела от многих гемодинамических факторов, а не только от скорости нарастания давления в полости левого желудочка в изоволюмический период.

Ц.Р.Орловой с соавторами (1982) была выявлена линейная зависимость меж­ду пиковыми значениями внутрижелудочкого давления и кровотока в аорте. Положение этой прямой в координатах "давление-кровоток" изменялось в зависимости от функционального состояния левого желудочка - инотропные факторы сдвигали ее вверх, а снижение сократимости желудочков - вниз.

Ори­гинальным являлся подход Г.П.Иткина с соавт., (1983) к разработке критериев оценки насосной функции сердца, основанный на представлении левого желудочка, как генератора тока кро­ви. Оценка нагрузки сердца проводилась путем дискретного увеличения сопротивления потоку крови в момент систолы, с последующим расчетом внутреннего сопротивления желудочков как отноше­ние скорости кровотока к давлению в аорте.

Общим в разработке критериев оценки насосной функции левого желудочка по эжекционной фазе сердечного цикла (параметрам периода изгнания) являлось то обстоятельство, что они базировались на анализе динами­ки давления и кровотока в аорте, и в той или иной мере характеризовали сокра­тительные свойства желудочков.

И все же, несмотря на значительное количест­во предложенных для этой цели «индексов», оценка соответствия параметров выброса и тонуса артериального русла являлась затруднительной (С.С.Григорян, В.Я.Изаков, А.К.Цатурян, 1983). Анализ литературы показал практическое отсутствие данных о характере взаимоотношений левого желудочка и тонуса артериального русла при переходных процессах, происходящих в сердечно-сосудистой системе вследствие регуляторных воздействий.

Достаточного количества убедительных данных о влиянии притока крови к сердцу на пульсовые составляющие нагрузки левого желудочка, в условиях рас­согласования параметров сокращения левого желудочка и тонуса артериального русла, нами обнаружено не было. Между тем, изучение этих вопросов являлось основой для определения критериев, отражающих из­менение вклада сердечного и сосудистого компонентов в условиях гемодинамической разгрузки сердца.

Результаты проведенных патентно-информационных исследований позволили определить основные тенденции развития науки по предмету нашего поиска. Эти тенденции отражались в стремлении повышения точности диагностики состояния сердечно-сосудистой системы при острой патологии, совершенствованию мониторных систем и входящих в них устройств, разработке новых показателей функционального состояния сердца и сердечно-сосудистой системы в целом, в стремлении к индивидуализации лечения острой сердечной патологии.

Недостатками существующих на период исследования способов и устройств для управляемой разгрузки сердца при его недостаточности, а также способов оценки функционального состояния сердца в условиях его объемной разгрузки являлось то, что с их помощью было невозможно управлять кровотоком через сердце и легкие, и, тем самым, изменять гемодинамическую разгрузку миокарда. Существующие способы оценки функционального состояния сердца и оценки насосной функции желудочков не учитывали величину затрат мощности, развиваемой левым желудочком при изгнании крови в аорту, в условиях рассогласования параметров сокращения сердца и тонуса артериального русла.

Определяя подходы к решению поставленной перед нами цели мы исходили из того, что разработка способов и устройств для гемодинамической разгрузки сердца, наряду со способами и устройствами для оценки энегозатрат сердца при изгнании, имеет большое значение при проведении различных лечебно-диагностических манипуляций при сердечной недостаточности, а также при выборе тактики лечения с учетом конкретного состояния больного.

Проанализировав результаты патентно-информационных исследований и определившись с реальными возможностями научной группы, мы и приступили к работе.

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

2.1. Техника экспериментальных исследований

Экспериментальная часть исследований^[9] была проведена в операционном блоке лаборатории клинической и экспериментальной физиологии НИИ кардиологии теоретического корпуса СФ ВКНЦ АМН СССР^[10]. Объектом исследования служили беспородные собаки (всего 76), кролики (63) и белые крысы (390). Собак, по договору, поставляла в виварий лаборатории служба спецавтохозяйства г.Томска; крысы и кролики поступали централизованно. Собаки, в своем большинстве, внешне напоминали болонок, но часто доставлялись и крупные особи неизвестной породы.

Перед нами стояла задача – разобраться с переходными процессами, происходящими в сердечно-сосудистой системе при различных соотношениях возврата крови к сердцу и сопротивления изгнанию крови в аорту, а также при моделировании рассогласования параметров сокращения левого желудочка и тонуса артериального русла. Решение этих задач подразумевало проведение острых (без соблюдения правил асептики и антисептики) экспериментов.

Премедикацию животных проводили вне операционного блока введением в плевральную полость (проколом межреберных мышц) раствора тиопентала натрия дозой 50 мг на кг веса животного. Раствор готовился непосредственно перед использованием, наркотизация животного достигалась через 10-30 секунд после введения раствора. После фиксации животного на операционном столе наркоз осуществлялся дробным введением того же тиопентала натрия в бедренную вену, в той же дозировке, на протя­жении всего эксперимента.

Наркотизированного животного интубировали (собак – обычным способом, кроликов – через наружный разрез выделенной трахеи), и дальнейшие манипуляции проводили под искусственной вентиляцией легких аппаратом РО-2 в условиях вскрытой грудной клетки.

Разрез тканей и коагуляцию сосудов произво­дили электроножом ОН-57, чем достигалась полная и быстрая остановка кровотечения. Комфорт, нарушенный от возникающего при этой манипуляции дыма и запаха, быстро восстанавливался четырьмя оконными кондиционерами.

2.2. Определение динамических характеристик ЦРСК

Напомним, что термином "центральный регион системы кровообращения (ЦРСК)" обозначался комплекс органов, динамические характеристики которого и являлись предметом исследований. ЦРСК включал систему низкого давления (полые вены, правые отделы сердца, сосудистое русло легких, левое предсердие) и систему высокого давления (левый желудочек и дугу аорты). Структурная схема ЦРСК приведена на рис.3.

Рис.3. Структурная схема центрального региона системы кровообращения (ЦРСК).

НПВ – нижняя полая вена; ВПВ – верхняя полая вена; ПЖ – правый желудочек; ЛГ – сосудистое русло легких; ЛЖ – левый желудочек; НА – нисходящая часть дуги аорты. Стрелками обозначен путь крови.

Динамические характеристики ЦРСК определялись путем внесения кратковременного внешнего возмущающего воздействия с последующим анализом ответных гемодинамических реакций. Этот метод хорошо известен в теории автоматического регулирования и используется при анализе динамических свойств изучаемых объектов (А.С.Клюев, 1973; И.М.Макаров, Б.М.Менский, 1977), в том числе и биологических (В.И.Бураковский с савт., 1982). Возмущение в ЦРСК вносили пу­тем ступенчатого изменения притока крови к сердцу, сопротивления из­гнанию крови в аорту, а также изменения силы и скорости сокращения желудочков сердца.

Приток крови к сердцу в разных сериях экспериментов изменяли путем сужения просвета нижней полой вены наложенными на сосуды лигатурами, либо механическими регулируемыми зажимами, а также баллонными катетерами.

Аналогично производили и изменение сопротивления изгнанию крови в аорту с той лишь разницей, что изменение просвета механическим путем производили на уровне нисходящей части дуги аорты. Лигатуры и зажимы накладывались на полую вену и аорту после двухсторонней торакотомии, а баллонные катетеры проводили в НПВ и аорту через выделенные бедренные сосуды (рис.4).

В устье полых вен проводился зонд от измерительной камеры мембранного манометра; катетер для внутрисосудистого введения лекарственных средств, проводили через выделенные бедренные вены. Зонды от камер манометров для измерения давления в полостях сердца проводили через ушки предсердий с последующим лигированием ушек и подшиванием зондов к окружающим тканям для предотвращения их выскальзывания из полости сердца.

Запись гемодинамических изменений, происходящих в полостях сердца, аорте и со­судистом русле легких после внесения возмущения в ЦРСК, производилась на протяжении всего переходного процесса, до наступления стабилизации гемодинамических параметров.

Рис.4. Схема экспериментов по изучению гемодинамических реакций центрального ре­гиона системы кровообращения на изменение притока крови к сердцу и сопротивления изгна­нию крови из левого желудочка.

1 - зонд для измерения центрального ве­нозного давления; 2 - зонд для измерения давления в правом желудочке; 3 - зонд с термистором МТ-54 для определения времени циркуляции кровотока; 4 - комбинированный зонд для измерения давления в нисходящей аорте и определения МОК; 5 - зонд для из­мерения давления в левом желудочке. БК – баллонные катетеры; НПВ – нижняя полая вена; ВПВ – верхняя полая вена; НА – нисходящая часть дуги аорты,; ЛЖ – левый желудочек.

Запись медленных изменений (например, кривой терморазведения при определении минутного объема крови, а также регистрация динамики входного импеданса аорты), производилась на самописец КСП-4, скорость движения ленты которого составляла 10 мм/с.

Фрагменты быстрых изменений параметров гемодинамики записывались на самописцах 6NEK (Германия) и Н338 (СССР) при скоростях движения ленты 100 и 200 мм в секунду.

По полученным переход­ным характеристикам (ПХ) ЦРСК определялись параметры переходного процесса (рис.5) - длительность переходного процесса (t пх), величина изменения давления в аорте (h пх) а также постоянные времени его изменения ПХ (Т).

Постоянная времени переходной характеристики (Тпх) является важным показателем, определяющим динамические свойства анализируемого объекта (в нашем случае ЦРСК). При равенстве длительности переходного процесса и значения постоянной времени (t=T), значение ПХ составляет 63% установившегося значения.

Рис.5. Определение временных характеристик ЦРСК по кривой переходного процесса.

t – время переходного процесса; h – степень изменения артериального давления; t пх - длительность переходной характеристики; 0,2 и 0,7 - уровни переходной характеристики от максимального значения, принятого за единицу.

Изменение артериального давления после быстрой окклюзии нисходящей аор­ты происходило через некоторое время, необходимое для адаптации левого желудочка к изменившимся условиям (В.В.Орлов с соавт., 1983; Г.П.Конради, 1980). Переходная характеристика име­ла нелинейный, S -образный характер^[11].

Для понимания сути изменений, происходящих в начале и конце переходного процесса, определялись две постоянные времени – Т1 для начальной ветви переходной характеристики (20% от начала ПХ), и Т2 - для конечной (70% ПХ), по значениям t и h переходного процесса. Значения постоянных времени определялись по номограммам, приведенным в монографии А.С.Клюева (1973).

Динамические свойства ЦРСК оценивались не только при нормальной сократимости желудочков, но и при ухудшении их функционального состояния. Как показала практика, одной перевязки изолированной коронарной артерии было недостаточно для того, чтобы вызвать у собак острую сердечную недостаточность, поэтому, моделирование острого инфаркта сопровождали коарктационной перегрузкой левого желудочка путем кратковременного (несколько раз по 5-10 секунд) перекрытия просвета аорты. В экспе­риментах на собаках перевязывалась выделенная коронарная артерия, а на кроликах, ввиду технических трудностей выделения коронарной артерии, ее перевязывали вместе с веной.

Непосредственно после перевязки коронарной артерии на поверхности желудочков наблюдалась выраженная бледность инфарктной зоны, а об ухудшении функционального состояния сердца судили по снижению скорости нарастания и спада давления в левом желудочке (±dp/dt ЛЖ) и по снижению диастолического давления в аорте. Случаи возникновения выраженных аритмий с критическими нарушениями системного кровотока были единичны, и результаты этих экспериментов во внимание не принимались.

2.3. Моделирование острых гемодинамических состояний при анализе рабочей нагрузки левого желудочка.

Под «острыми гемодинамическими состояниями» (далее - ОГС) мы понимали моделирование рассогласования параметров сокращения левого желудочка и сопротивления выбросу. Моделирование осуществлялось путем изолированного воздействия на сердце (медикаментозно) и сопротивления изгнанию крови в аорту (механическим путем, или медикаментозно) на фоне изменений притока крови к сердцу.

Смысловое содержание моделирования ОГС основывалось на данных экспериментальных и клинических наблюдений о том, что сократимость миокарда при острой сердечной недостаточности может изменяться как в сторону повышения, так и в сторону снижения за счет компенсаторных реакций сердечно-сосудистой системы или в результате интенсивной медикаментозной терапии. По этим же причинам может изменяться и тонус артериального русла в результате компенсаторной констрикции сосудов, или при коллапсе, примене­нии вазодилататоров. В результате, согласованность параметров сокращения левого желудочка и тонуса артериального русла, характерная для нормы (Н.М.Амосов, В.А.Лищук, Б.Л.Палец, 1970; В.Г.Левадный, 1982; В.Д.Цветков, 1982, 1984) при острой сердечной недостаточности может нарушаться.

Моделирование ОГС, характеризующихся как однонаправленным, так и разнонаправленным измене­нием сократимости желудочков и тонуса артериального русла, проводилось с целью анализа процессов, сопровождающих возникновение рассогласования притока крови к сердцу, параметров сокращения желудочков и тонуса артериального русла. Моделировались следующие ОГС:

1. Снижение тонуса артериального русла при интактной сокра­тимости желудочков. Это состояние достигалось внутривенным введением нитропруссида натрия в дозе 8 мкг/кг, или внутриартериальнгым введением триацетата брадикинина в дозе 0,005 мкг/кг. Триацетат брадикинина вводился внутриартериально, с целью предотвращения его быстрого разрушения кининазами.

2. Повышение сократимости желудочков одновременно с увеличением тонуса артериального русла. Это состояние моделировалось внутривенным введением адреналина тригидрата в дозе 2 мкг/кг.

3. Увеличение силоскоростных параметров сокращения желудочков при одновременном снижении то­нуса артериального русла. Это состояние создавали внутривенным введением новодрина в дозе 5 мкг/кг.

Помимо этого, на фоне действия вводимых в сосудистое русло средств, механическим путем производили ограничение притока крови к сердцу (сужением просвета нижней полой вены), или повышение сопротивления выбросу (сужением просвета нисходящей части дуги аорты). Эти манипуляции были нужны для анализа влияния притока крови и сопротивления выбросу на параметры рассогласования сило-скоростных характеристик желудочков и тонуса артериального русла.

Таким образом, моделировались практически все возможные случаи рассогласования притока крови к сердцу, параметров сокращения желудочков и тонуса артериального русла.

Выбор препаратов для создания острых гемодинамических состоя­ний определился их быстрой инактивацией в организме, а также известным влиянием этих препаратов на сердечно-сосудистую систему (О.М.Авакян, 1977; В.Д.Вахляев с соавт., 1982; А.А.Дзизинский, С.А.Гомазков, 1976). Дозы вводимых препаратов были подобраны в процессе предварительных экспериментов таким образом, что однократное их введение вызывало кратковременный преходящий гемодинамический эффект с возвратом, в большинстве случаев, параметров гемодинамики к исходному значению.

2.4. Регистрация гемодинамических параметров

Для регистрации системных гемодинамических изменений в ЦРСК использовалась следующая отечественная и импортная измерительная и регистрирующая аппаратура: полиграф ''Са­лют" с емкостными мембранными артериальными и венозными датчиками давления, электромагнитные расходомеры РКЭ-2БИ, реограф РГ-4-01, реоплетизмограф РПГ-2-02, спектроанализатор Берга-Фурье (Италия), рентгенаппарат TUR-D18 (ГДР), 8-ми канальные мониторы ИМ-789, электрокардиограф 6NEK с шестиканальным самописцем (ГДР), восьмиканальный чернильный самописец Н-338, компенсационный самописец для записи медленных процессов КСП-4, аналого-цифровой делитель-перемножитель, электронные дифференциаторы и фильтры для обработки электрических сигналов с датчиков давления, расхода и ЭКГ^[12].

Помимо этого, для анализа нагрузки сердца при моделировании ОГС использовалось дополнительное электронное оборудование (электронные фильтры, усилители сигналов, делители-перемножители, дифференциаторы). Упрощенная схема регистрации параметров нагрузки сердца приведена на рисунке 6.

Рис.6. Структурная схема экспериментов по изучению динамики изгнания крови из левого желудочка.

1 - датчик расходомера РКЭ-2БИ; 2 - датчик давления полиграфа «Салют»; 3 - аналоговый делитель-перемножитель; 4 - анализатор спектра; 5 - самописец 6NEK;

V - скорость кровотока в аорте; Р - мгновенное значение давления в аорте; V/P - значение входной проводимости аорты; V х P - значение мощности выброса из левого желудочка.

Датчик расходомера РКЭ-2БИ (использовались датчики внутренним диаметром от 4-х до 12-ти мм) устанавливали на восходящую часть дуги аорты после левосторонней торакотомии. Для устранения артефактов, возникающих на ленте самописца от механического сме­щения датчика, его фиксировали подшиванием кабеля, отходящего от датчика, к межреберным мышцам и коже. Давление в дуге аорты определяли в проекции расположения датчика расхода, куда проводили сосудистый зонд от измерительной камеры электроманометра.

Сигналы с выходов расходомера (1 на рис. 4 ) и электроманометра для измерения артериального давления (2) поступали на входы аналого-цифрового делителя-перемножителя (3). Значение отношения V/P поступало на на спектроанализатор (4) и на самописец 6NEK (5) для записи аналоговых значений скорости кровотока (V), давления в дуге аорты (P), их отношения (входной проводимости аорты, V/P), и произведения (мощности выброса из ЛЖ, VхP).

Запись сигналов производили при скорости движения ленты 200 мм/с. Параллельно с этим производили запись отношения V/P на само­писце KСП-4 при скорости движения ленты 2 мм/с (пример записи входной проводимости аорты при моделировании ОГС приведен на рис.7).

Рис. 7. Фотография участков ленты самописца с записью медленных изменений входной проводимости аорты (V/P) при внутривенном введении нитропруссида натрия (а) и адреналина (б).

Наблюдается существенное повышение проводимости аорты при снижении сопротивления артериального русла введением нитропруссида натрия (левая запись), и ее снижение при введении адреналина (справа).

Давление в сосудах и полостях сердца измерялось емкостными электроманометрами полиграфа «Салют». Предварительное тестирование этих манометров показало их достаточно высокие скоростные характеристики и практически линейную зависимость выходного сигнала от давления в измерительной камере.

Перед началом каждой серии экспериментов производилась калибровка датчиков, а уход нуля корректировался перед началом записи гемодинамических параметров на самописцы.

Для визуального контроля входных и выходных сигналов использовались восьмилучевые мониторы ИМ-789. С целью ликвидации искажений кривых давления по причине образования тромбов в катетерах, катетеризации желудочков предшествовало внутривенное введение животному гепарина из расчета 0,1 мл официнального раствора на 300 мл изотонического раствора хлористого натрия. С этой же целью производилась периодическая промывка катетеров этим же раствором.

В части экспериментов, измерение центрального венозного давления осуществлялось проколом стенки верхней полой вены иглой для внутривенных инъекций, соединенной через зонд с измерительной камерой датчика венозного давления. В качестве зондов использовались полихлорвиниловые трубки с внутренним диаметром 1-3 мм и длиной 200-600 мм. В общем, техника катетеризации полостей сердца, верхней полой вены и нисходящей аорты соответствовала известным рекомендациям (Б.А.Константинов, 1981; Ю.С.Петросян, 1982; А.М.Хилькин, В.А.Светлов, 1979), и не имела каких либо особенностей.

При записи конечно-диастолического давления в полостях правого и левого желудочков, сигнал с электроманометров усиливался в 5 раз уси­лителями постоянного тока У5-9, после чего подавался на вход самописца 6NEK.

Нагрузку, преодолеваемую левым желудочком в период изгнания, мы оценивали как сумму факторов, оказывавших сопротивление выбросу крови в аорту.

Сопротивление клапанного аппарата аорты в период изгнания оценивали по разнице давле­ний в полости левого желудочка и аорте. Для измерения этого перепада использовались злектроманометры с одинаковым коэффициентом преобразования давления в электрический сигнал. При этом, электрические сигналы с выходов электроманометров вычитались аналоговым электронным устройством (усилителем с дифференциальным входом), а полученная разность сигналов регистрировалась на самописце.

Для исключения возможных ошибок в измерении перепада давлений "ЛЖ-аорта", в ряде случаев давление в полости левого желудочка и аорте измерялось одним электроманометром, а запись кривых давления производили путем последовательного пережатия зондов, введенных в дугу аорты и полость левого желудочка, и соединенных через тройник с измерительной камерой электроманометра. Таким образом, полностью исключалось влияние различия таких характеристик электроманометров, как дрейф «нуля» и нелинейность преобразования.

Со­противление распространению пульсовой волны по артериальному руслу оценивали по спектру входного импеданса аорты и степени подъема пульсового артериального давления во вторую фа­зу изгнания.